利用氢氦联合注入制备场效应晶体管的方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN03100823.2

申请日:

2003.01.23

公开号:

CN1438682A

公开日:

2003.08.27

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法律详情:

未缴年费专利权终止IPC(主分类):H01L 21/335申请日:20030123授权公告日:20050316终止日期:20140123|||授权|||实质审查的生效|||公开

IPC分类号:

H01L21/335; H01L21/265; H01L21/324; H01L21/84

主分类号:

H01L21/335; H01L21/265; H01L21/324; H01L21/84

申请人:

北京大学

发明人:

黎明; 杨胜齐; 黄如; 何进; 张兴; 王阳元

地址:

100871北京市海淀区颐和园路5号

优先权:

专利代理机构:

北京华一君联专利事务所

代理人:

余长江

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内容摘要

本发明提供了一种利用氢氦联合注入制备场效应晶体管的方法,先在硅片上热氧化形成注入掩蔽氧化层,然后联合注入氢气和氦气,再在高温条件下退火形成空洞层;去掉掩蔽氧化层,然后在空洞层之上的硅膜上采用常规CMOS工艺制备出场效应晶体管。本发明提出的方法将材料制备和电路制造有机地结合起来,相比较SOI技术有效地缩短了工艺流程,降低了成本;本发明的方法和传统的CMOS工艺完全兼容,具有极大的可行性。

权利要求书

1: 利用氢氦联合注入制备场效应晶体管的方法,其特征是先在硅片上热 氧化形成注入掩蔽氧化层,然后联合注入氢气和氦气,再在高温条件下退火形 成空洞层;去掉掩蔽氧化层,然后在空洞层之上的硅膜上采用常规CMOS工艺 制备出场效应晶体管。
2: 如权利要求1所述的利用氢氦联合注入制备场效应晶体管的方法,其 特征在于所述联合注入氢气氦气的步骤为:先注入H 2 + ,能量为30~100keV, 剂量为1e15cm -2 ;后注入He + ,能量为30~100keV,剂量为1e16~1e17cm -2 。
3: 如权利要求1或2所述的利用氢氦联合注入制备场效应晶体管的方法, 其特征在于所述高温条件下退火的步骤为:800~1100℃下在氮气气氛中退火5~ 60分钟。

说明书


利用氢氦联合注入制备场效应晶体管的方法

    技术领域:

    本发明属于超大规模集成电路技术(ULSI)领域,尤其是场效应晶体管的制备方法。背景技术:

    随着微电子技术进入深亚微米(特征尺寸<100nm)范围,传统的CMOS体硅技术已经接近其理论极限,严重的短沟道效应和其他寄生效应是限制将更小尺寸的器件集成到超大规模电路(ULSI)中去的瓶颈。目前,SOI(Silicon-on-insulator)技术已经显示出替代体硅技术的可能性。采用全耗尽SOI器件结构,可以有效地抑制短沟效应,获取近似理想的亚阈参数S;而且SOI技术具有寄生效应小,隔离简单,可以在更小面积上制作互补场效应晶体管对(CMOS),因此是未来最具竞争力的超大集成电路制备技术。目前,AMD公司已经宣布其新一代的处理器将用SOI技术实现。

    制约SOI技术应用的最大因素是SOI晶圆片(Wafer)的制备。当前生产SOI晶圆片主要利用大剂量离子注入技术,通过后续高温退火形成隐埋的二氧化硅层,同时恢复顶层硅膜的晶格,这种技术称为SIMOX技术。由于二氧化硅的密度小于单晶硅,故而SIMOX晶圆片存在体积膨胀的问题,无法获得极高均匀性的硅膜,这将对高精度光刻造成很大地影响,造成器件的性能不均匀。而且由于SIMOX技术需要特殊的氧离子注入机,其成本远远高于体硅晶圆片。此外,当前的SOI技术都是将材料制备和器件或者电路生产分离,因此也将增加其成本。

    氢氦注入硅衬底形成空洞层技术传统上用于吸杂(GETTERING),载流子寿命控制(LIFETIME CONTROL),以及智能剥离(SMART-CUT)。其最大特征是可以通过控制注入能量,剂量以及退火条件精确控制埋层空洞的尺寸和位置。

    利用氢氦注入形成的埋层空洞和SOI隐埋氧化层之间的类似性,直接将器件或者电路制备在空洞层上的硅膜中,有可能在单一流程中完成材料制备和电路生产全过程。这种方案能够有效解决SOI技术的成本问题。发明内容:

    本发明的目的是提供一种制备场效应晶体管的方法,利用氢氦联合注入单晶硅形成连续均匀的空洞层,并利用空洞层上的硅膜制备场效应晶体管及其电路,形成类似于S0I的结构,但是将二氧化硅隐埋层替换为空洞层,因此可以将具有这种结构的器件称作为SON型器件,即Silicon-On-Nothing。

    本发明的技术方案如下:

    利用氢氦联合注入制备场效应晶体管的方法,即:先在硅片上热氧化形成注入掩蔽氧化层,然后联合注入氢气和氦气,再在高温条件下退火形成空洞层;去掉掩蔽氧化层,然后在空洞层之上的硅膜上采用常规CMOS工艺制备出场效应晶体管。

    所述联合注入氢气氦气的步骤为:先注入H2+,能量为30~100keV,剂量为1e15cm-2;后注入He+,能量为30~100keV,剂量为1e16~1e17cm-2。

    所述高温条件下退火的步骤为:800~1100℃下在氮气气氛中退火5~60分钟。

    本发明的制备SON器件和电路的详细工艺步骤如下:

    1)备片清洗;

    2)热氧化形成二氧化硅注入掩蔽层;

    3)注入氢气;

    4)注入氦气;

    5)氮气高温退火,在降温过程中通入氧气进行少量氧化;

    6)腐蚀掩蔽氧化层;

    7)单阱或者双阱的制作;

    8)场区注入和LOCOS器件隔离;

    9)调整阈值注入;

    10)清洗后制备栅氧化层;

    11)淀积多晶硅栅材料;

    12)光刻栅线条;

    13)源漏区注入并进行杂质激活;

    14)形成侧墙后制备源漏硅化物;

    15)淀积二氧化硅层,开出接触孔;

    16)淀积金属,光刻引线;

    17)合金化;

    18)淀积钝化层,开孔形成电极。

    本发明的方法是将氢氦联合注入硅中形成空洞层技术应用于CMOS器件制备,实现制备在空洞埋层上的SON(Silicon-On-Nothing)型场效应晶体管。其中的氢氦联合注入形成空洞工艺基于以下原理:注入硅中的氦原子可以和硅中由于离子注入形成的双空位(Divacancy)结合,形成复杂的He-V2团簇。进一步,结合氦的双空位聚集成更复杂,尺寸更大的氦气泡。在后续退火中,氦气克服空位的表面势垒,进入硅晶格,渗透到硅表面,并从表面逸出。在硅体内部留下热稳定性极好的空洞层。联合注入氢元素的时候,氢将辅助氦气泡的形成,大大降低形成空洞所需的最小剂量。

    上述详细工艺步骤中最重要的是2)、3)、4)以及5)。一般掩蔽氧化层厚度需要根据将来空洞层位置(也就是硅膜厚度)的要求来决定。而注入能量也将影响空洞层位置。影响空洞是否能够形成,是否能够形成连续均匀的空洞,对硅膜没有损伤的关键因素是注入能量、剂量以及后续退火温度和时间的联合作用。由于注入能量一般由设计的空洞层位置决定,注入剂量和退火条件显得对空洞形成过程更加重要。

    图1比较了不同条件下形成的空洞层样品的剖面(CROSS-SECTION)投射电镜(TEM)照片:

    (a)掩蔽氧化层300~400;注入He+,能量100KeV,剂量1e17cm-2;

       氮气气氛中1100℃下退火5分钟;

    (b)掩蔽氧化层2000;先注入H2+,能量40keV,剂量1e15cm-2,然后注

       入He+,能量40keV,剂量1e16cm-2;氢气加氮气(H2∶N2=1∶10)

       气氛中430℃下退火30分钟;

    (c)掩蔽氧化层2000;先注入H2+,能量40keV,剂量1e15cm-2,然后注

       入He+,能量40keV,剂量1e16cm-2;氢气加氮气(H2∶N2=1∶10)

       气氛中1100℃下退火30分钟;

    从照片上来看,(a)条件下的大剂量注入氦可以形成气泡尺寸较均匀的连续空洞层,但是空洞层厚度由多个气泡组成。(c)条件下的氢氦联合注入加高温退火可以形成一层尺寸均匀,密度较大,边缘光滑的较连续的空洞层,而且空洞层厚度基本上只由1~2个气泡决定。(b)条件下形成的空洞尺寸均匀性极差,而且空洞周围有明显的衬度变化,说明该处的硅晶格密度发生了变化,可能存在应力集中区或者高密度缺陷区。以上的比较说明,为了获得比较薄,均匀性比较好,对硅膜损伤比较小的隐埋空洞层,氢氦联合注入和高温退火是最优化的组合。

    图2是利用本发明方法制备的0.8微米沟长的N型SON场效应晶体管的和相同沟长的N型体硅MOSFET的特性比较。图2(a)是两种器件在漏电压为1.5伏特时的转移特性,从图中可以看出,相比较体硅器件,SON器件在零栅压时的源漏电流更小。图2(b)是转移特性的线性表示,可以看出在强反型区,SON器件的电流更大。因此,SON器件相比体硅器件具有更高的开关比。图2(c)是两种器件在栅电压分别为0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0伏特时的输出曲线,从中可以看出,SON器件特性表现出类似SOI器件的翘曲效应(kink effect),这是空洞层存在的一个有力证据。一般认为SOI器件的翘曲效应由漏端碰撞电离和悬浮体效应造成,一般只在硅膜较厚,存在中性区时,翘曲效应才发生。本发明方法制得的SON器件的翘曲效应可能由诸多复杂的因素造成,比如空洞层界面态,所处的工艺环境条件等等。从上述比较可以看出,氢氦注入对单晶硅质量并没有造成破坏,SON型器件的特性和正常的体硅器件十分接近,完全满足制备MOS器件的要求。

    从上述关于SON器件制备工艺方案的描述中可以看出,所有的工艺都属于传统CMOS工艺,因此这种利用氢氦联合注入制备埋层空洞场效应晶体管的工艺方案具备极大的可行性。从试验性结果来看,该方案制备的器件性能没有任何退化,因此具有实用性。这种方案将材料制备(氢氦注入形成埋层空洞)和器件制备直接联系起来,大大缩短了工艺流程,能够为大规模电路生产节约大量的成本。

    本发明提出的工艺方案将材料制备和电路制造有机地结合起来,因此相比较SOI技术有效地缩短了工艺流程,并且降低了成本。本发明工艺方案和传统的体硅CMOS工艺完全兼容,因此具有极大的可行性。附图说明:

    图1为三组不同实验条件下的空洞层的HITAGHI H800投射电镜照片。

        (a)中照片的放大倍数为20,000和50,000倍;

        (b)中照片的放大倍数为30,000和80,000倍;

        (c)中照片的放大倍数为50,000和80,000倍。

    图2是N型SON场效应晶体管和体硅场效应晶体管的转移特性比较和输出特性比较。二者栅线条宽度均为0.8微米。

        (a)为转移特性比较,纵轴为对数坐标。源端电压均为0伏,漏端电

           压为1.5伏,图中实线为SON器件,虚线为体硅器件;

        (b)为转移特性比较,纵轴为线性坐标。源端电压均为0伏,漏端电

           压为1.5伏,图中实线为SON器件,虚线为体硅器件;

        (c)为输出曲线比较。图中实线为SON器件,虚线为体硅器件。每组

           曲线对应六个不同的栅压,分别为0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0

           伏。

    图3为采用本发明方法制备的SON型场效应晶体管的结构示意图。图中:

    1-栅电极,2-源电极,3-漏电极

    4-多晶硅栅材料,5-栅氧化层,6-场区氧化层

    7-硅膜,8-埋层空洞,9-硅衬底具体实施方式:

    下面以N型MOSFET的单管工艺作为实例,说明利用氢氦联合注入技术形成SON器件的步骤。所制得的场效应晶体管的结构如图3所示,主要由硅膜7、埋层空洞8和硅衬底9形成的三明治结构,场效应晶体管制备在硅膜6上。

    样品采用单抛p型<100>体硅片,直径为10厘米(四英寸),厚度为525微米,电阻率为22~38欧姆厘米。版图采用三微米工艺规则设计,最小尺寸0.8微米,最大尺寸30微米,总共四步光刻。主要工艺步骤包括:

    1.浓硫酸+双氧水清洗硅片,干氧条件下氧化500掩蔽氧化层;

    2.通过氧化层以40keV注入1e15cm-2的H+,然后在相同能量下注入1e16cm-2的He+。

    3.氮气气氛中,在1100℃下退火30分钟,升温时间为35分钟,通过25分钟降温到1000℃,通入氧气,氧化16分钟,然后30分钟降温到室温。该步工艺结束后在硅片上将形成硅衬底9+埋层空洞8+硅膜7的三明治结构。

    4.去除掩蔽氧化层后,重新生长500的缓冲氧化层,然后低压化学气相淀积1000的氮化硅。

    5.光刻有源区,反应离子刻蚀(RIE)氮化硅。

    6.场区注入B+,能量为40keV,剂量为8e13cm-2。

    7.去胶后清洗,1000℃下LOCOS氧化40分钟,形成厚度为3000±200场区氧化层6。

    8.浓磷酸去氮化硅后进行调阈值注入B+,能量为40keV,剂量为2.8e12cm-2。

    9.漂去缓冲氧化层,用新配浓硫酸清洗硅片,在950℃下进行栅氧化,氧化时间为15分钟,栅氧化层5厚度为150±5。

    10.低压化学气相淀积多晶硅栅材料4,厚度为3500±100,然后进行多晶硅注入31P+,能量为70keV,剂量为5e15cm-2。

    11.光刻多晶硅栅线条,曝光后ICP刻蚀多晶硅。

    12.去胶清洗后源漏注入As+,能量为100keV,剂量为5e15cm-2。

    13.低压化学气相淀积二氧化硅6000±200,然后在氮气气氛中900℃下致密退火30分钟。

    14.光刻接触孔。曝光后先用反应离子刻蚀二氧化硅到5500,然后用稀释氢氟酸按500过腐蚀二氧化硅,形成接触孔。

    15.去胶后先溅射800Ti,然后溅射AlSi合金1~1.2微米。

    16.光刻Al电极图形,曝光后反应离子刻蚀Al,形成源电极2,漏电极3和栅电极1。

    17.发烟硝酸去胶后,在氮气和氢气气氛中430℃下退火30分钟,进行合金化。

    至此,利用氢氦注入单晶硅制备N型SON场效应晶体管的工艺流程全部结束,所制得的场效应晶体管的结构如图3所示,主要由硅膜7、埋层空洞8和硅衬底9形成的三明治结构,场效应晶体管制备在硅膜6上。

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本发明提供了一种利用氢氦联合注入制备场效应晶体管的方法,先在硅片上热氧化形成注入掩蔽氧化层,然后联合注入氢气和氦气,再在高温条件下退火形成空洞层;去掉掩蔽氧化层,然后在空洞层之上的硅膜上采用常规CMOS工艺制备出场效应晶体管。本发明提出的方法将材料制备和电路制造有机地结合起来,相比较SOI技术有效地缩短了工艺流程,降低了成本;本发明的方法和传统的CMOS工艺完全兼容,具有极大的可行性。 。

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