專利名稱：高性能半導(dǎo)體器件的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種半導(dǎo)體器件的形成方法。更具體而言，涉及一種用于在半導(dǎo)體襯底上形成具有陡峭的倒摻雜阱的半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，具有更高性能和更強(qiáng)功能的集成電路要求更大的元件密 度，而且各個(gè)部件、元件之間或各個(gè)元件自身的尺寸、大小和空間也需要進(jìn)一步縮小。相 應(yīng)地，為了提高M(jìn)OSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)器件的性能需要進(jìn)一步減少 MOSFET器件的柵長。然而隨著柵長持續(xù)減小，減少到接近源極和漏極的耗盡層的寬度，例如 小于40nm時(shí)，將會產(chǎn)生較嚴(yán)重的短通道效應(yīng)(short channel effect或簡寫為SCE)，從而 不利地降低器件的性能，給大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)造成困難。如何降低短通道效應(yīng)以及有 效地控制短通道效應(yīng)，已經(jīng)成為集成電路大規(guī)模生產(chǎn)中的一個(gè)很關(guān)鍵的問題。一種通過在襯底中形成陡峭的倒摻雜阱來改善短通道效應(yīng)的方案可以用來減少 短通道效應(yīng)。此方案是基于在溝道中形成陡峭的倒摻雜阱以減小柵極下耗盡層的厚度，進(jìn) 而減少短通道效應(yīng)。通常要求倒摻雜阱要有很陡峭的分布以達(dá)好的效果。但是由于快速光 熱退火或尖峰退火經(jīng)常用于激活雜質(zhì)以及去除對源/漏區(qū)離子注入所導(dǎo)致的缺陷。而源極 區(qū)和漏極區(qū)以及源/漏延伸區(qū)退火的熱預(yù)算太大，這種退火形成原子擴(kuò)散所需的溫度和時(shí) 間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于僅對溝道區(qū)中的摻雜劑進(jìn)行退火所需。因此不利地導(dǎo)致溝道區(qū)中的摻雜原子擴(kuò) 散過大，從而破壞陡峭的倒摻雜分布。因此，為了改進(jìn)高性能半導(dǎo)體器件的制造，需要一種制造陡峭的倒摻雜分布的方法。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明提出了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括提供一 個(gè)襯底；在襯底上形成源極區(qū)、漏極區(qū)、設(shè)置在所述襯底上位于所述源極區(qū)和所述漏極區(qū)之 間的偽柵極結(jié)構(gòu)和形成在所述襯底和偽柵極結(jié)構(gòu)之間柵極介質(zhì)層；對所述源極區(qū)和漏極區(qū) 進(jìn)行退火；去除所述偽柵極結(jié)構(gòu)以形成開口 ；從所述開口對襯底進(jìn)行離子注入以形成陡峭 的倒摻雜阱；對所述器件進(jìn)行激光退火，以激活雜質(zhì)；在所述柵極介質(zhì)層上進(jìn)行沉積以形 成金屬柵極。其中也可以采用閃光退火，對所述器件進(jìn)行退火，以激活雜質(zhì)。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制造方法的流程圖；圖2-7示出了根據(jù)本發(fā)明的不同方面的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通常涉及一種半導(dǎo)體器件的制造方法，尤其涉及一種用于在半導(dǎo)體襯底上形成具有陡峭的倒摻雜阱的半導(dǎo)體器件的方法。下文的公開提供了許多不同的實(shí)施例或例 子用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設(shè)置 進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同 例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討 論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例 子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。 另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接 接觸的實(shí)施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實(shí)施例，這樣第一和 第二特征可能不是直接接觸。參考圖1，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制造方法的流程圖。在 步驟101，首先提供一個(gè)半導(dǎo)體襯底202，參考圖2。在本實(shí)施例中，襯底202包括位于晶體 結(jié)構(gòu)中的硅襯底(例如晶片)。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)公知的設(shè)計(jì)要求(例如P型襯底或者η型襯 底)，襯底202可以包括各種摻雜配置。其他例子的襯底202還可以包括其他基本半導(dǎo)體， 例如鍺和金剛石?；蛘?，襯底202可以包括化合物半導(dǎo)體，例如碳化硅、砷化鎵、砷化銦或者 磷化銦。此外，襯底202可以可選地包括外延層，可以被應(yīng)力改變以增強(qiáng)性能，以及可以包 括絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)。在步驟102，在襯底202上形成源極區(qū)204、漏極區(qū)206、設(shè)置在所述襯底上位于所 述源極區(qū)和所述漏極區(qū)之間的偽柵極結(jié)構(gòu)和形成在在所述襯底和偽柵極結(jié)構(gòu)208之間柵 極介質(zhì)層212。在一些實(shí)施例中在所述柵極介質(zhì)層212和所述偽柵極結(jié)構(gòu)208之間形成功 函數(shù)金屬柵層210。偽柵極結(jié)構(gòu)208為犧牲層。偽柵極結(jié)構(gòu)208可以例如為多晶硅。在一個(gè)實(shí)施例中， 偽柵極結(jié)構(gòu)包括非晶硅。偽柵極結(jié)構(gòu)可以由MOS技術(shù)工藝，例如多晶硅沉積、光刻、蝕刻及 /或其他合適的方法形成。柵極介質(zhì)層212可以包括高介電常數(shù)(高k)材料。在一個(gè)實(shí) 施例中，高k材料包括二氧化鉿(HfO2)。其他例子的高k材料包括HfSiO、HfSiON、HfTaO, HfTiO、HfZrO及其組合，以及/或者其他合適的材料。柵極介質(zhì)層212可以包括大約15埃 到40埃范圍之間的厚度。柵極介質(zhì)層212可以通過例如熱氧化、化學(xué)氣相沉積(CVD)或者 原子層沉積(ALD)的工藝來形成。柵極介質(zhì)層212還可以具有多層結(jié)構(gòu)，包括具有上述材 料的一個(gè)以上的層。特別地，在形成柵極介質(zhì)層212之后可以在其上沉積功函數(shù)金屬柵層 210。功函數(shù)金屬柵層可以包括在大約30埃到大約150埃范圍之間的厚度。用于功函數(shù)金 屬柵層的材料可以包括TiN以及TaN。側(cè)墻214可以形成在偽柵極結(jié)構(gòu)208的兩個(gè)側(cè)壁上。側(cè)墻214可以由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、氟化物摻雜硅玻璃、低k電介質(zhì)材料及其組合，和/或其他合適的 材料形成。側(cè)墻214可以具有多層結(jié)構(gòu)。側(cè)墻214可以通過包括沉積合適的電介質(zhì)材料的 方法形成。源/漏極區(qū)204、206可以通過根據(jù)期望的晶體管結(jié)構(gòu)，注入ρ型或η型摻雜物或 雜質(zhì)到襯底202中而形成。源/漏極區(qū)204、206可以由包括光刻、離子注入、擴(kuò)散和/或其 他合適工藝的方法形成。源極和漏極204、206可以先于柵極介質(zhì)層212形成。特別地，可以在所述半導(dǎo)體器件上形成覆蓋所述半導(dǎo)體器件的停止層216，參考圖 3。所述停止層可以包括Si3N4、氮氧化硅、碳化硅及/或其他合適材料。停止層216可以使用例如化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)及/或其他合適的工 藝等方法形成。在一個(gè)實(shí)施例中，停止層216的厚度范圍為大約50到200埃。介質(zhì)層218，可以通過化學(xué)氣相沉積(CVD)、高密度等離子體CVD、旋涂、濺射或其 他合適的方法形成在停止層216上，如圖4所示。介質(zhì)層218可以包括氧化硅、氮氧化硅或 者低k材料。特別地，采用比停止層216的材料硬度更小的材料來形成介質(zhì)層218，以便在 隨后進(jìn)行的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)時(shí)停止在所述停止層216上。而后方法進(jìn)行到步驟103，在該步驟中對所述源/漏極區(qū)進(jìn)行退火。所述退火可以 采用包括快速熱退火、尖峰退火等本領(lǐng)域技術(shù)人員所知曉的工藝進(jìn)行。在步驟中104中偽柵極結(jié)構(gòu)208可以被移除，從而產(chǎn)生的金屬柵極可以形成以取 代偽柵極結(jié)構(gòu)208。因此，可以通過化學(xué)機(jī)械拋光工藝對介質(zhì)層218進(jìn)行平整化，直至暴露 停止層216，如圖4所示。而后選擇性地刻蝕所述暴露的停止層216，以便暴露偽柵極結(jié)構(gòu) 208，如圖5所示。停止層216可以使用濕蝕刻和/或干蝕刻除去。隨后，除去偽柵極結(jié)構(gòu) 208，從而提供如圖6所示的器件600。例如，選擇性地蝕刻多晶硅并停止在功函數(shù)金屬柵層 210上來除去偽柵極結(jié)構(gòu)208并形成開口 220。偽柵極結(jié)構(gòu)208可以使用濕蝕刻和/或干 蝕刻除去。在一個(gè)實(shí)施例中，濕蝕刻工藝包括向氫氧包含溶液(例如氫氧化銨)、去離子水 以及/或者其他合適蝕刻劑溶液。然后步驟進(jìn)行到105，在該步驟中從所述開口 220對襯底進(jìn)行離子注入，以形成陡 峭的倒摻雜阱，參考圖6。對于N型半導(dǎo)體器件，使用III族元素進(jìn)行離子注入，例如硼和 銦；對于P型半導(dǎo)體器件，使用VI族元素進(jìn)行例子注入，紳和磷?？梢圆捎玫碾x子注入能量 的范圍大約為3-25keV，劑量大約為5el3-2el4，注入的深度范圍大約為10-25nm。在步驟106，對器件進(jìn)行激光退火，以激活倒摻雜阱中的雜質(zhì)。在其他的實(shí)施例中 可以采用其他的退火工藝，如閃光退火等。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通常采用瞬間退火工藝對 器件進(jìn)行退火，例如在大約1350°C以上的溫度進(jìn)行微妙級激光退火。在步驟107，在所述柵極介質(zhì)層上進(jìn)行沉積以形成金屬柵極。圖7顯示了器件700， 器件700包括沉積到開口 220中的、用于調(diào)節(jié)閾之電壓的金屬柵極222。金屬柵極材料可 以包括一個(gè)或多個(gè)材料層，例如襯層，向柵極提供合適功函數(shù)的材料，柵電極材料和/或其 他合適材料。對于N型半導(dǎo)體器件可以從包含下列元素的組中選擇一種或多種元素進(jìn)行沉 積TaC、TiN、TaTbN、TaErN、TaYbN、TaSiN、HfSiN、MoSiN、RuTax、NiTax 及這些材料的組合；對 于P型半導(dǎo)體器件可以從包含下列元素的組中選擇一種或多種元素進(jìn)行沉積MoNx、TiSiN、 TiCN, TaAlC, TiAlN, TaN、PtSix, Ni3Si、Pt、Ru、Ir、Mo、HfRu, RuOx 及這些材料的組合。最后在步驟108，在器件700上執(zhí)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝，以形成金屬柵極 222并提供器件700。器件700中形成有陡峭的倒摻雜阱和沉積的金屬柵極222。本發(fā)明采用了先對源/漏極區(qū)及延伸區(qū)進(jìn)行熱退火再形成陡峭的倒摻雜阱，并利 用激光退火針對倒摻雜阱中的雜質(zhì)進(jìn)行激活，而因此有利地避免了對源/漏極區(qū)及延伸區(qū) 進(jìn)行熱退火而導(dǎo)致的對倒摻雜阱分布陡峭度的破壞。同時(shí)由于本發(fā)明減小了半導(dǎo)體器件溝 道區(qū)耗盡層的深度，因此可以較好地控制短通道效應(yīng)，同時(shí)，由于倒摻雜阱分布不與源/漏 極區(qū)的摻雜重疊，能夠減少CM0SFET器件中的帶-帶泄漏電流。雖然關(guān)于示例實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明的 精神和 所附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的情況下，可以對這些實(shí)施例進(jìn)行各種變化、替換和修改。對于其他例子，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解在保持本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的同時(shí)，工藝步驟的次序可以變化。 此外，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不局限于說明書中描述的特定實(shí)施例的工藝、機(jī)構(gòu)、制 造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容 易地理解，對于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法 或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對應(yīng)實(shí)施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié) 果，依照本發(fā)明可以對它們進(jìn)行應(yīng)用。因此，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機(jī)構(gòu)、制 造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種制造半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括a)提供一個(gè)襯底；b)在襯底上形成源極區(qū)、漏極區(qū)、設(shè)置在所述襯底上位于所述源極區(qū)和所述漏極區(qū)之間的偽柵極結(jié)構(gòu)和形成在所述襯底和偽柵極結(jié)構(gòu)之間的柵極介質(zhì)層；c)對所述源極區(qū)和漏極區(qū)進(jìn)行退火；d)去除所述偽柵極結(jié)構(gòu)以形成開口；e)從所述開口對襯底進(jìn)行離子注入以形成陡峭的倒摻雜阱；f)進(jìn)行激光退火，以激活雜質(zhì)；g)在所述柵極介質(zhì)層上進(jìn)行沉積以形成金屬柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟f為進(jìn)行閃光退火，以激活雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述進(jìn)行離子注入以形成陡峭的倒摻雜阱的 步驟包括對于N型半導(dǎo)體器件，使用III族元素進(jìn)行離子注入；對于P型半導(dǎo)體器件，使用 VI族元素進(jìn)行例子注入。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述III族元素包括硼和銦，所述VI族元素包括 紳和磷，離子注入能量為3-10keV，劑量為5el3-2el4。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述離子注入的深度范圍為10-25nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述VI族元素包括磷和砷，所述VI族元素包括 紳和磷，離子注入能量為3-25keV，劑量為5el3-2el4。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述離子注入的深度范圍為10-25nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中在柵極介質(zhì)層上形成金屬柵極的步驟還包括 對于N型半導(dǎo)體器件從包含下列元素的組中選擇元素進(jìn)行沉積TaC、TiN, TaTbN, TaErN, TaYbN, TaSiN, HfSiN, MoSiN, RuTax, NiTax ；對于P型半導(dǎo)體器件從包含下列元素的組中選 擇元素進(jìn)行沉積MoNx、TiSiN, TiCN, TaAlC, TiAlN, TaN、PtSix, Ni3Si、Pt、Ru、Ir、Mo、HfRu、 RuOx。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中在襯底上形成源極區(qū)、漏極區(qū)、偽柵極結(jié)構(gòu)以 及柵極介質(zhì)層的步驟還包括在所述柵極介質(zhì)層和偽柵極結(jié)構(gòu)之間形成功函數(shù)金屬柵層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，在襯底上形成源極區(qū)、漏極區(qū)、偽柵極結(jié)構(gòu)以及柵 極介質(zhì)層的步驟還包括在所述偽柵極結(jié)構(gòu)的側(cè)壁形成側(cè)墻。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，還包括如下步驟在去除所述偽柵極結(jié)構(gòu)的步驟 前形成覆蓋所述半導(dǎo)體器件的停止層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括在所述停止層上形成介質(zhì)層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中去除偽柵極結(jié)構(gòu)的步驟包括進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光 以停止在所述停止層上，并且選擇性刻蝕所述停止層以暴露所述偽柵極結(jié)構(gòu)。
14.所述根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述停止層從包含下列元素的組中選擇 Si3N4、氮氧化硅、碳化硅及其組合；所述介質(zhì)層從包含下列元素的組中選擇氧化硅、氮氧 化硅及其組合。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中形成所述停止層的材料具有比形成所述介質(zhì)層 的材料更大的硬度。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括提供一個(gè)襯底；在襯底上形成源極區(qū)、漏極區(qū)、設(shè)置在所述襯底上位于所述源極區(qū)和所述漏極區(qū)之間的偽柵極結(jié)構(gòu)和形成在所述襯底和偽柵極結(jié)構(gòu)之間柵極介質(zhì)層；對所述源極區(qū)和漏極區(qū)進(jìn)行退火；去除所述偽柵極結(jié)構(gòu)以形成開口；從所述開口對襯底進(jìn)行離子注入以形成陡峭的倒摻雜阱；對所述開口部分進(jìn)行激光退火，以激活雜質(zhì)；在所述柵極介質(zhì)層上進(jìn)行沉積以形成金屬柵極。
文檔編號H01L21/283GK101840862SQ200910235780
公開日2010年9月22日 申請日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者朱慧瓏, 王文武 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所