提高n溝道金屬氧化物半導(dǎo)體內(nèi)熱載流子注入性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種提高N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體內(nèi)熱載 流子注入性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體NMOS的基本結(jié)構(gòu)是在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底 (提供大量可以動的空穴)上，制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)（N+區(qū)域中有大量為電流流動提 供自由電子的電子源)，并用金屬(一般用鎢）引出兩個電極，分別作漏極D和源極S，然后在 半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅（Si02)絕緣層，在漏源極間的絕緣層上再裝上一個電 極(通常是多晶硅)，作為柵極G，在襯底上也引出一個電極B，這就構(gòu)成了一個N溝道增強(qiáng)型 MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的，柵極與其它電極間是絕緣的。
[0003] 隨著芯片尺寸的減小，芯片的供電電壓、工作電壓并沒有相應(yīng)減少很多，所以相應(yīng) 的電場強(qiáng)度增加了，導(dǎo)致了電子的運(yùn)動速率增加。當(dāng)電子的能量足夠高的時候，就會離開硅 襯底，隧穿進(jìn)入柵氧化層，形成熱載流子效應(yīng)。圖1顯示了熱載流子的產(chǎn)生和由此產(chǎn)生的電 流的組成，I ai是溝道電流，Ibb是襯底電流，Ve是柵極電壓，Ie是柵極電流，V d是漏極電壓， Vb是襯底電壓，Ve〈VD。
[0004] 熱載流子效應(yīng)的產(chǎn)生主要受到水平方向的電場強(qiáng)度的影響，其中在水平方向，電 場強(qiáng)度最大的地方就是在溝道區(qū)靠近漏極的地方。熱載流子注入的一個重要因素就是漏極 和溝道之間的耗盡區(qū)發(fā)生雪崩效應(yīng)，形成漏極雪崩熱載流子（DAHC)注入，產(chǎn)生大量的電子 空穴對，由于柵極上有一定的正偏壓，電子會突破Si-SiO 2界面上的勢壘，進(jìn)入柵氧化層，導(dǎo) 致MOS晶體管性能下降：第一，由于熱載流子注入到柵氧，一部分到達(dá)柵極，形成柵電流，另 一部分注入到柵氧的陷阱電荷中，這部分陷阱電荷對閾值表達(dá)式中的固定電荷項(xiàng)起作用， 并隨時間而積累，閾值電壓就會產(chǎn)生永久性的漂移；第二，飽和電流會下降；第三，由于襯 底電流的增加，跨導(dǎo)會降低；第四，隨著陷阱電荷的積累，器件壽命將縮短。
[0005] 為了解決熱載流子效應(yīng)的不良影響，使用最廣泛的器件結(jié)構(gòu)就是輕摻雜漏極結(jié) 構(gòu)，簡稱LDD。使用LDD結(jié)構(gòu)，可以降低耗盡區(qū)電場，抑制熱載流子注入效應(yīng)。
[0006] 目前，通常使用的LDD輕摻雜漏極結(jié)構(gòu)制程包含以下步驟： 步驟1、如圖2所示，在P型摻雜阱（P型襯底)101上制備柵極結(jié)構(gòu)，該柵極結(jié)構(gòu)包含柵 氧化層102和設(shè)置在柵氧化層上的多晶硅柵極103 ; 步驟2、如圖3所示，進(jìn)行單次低濃度的離子注入，在P型襯底101內(nèi)形成輕摻雜漏極區(qū) 域104和輕摻雜源極區(qū)域105 ; 3. 3V的NMOS能量范圍和劑量范圍很寬，但對于130nm制程來說，摻雜物為磷，能量為 50K以下，劑量濃度為4XlO13 ; 步驟3、如圖4所示，在柵極結(jié)構(gòu)周圍形成側(cè)墻結(jié)構(gòu)，該側(cè)墻結(jié)構(gòu)包含三層結(jié)構(gòu)，從里至 外分別為第一氧化娃層106、氮化娃層107和第二氧化娃層108 ; 步驟4、如圖5所示，對側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，移除全部第二氧化硅層108,移除部分第一 氧化硅層106和氮化硅層107,在柵極兩側(cè)形成側(cè)墻； 步驟5、如圖6所示，進(jìn)行高濃度的離子注入，在P型襯底101內(nèi)形成重?fù)诫s漏極區(qū)域 109和重?fù)诫s源極區(qū)域110。
[0007] 針對3. 3V的N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體器件，由于該器件的電壓較高，即使采用了 上述LDD輕摻雜漏極結(jié)構(gòu)制程，對熱載流子注入效應(yīng)的抑制也不是十分明顯，器件的壽命 將縮短。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供的一種提高N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體內(nèi)熱載流子注入性能的方法，有 效抑制了熱載流子注入效應(yīng)，保持了晶體管性能，延長了器件壽命。
[0009] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種提高N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體內(nèi)熱載流子注 入性能的方法，該方法針對3. 3VN溝道金屬氧化物半導(dǎo)體器件，該方法包含以下步驟： 步驟1、在P型摻雜阱上制備柵極結(jié)構(gòu)，該柵極結(jié)構(gòu)包含柵氧化層和設(shè)置在柵氧化層上 的多晶硅柵極； 步驟2、進(jìn)行第一次低濃度的離子注入，在P型襯底內(nèi)形成輕摻雜漏極區(qū)域和輕摻雜源 極區(qū)域； 步驟3、在柵極結(jié)構(gòu)周圍形成側(cè)墻結(jié)構(gòu)，該側(cè)墻結(jié)構(gòu)包含三層結(jié)構(gòu)，從里至外分別為第 一氧化娃層、氮化娃層和第二氧化娃層； 步驟4、進(jìn)行第二次低濃度的離子注入，在P型襯底內(nèi)形成輕摻雜漏極區(qū)域和輕摻雜源 極區(qū)域； 步驟5、對側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，移除全部第二氧化硅層，移除部分第一氧化硅層和氮化 硅層，在柵極兩側(cè)形成側(cè)墻； 步驟6、進(jìn)行高濃度的離子注入，在P型襯底內(nèi)形成重?fù)诫s漏極區(qū)域和重?fù)诫s源極區(qū) 域。
[0010] 所述第一次低濃度的離子注入的能量為50K以下，劑量濃度為2X IO13~3X 1013。
[0011] 所述第二次低濃度的離子注入的能量為50K以下，劑量濃度為3.8X1013~ 3. 9X IO130
[0012] 本發(fā)明在通過降低耗盡區(qū)兩端的濃度從而降低耗盡區(qū)電場的同時，保持飽和電流 不變，有效抑制了熱載流子注入效應(yīng)，保持了晶體管性能，延長了器件壽命。
【附圖說明】
[0013] 圖1是【背景技術(shù)】中產(chǎn)生熱載流子效應(yīng)的示意圖。
[0014] 圖2~圖6是【背景技術(shù)】中制造輕摻雜漏極的流程結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖7~圖12是本發(fā)明提供的一種提高N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體內(nèi)熱載流子注入 性能的方法的流程結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖13是本發(fā)明與【背景技術(shù)】中的器件的襯底電流數(shù)據(jù)對比圖。
[0017] 圖14是本發(fā)明與【背景技術(shù)】中的器件的漏極電流退化時間圖。
[0018] 圖15是本發(fā)明與【背景技術(shù)】中的器件的壽命對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 以下根據(jù)圖7~圖15具體說明本發(fā)明的較佳實(shí)施例。
[0020] 本發(fā)明提供一種提高N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體內(nèi)熱載流子注入性能的方法，該方 法針對3. 3VN溝道金屬氧化物半導(dǎo)體器件，該方法包含以下步驟： 步驟1、如圖7所示，在P型摻雜阱（P型襯底)101上制備柵極結(jié)構(gòu)，該柵極結(jié)構(gòu)包含柵 氧化層102和設(shè)置在柵氧化層上的多晶硅柵極103 ; 步驟2、如圖8所示，進(jìn)行第一次低濃度的離子注入，在P型襯底101內(nèi)形成輕摻雜漏極 區(qū)域104和輕摻雜源極區(qū)域105 ; 該第一次低濃度的離子注入的能量與【背景技術(shù)】中單次低濃度的離子注入的能量一樣， 劑量大約為【背景技術(shù)】中單次低濃度的離子注入的劑量的一半； 艮P，能量為50K以下，劑量濃度為2 X IO13~3 X IO13 ; 步驟3、如圖9所示，在柵極結(jié)構(gòu)周圍形成側(cè)墻結(jié)構(gòu)，該側(cè)墻結(jié)構(gòu)包含三層結(jié)構(gòu)，從里至 外分別為第一氧化娃層106、氮化娃層107和第二氧化娃層108 ; 步驟4、如圖10所示，進(jìn)行第二次低濃度的離子注入，在P型襯底101內(nèi)形成輕摻雜漏 極區(qū)域104'和輕摻雜源極區(qū)域105' ； 該第二次低濃度的離子注入的能量與【背景技術(shù)】中單次低濃度的離子注入的能量一樣， 劑量略低于【背景技術(shù)】中單次低濃度的離子注入的劑量； 艮P，能量為50K以下，劑量濃度為3. 8 X IO13~3. 9 X 1013。
[0021] 步驟5、如圖11所示，對側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，移除全部第二氧化硅層108,移除部分 第一氧化硅層106和氮化硅層107,在柵極兩側(cè)形成側(cè)墻； 步驟6、如圖12所示，進(jìn)行高濃度的離子注入，在P型襯底101內(nèi)形成重?fù)诫s漏極區(qū)域 109和重?fù)诫s源極區(qū)域110。
[0022] 本發(fā)明將【背景技術(shù)】中的輕摻雜注入過程分成兩次較低濃度的輕摻雜注入過程，通 過降低耗盡區(qū)兩端的濃度從而降低耗盡區(qū)電場的同時，保持飽和電流不變，有效抑制了熱 載流子注入效應(yīng)，保持了晶體管性能，延長了器件壽命。
[0023] 表 1
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種提高N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體內(nèi)熱載流子注入性能的方法，該方法針對3. 3VN 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，該方法包含以下步驟： 步驟1、在P型摻雜阱（101)上制備柵極結(jié)構(gòu)，該柵極結(jié)構(gòu)包含柵氧化層（102)和設(shè)置 在柵氧化層上的多晶硅柵極（103); 步驟2、進(jìn)行第一次低濃度的離子注入，在P型襯底（101)內(nèi)形成輕摻雜漏極區(qū)域（104) 和輕摻雜源極區(qū)域（105); 步驟3、在柵極結(jié)構(gòu)周圍形成側(cè)墻結(jié)構(gòu)，該側(cè)墻結(jié)構(gòu)包含三層結(jié)構(gòu)，從里至外分別為第 一氧化娃層（106)、氮化娃層（107)和第二氧化娃層（108); 步驟4、進(jìn)行第二次低濃度的離子注入，在P型襯底（101)內(nèi)形成輕摻雜漏極區(qū)域（104' )和輕摻雜源極區(qū)域（105'）； 步驟5、對側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，移除全部第二氧化硅層（108)，移除部分第一氧化硅層 (106)和氮化硅層（107)，在柵極兩側(cè)形成側(cè)墻； 步驟6、進(jìn)行高濃度的離子注入，在P型襯底（101)內(nèi)形成重?fù)诫s漏極區(qū)域（109)和重 摻雜源極區(qū)域（110)。
2. 如權(quán)利要求1所述的提高N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體內(nèi)熱載流子注入性能的方法， 其特征在于，所述第一次低濃度的離子注入的能量為50K以下，劑量濃度為2XIO13~ 3XIO130
3. 如權(quán)利要求1所述的提高N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體內(nèi)熱載流子注入性能的方法， 其特征在于，所述第二次低濃度的離子注入的能量為50K以下，劑量濃度為3.8XIO13~ 3. 9XIO130
【專利摘要】一種提高N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體內(nèi)熱載流子注入性能的方法，將傳統(tǒng)的輕摻雜注入過程分成兩次較低濃度的輕摻雜注入過程，通過降低耗盡區(qū)兩端的濃度從而降低耗盡區(qū)電場的同時，保持飽和電流不變，有效抑制了熱載流子注入效應(yīng)，保持了晶體管性能，延長了器件壽命。
【IPC分類】H01L21-336, H01L29-06, H01L29-78, H01L21-265
【公開號】CN104779159
【申請?zhí)枴緾N201410010894
【發(fā)明人】林益梅
【申請人】上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2014年1月10日