反向短溝道效應的減少的製作方法
2023-07-17 22:10:06 2
專利名稱：反向短溝道效應的減少的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及半導體器件，具體地涉及發生在半導體器件中的反向短溝道效應。
半導體集成電路中減小其特徵尺寸的趨勢產生了溝道長度接近於0.05微米的器件。但是，隨著有效溝道長度(Leff)的減小，溝道的導電率反向且發生導電的門電壓一門限(閾)電壓一增加到理論的預期水平之上。
圖1表示電壓的這種增加，或反向短溝道效應(RSCE)，這一般說來是一種不希望出現的效應。圖1中的虛線表示在帶柵極的器件中理想的溝道導電性能。
隨著溝道長度的減小而門限電壓反而趨向更高這一趨勢在某一點上會反向，這時門限電壓急劇下降。門限電壓的這種突然減小被稱為短溝道效應(SCE)。傳統上，隨著採取措施以減少RSCE，則SCE會變壞，這是一個不希望的附帶效應。
RSCE一般都認為是由於在n型金屬氧化物半導體場效應電晶體(NMOSFET)中閾能硼堆積在源極和漏極的邊緣而引起的，同時也因為在短溝道中跨越FET的溝道區內通常是不均勻的硼的分布所引起的。曾經使用過在溝道區中補充注入P型離子以減少在溝道區中硼的堆積的影響來試圖防止RSCE。
另一種曾經使用過以減少FET中的RSCE的技術是在FET的源極和漏極區中注入鍺。圖2中在10處總體上表示NFET的截面，在其中在源極18和漏極20的區域中加入了淺層的鍺注入區22。P型矽基片12含有一個分布在柵極氧化物15上並位於側壁間隔16之間的柵極14。源極18和漏極20各有一淺層鍺注入區22，它們是用來防止RSCE而形成的。
但是，用來減少RSCE的常規技術需要外加的加工步驟，並能引起對器件性能的不需要的附帶效果。在本技術中所需要的是製造一種不會受到RSCE影響的半導體器件的方法。
本發明是一種半導體器件，包括一個半導體基片，布置在所說基片上的第一擴散區，布置在所說基片上的第二擴散區，布置在所說的第一擴散區和第二擴散區之間的溝道區，布置在所說的半導體基片上並在所說的溝道區之上和與所說的第一擴散區和所說的第二擴散區相重疊的柵極氧化物，布置在所說的柵極氧化物上的柵電極，以及布置在整個所說基片上的中性摻雜劑擴散注入區，所說的中心摻雜劑擴散注入區在所說的第一擴散區和所說的第二擴散區之下有一個峰值濃縮區。
製造所說的器件的過程包括在第一導電率類型的半導體基片上形成一個氧化層，覆蓋式注入一種中性摻雜劑到所說的基片中以形成中性摻雜劑注入區，在所說的氧化層上形成柵電極，注入源極和漏極區到所說的基片中，其深度要小於所說的鍺注入區達到峰值濃度的地方。
現在將以僅作為例子的方式並參考所附插圖來說明本發明，這些圖僅僅是示範性而不是限制性的，且其中相同的元件在各個圖中都按相同的數字編號，在這些圖中，圖1是表明反向短溝道效應和短溝道效應的圖示；圖2是FET的截面圖，表明在漏和源極中常規的鍺注入體；圖3是在鍺摻雜時覆蓋著氧化層的晶片的截面圖；圖4是圖3的晶片在摻雜後的截面圖；圖5是圖4的晶片在柵極生成和源及漏極摻雜之後的截面圖；圖6是FET的一個實施例中表明相對的摻雜劑濃度的圖示；圖7是FET在柵電極已在氧化層上生成時進行鍺注入時的截面圖；圖8是表明具有鍺注入區的FET其RSCE減小但沒有相應的SCE變壞的圖示。
這裡所說明的半導體器件具有中性的摻雜劑注入，例如鍺，並在源和漏極區的下面形成峰值濃度。鍺的注入區最好是在源、漏和柵極生成之前注入，但是在源、漏和柵極生成之後注入也是可能的。所得的器件，它可以是一個FET，不會受到反向短溝道效應，而且這種注入不會引起短溝道效應的劣化。雖然這些圖和下面的說明為了清晰起見揭示的是一種NFET實施例的發明，但熟悉本技術的人們將會確信，本發明對於具有柵控擴散區的其它半導體器件也是同樣適用的。例如，通過對NFET類型的摻雜極性的反向就可形成PFET。
現在參考圖3，一個NFE1具有P型的矽區12，在其上利用常規方法沉積或生長了氧化層23。P型矽區12可以是摻雜的單晶體晶片，例如用在NFET應用的晶片，或也可以是由n型矽的離子注入所形成的P型矽的阱，例如要用在CMOS應用中的NFET部分。氧化層23一般是用從約0.04到約0.06微米的初始厚度形成的，優選的厚度為約0.05微米。P型矽區12可以用例如硼這樣的P型摻雜劑摻雜到初始濃度約1×1017到2×1018個原子/釐米3，優選的是約3×1017原子/釐米3。
中性摻雜劑的注入區最好是在具有足夠的能量下注入以便在源和漏極擴散注入區底部以下的晶片中形成一個峰值中性摻雜劑濃度，上面所說的擴散注入區是在以後的步驟中注入的。雖然任何中性摻雜劑例如矽或鍺都可以使用，但鍺是優選的中性摻雜劑。在一種實施例中，注入了鍺以便在深度為約0.10到約0.50微米處形成一個峰值，其中優選的深度為約0.15到約0.30微米，尤其可取的深度為約0.20到約0.25微米。鍺的最後峰值濃度為約1019cm-3到約1021cm-3是可取的，尤其可取的濃度是約1020。在P型矽區12表面的鍺濃度優選為約1017cm-3到約1019cm-3，尤其可取的濃度是約1018cm-3。鍺濃度可以用任何方式在P型矽區12的表面到峰值濃度之間變化，但是優選的是對數型的變化(例如見圖6)。為了以正確的深度和濃度形成鍺的注入區，鍺離子可以用，例如從約230到270千電子伏(keV)在約1013cm-2到約1016cm-2注入，最好是約245到255千電子伏在約1014cm-2到約1015cm-2注入。
圖4表示在注入鍺以後的NFET的橫截面。距離「X」表示如上所述的從P型矽區表面到鍺注入區峰值濃度的距離。虛線26表示鍺注入峰值濃度的深度。鍺濃度從峰值濃度26開始沿兩個方向都減小。距離「X」可以是任何從NFET的源、漏和溝道區中的合適的鍺濃度所得到的值，但最好有上面說明的值。
現在參考圖5，這裡所示的是在柵極生成和源及漏極摻雜以後的NFET。柵極的形成是用熟知的技術實現的，柵極14可以是多晶矽的柵極。在生成柵極之前，氧化層23上作上圖並經蝕刻以得到厚度約為4到11納米的柵氧化物。然後再形成多晶矽層、經刻圖和蝕刻而形成具有厚度約為100到約200納米的多晶矽柵極14。
一旦生成了柵極14，就可以對源極18和漏極20的擴散區進行摻雜。用n型的雜質對源極18和漏極20進行離子注入就可得到約為1019到1021的離子濃度，優選濃度為約1020。源極18和漏極20區的注入深度最好為小於約0.15微米，尤其可取的深度為小於約0.1微米。含有氧化物或氮化物的側壁間隔16可以在柵極14的邊上任選地形成。以便在源極18和漏極20生成第二注入區(未示出)。
在這一階段，鍺注入劑擴散到源極18，漏極20和在源極18和漏極20之間的溝道中。要進行退火以激活摻雜劑和恢復矽基片的晶格結構。退火可以在約600到約1200攝氏度之間進行。在退火之後，可以用常規的金屬化和鈍化技術來完成NFET的製造。
圖6表示NFET的各個區域中的離子濃度。如上所述及如圖6所示，鍺的峰值注入深度最好要比源極和漏極的注入深度在晶片中形成得更深一些。在上面所說的NFET中，源和漏極的注入劑是n型的離子，而晶片離子是P型離子。上面所說並示於圖6中的濃度和深度是示範性的，熟悉本技術的人員會理解，另外的摻雜濃度和注入深度都是可能的並在本發明的範圍之內。
重要的是，鍺可以在形成源極和漏極之前的NFET製造過程中的任何階段注入。例如，鍺可以在形成氧化層23之前或者在形成柵電極14之後注入。圖7表示鍺的注入步驟是在柵極14已經形成後實現的。為了有效地將鍺注入到柵極14以下的溝道區中去、鍺離子必須以一定角度注入，如圖7所示，注入的能量和劑量要加以調節以補償注入的角度。鍺的注入區也可以在源極18和漏極20已經形成之後以及在側壁間隔16形成之前或之後利用圖7所示的注入技術進行注入。
在P型基片上進行覆蓋式注入阻止了硼的堆積和溝道的不一致性，從而減少了RSCE，根據器件的工藝，至少可減少百分之15或更多。圖8是個圖示，它對本發明的注入鍺的NFET的短溝道門限電壓和沒有鍺注入的常規NFET作了比較。帶注入鍺的NFET由虛線表示。反向短溝道效應減少到了接近於鍺注入NFET的理想的水平。但是帶鍺注入並不使短溝道效應變壞。
上述的NFET具有明顯地減少反向短溝道效應的優點而不同時使短溝道效應或NFET器件的其它關鍵特性變壞。單一的鍺注入步驟可以方便地將鍺注入包括到標準的NFET和CMOS應用中去。
雖然已表示關敘述了優選實施例，但可以對它進行各種修改和替代而不背離本發明的精神和範圍。因此，應該理解，本發明只是作為一種說明而敘述的，而在這裡所揭示的說明和實施例並不應認為是對權利要求的限制。
權利要求
1．一種在製造半導體器件的方法中的改進，該半導體器件具有在半導體基片上形成的柵極和在半導體基片中形成的擴散區，該改進包括將中性摻雜劑覆蓋式注入到所說的半導體基片中，其能量劑量足以將所說的中性摻雜劑注入到其深度大於所說的擴散區的深度。
2．權利要求1的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑是鍺，所說的注入步驟包括在形成所說的擴散區之前注入所說的鍺。
3．權利要求1的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑是鍺，所說的注入步驟包括在形成所說的柵極之前注入所說的鍺。
4．權利要求1的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑是鍺，所說的注入步驟包括以這樣的劑量注入鍺，該劑量在所說的步驟的加熱階段足以防止在所說的半導體基片中在所說的各擴散區之間相對於所說各擴散區中的摻雜劑而言的摻雜劑過擴散。
5．權利要求1的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑是鍺，所說的半導體器件是FET。
6．權利要求1的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑是鍺，所說的各擴散區是源漏擴散區。
7．權利要求1的方法，其特徵在於其中所說的柵極是多晶矽。
8．權利要求1的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑是鍺，所說的半導體基片是矽。
9．權利要求1的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑是鍺，所說的鍺被注入到所說的半導體基片中以形成從約0.10到約0.50微米深的峰值濃縮區。
10．權利要求9的方法，其特徵在於其中所說的鍺被注入到所說的半導體基片中以形成從約0.15到約0.30微米深的峰值濃縮區。
11．權利要求10的方法，其特徵在於其中所說的鍺被注入到所說的半導體基片中以形成從約0.20到約0.25微米深的峰值濃縮區。
12．權利要求1的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑是鍺，所說的鍺被注入到使其峰值濃度為約1019到1021個鍺離子cm-3。
13．權利要求1的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑是鍺，所說的鍺被注入到使其峰值濃度為約1020個鍺離子cm-3。
14．權利要求1的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑是鍺，所說的注入是在形成所說的柵極以後進行的。
15．權利要求1的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑是鍺，所說的注入是在形成所說的擴散區後進行的。
16．權利要求1的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑是矽。
17．一種半導體器件，包括一個半導體基片；布置在所說基片上的第一擴散區；布置在所說基片上的第二擴散區；布置在所說的第一擴散區和所說的第二擴散區之間的溝道區；布置在所說的半導體基片上在所說的溝道區之上並與所說的第一擴散區和所說的第二擴散區重疊的柵極氧化物；布置在所說的柵極氧化物上的柵電極；以及布置在整個所說的基片上的中性摻雜劑擴散注入區，所說的中性摻雜劑擴散注入區具有在所說的第一擴散區和所說的第二擴散區之下的峰值濃縮區。
18．權利要求17的器件，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑擴散注入區是鍺，且所說的半導體器件是FET。
19．權利要求17的器件，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑擴散注入區是鍺，且所說的第一擴散區和所說的第二擴散區是源極和漏極擴散區。
20．權利要求17的器件，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑擴散注入區是鍺，且所說的柵極是多晶矽。
21．權利要求17的器件，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑擴散注入區是鍺，且所說的半導體基片是矽。
22．權利要求17的器件，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑擴散注入區是鍺，且所說的鍺擴散注入區的峰值濃縮區為從約0.10到約0.50微米深。
23．權利要求22的器件，其特徵在於其中所說的鍺擴散注入區的峰值濃縮區為從約0.15到約0.30微米深。
24．權利要求23的器件，其特徵在於其中所說的鍺擴散注入區的峰值濃縮區為從約0.20到約0.25微米深。
25．權利要求17的器件，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑擴散注入區是鍺，且所說的鍺擴散注入區的峰值濃縮區為約1019到約1021個鍺離子cm-3。
26．權利要求25的器件，其特徵在於其中所說的鍺擴散注入區的峰值濃縮區為約1020個鍺離子cm-3。
27．權利要求17的器件，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑擴散注入區是鍺，且所說的柵極絕緣層的厚度為約4到約11納米。
28．權利要求17的器件，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑擴散注入區是鍺，且所說的柵極的厚度為約100到約200納米。
29．權利要求17的器件，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑擴散注入區是矽。
30．製造FET的一種方法，包括在第一種導電性類型的半導體基片上形成一個氧化物層；在所說的基片中覆蓋式注入中性摻雜劑離子以形成中性摻雜劑注入區；在所說的氧化物層上形成柵電極；以及在所說的基片上注入源極和漏極區，其深度要小於所說的中性摻雜劑注入區出現峰值濃縮區的深度。
31．權利要求30的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑離子是鍺，且所說的覆蓋式注入步驟包括以這樣的劑量注入鍺，這劑量足以在所說過程的加熱階段期間防止相對於所說的源極和漏極區域中的摻雜劑而言在所說的基片上在所說源和所說漏區之間的摻雜劑的過擴散。
32．權利要求30的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑離子是鍺，且所說的柵極是多晶矽。
33．權利要求30的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑離子是鍺，且所說的半導體基片是矽。
34．權利要求30的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑離子是鍺，且所說的鍺被注入到所說的半導體基片中以形成所說的峰值濃縮區為從約0.10到約0.50微米深。
35．權利要求34的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑離子是鍺，且所說的鍺被注入到所說的半導體基片中以形成所說的峰值濃縮區為從約0.15到約0.30微米深。
36．權利要求35的方法，其特徵在於其中所說的鍺被注入到所說的半導體基片中以形成所說的峰值濃縮區為從約0.20到約0.25微米深。
37．權利要求30的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑離子是鍺，且所說的鍺注入的峰濃度為約1019到約1021個鍺離子cm-3。
38．權利要求37的方法，其特徵在於其中所說的鍺注入的峰值濃度為約1020個鍺離子cm-3。
39．權利要求30的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑離子是鍺，且所說的覆蓋式注入是在所說的柵極形成之後進行的。
40．權利要求30的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑離子是鍺，且所說的覆蓋式注入是在所說的擴散區形成之後進行的。
41．權利要求30的方法，其特徵在於其中所說的中性摻雜劑離子是矽。
全文摘要
說明了一種具有減少的反向短溝道效應的FET,還說明了製造所說FET的方法。鍺被注入到整個半導體基片中,其強度和劑量使峰值離子濃縮區建立在FET的源和漏極之下。鍺可以在柵極和源及漏極形成之前注入,並減少在正常情況下能在FET中見到的反向短溝道效應。在正常情況下在FET中出現的短溝道效應不會因鍺的注入而有負面影響。
文檔編號C09D183/02GK1319880SQ0111216
公開日2001年10月31日 申請日期2001年3月29日 優先權日2000年3月30日
發明者J·S·布朗, S·S·弗卡伊, 小R·J·高蒂爾, D·W·馬丁, J·A·斯林克曼 申請人:國際商業機器公司