專利名稱：利用氫氦聯(lián)合注入制備場效應(yīng)晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超大規(guī)模集成電路技術(shù)(ULSI)領(lǐng)域，尤其是場效應(yīng)晶體管的制備方法。
制約SOI技術(shù)應(yīng)用的最大因素是SOI晶圓片(Wafer)的制備。當(dāng)前生產(chǎn)SOI晶圓片主要利用大劑量離子注入技術(shù)，通過后續(xù)高溫退火形成隱埋的二氧化硅層，同時恢復(fù)頂層硅膜的晶格，這種技術(shù)稱為SIMOX技術(shù)。由于二氧化硅的密度小于單晶硅，故而SIMOX晶圓片存在體積膨脹的問題，無法獲得極高均勻性的硅膜，這將對高精度光刻造成很大的影響，造成器件的性能不均勻。而且由于SIMOX技術(shù)需要特殊的氧離子注入機，其成本遠遠高于體硅晶圓片。此外，當(dāng)前的SOI技術(shù)都是將材料制備和器件或者電路生產(chǎn)分離，因此也將增加其成本。
氫氦注入硅襯底形成空洞層技術(shù)傳統(tǒng)上用于吸雜(GETTERING)，載流子壽命控制(LIFETIME CONTROL)，以及智能剝離(SMART-CUT)。其最大特征是可以通過控制注入能量，劑量以及退火條件精確控制埋層空洞的尺寸和位置。
利用氫氦注入形成的埋層空洞和SOI隱埋氧化層之間的類似性，直接將器件或者電路制備在空洞層上的硅膜中，有可能在單一流程中完成材料制備和電路生產(chǎn)全過程。這種方案能夠有效解決SOI技術(shù)的成本問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下利用氫氦聯(lián)合注入制備場效應(yīng)晶體管的方法，即先在硅片上熱氧化形成注入掩蔽氧化層，然后聯(lián)合注入氫氣和氦氣，再在高溫條件下退火形成空洞層；去掉掩蔽氧化層，然后在空洞層之上的硅膜上采用常規(guī)CMOS工藝制備出場效應(yīng)晶體管。
所述聯(lián)合注入氫氣氦氣的步驟為先注入H2+，能量為30～100keV，劑量為1e15cm-2；后注入He+，能量為30～100keV，劑量為1e16～1e17cm-2。
所述高溫條件下退火的步驟為800～1100℃下在氮氣氣氛中退火5～60分鐘。
本發(fā)明的制備SON器件和電路的詳細工藝步驟如下1)備片清洗；2)熱氧化形成二氧化硅注入掩蔽層；3)注入氫氣；4)注入氦氣；5)氮氣高溫退火，在降溫過程中通入氧氣進行少量氧化；6)腐蝕掩蔽氧化層；7)單阱或者雙阱的制作；8)場區(qū)注入和LOCOS器件隔離；9)調(diào)整閾值注入；
10)清洗后制備柵氧化層；11)淀積多晶硅柵材料；12)光刻柵線條；13)源漏區(qū)注入并進行雜質(zhì)激活；14)形成側(cè)墻后制備源漏硅化物；15)淀積二氧化硅層，開出接觸孔；16)淀積金屬，光刻引線；17)合金化；18)淀積鈍化層，開孔形成電極。
本發(fā)明的方法是將氫氦聯(lián)合注入硅中形成空洞層技術(shù)應(yīng)用于CMOS器件制備，實現(xiàn)制備在空洞埋層上的SON(Silicon-On-Nothing)型場效應(yīng)晶體管。其中的氫氦聯(lián)合注入形成空洞工藝基于以下原理注入硅中的氦原子可以和硅中由于離子注入形成的雙空位(Divacancy)結(jié)合，形成復(fù)雜的He-V2團簇。進一步，結(jié)合氦的雙空位聚集成更復(fù)雜，尺寸更大的氦氣泡。在后續(xù)退火中，氦氣克服空位的表面勢壘，進入硅晶格，滲透到硅表面，并從表面逸出。在硅體內(nèi)部留下熱穩(wěn)定性極好的空洞層。聯(lián)合注入氫元素的時候，氫將輔助氦氣泡的形成，大大降低形成空洞所需的最小劑量。
上述詳細工藝步驟中最重要的是2)、3)、4)以及5)。一般掩蔽氧化層厚度需要根據(jù)將來空洞層位置(也就是硅膜厚度)的要求來決定。而注入能量也將影響空洞層位置。影響空洞是否能夠形成，是否能夠形成連續(xù)均勻的空洞，對硅膜沒有損傷的關(guān)鍵因素是注入能量、劑量以及后續(xù)退火溫度和時間的聯(lián)合作用。由于注入能量一般由設(shè)計的空洞層位置決定，注入劑量和退火條件顯得對空洞形成過程更加重要。


圖1比較了不同條件下形成的空洞層樣品的剖面(CROSS-SECTION)投射電鏡(TEM)照片(a)掩蔽氧化層300～400；注入He+，能量100KeV，劑量1e17cm-2；氮氣氣氛中1100℃下退火5分鐘；(b)掩蔽氧化層2000；先注入H2+，能量40keV，劑量1e15cm-2，然后注入He+，能量40keV，劑量1e16cm-2；氫氣加氮氣(H2∶N2＝1∶10)氣氛中430℃下退火30分鐘；(c)掩蔽氧化層2000；先注入H2+，能量40keV，劑量1e15cm-2，然后注入He+，能量40keV，劑量1e16cm-2；氫氣加氮氣(H2∶N2＝1∶10)氣氛中1100℃下退火30分鐘；從照片上來看，(a)條件下的大劑量注入氦可以形成氣泡尺寸較均勻的連續(xù)空洞層，但是空洞層厚度由多個氣泡組成。(c)條件下的氫氦聯(lián)合注入加高溫退火可以形成一層尺寸均勻，密度較大，邊緣光滑的較連續(xù)的空洞層，而且空洞層厚度基本上只由1～2個氣泡決定。(b)條件下形成的空洞尺寸均勻性極差，而且空洞周圍有明顯的襯度變化，說明該處的硅晶格密度發(fā)生了變化，可能存在應(yīng)力集中區(qū)或者高密度缺陷區(qū)。以上的比較說明，為了獲得比較薄，均勻性比較好，對硅膜損傷比較小的隱埋空洞層，氫氦聯(lián)合注入和高溫退火是最優(yōu)化的組合。
圖2是利用本發(fā)明方法制備的0.8微米溝長的N型SON場效應(yīng)晶體管的和相同溝長的N型體硅MOSFET的特性比較。圖2(a)是兩種器件在漏電壓為1.5伏特時的轉(zhuǎn)移特性，從圖中可以看出，相比較體硅器件，SON器件在零柵壓時的源漏電流更小。圖2(b)是轉(zhuǎn)移特性的線性表示，可以看出在強反型區(qū)，SON器件的電流更大。因此，SON器件相比體硅器件具有更高的開關(guān)比。圖2(c)是兩種器件在柵電壓分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0伏特時的輸出曲線，從中可以看出，SON器件特性表現(xiàn)出類似SOI器件的翹曲效應(yīng)(kink effect)，這是空洞層存在的一個有力證據(jù)。一般認(rèn)為SOI器件的翹曲效應(yīng)由漏端碰撞電離和懸浮體效應(yīng)造成，一般只在硅膜較厚，存在中性區(qū)時，翹曲效應(yīng)才發(fā)生。本發(fā)明方法制得的SON器件的翹曲效應(yīng)可能由諸多復(fù)雜的因素造成，比如空洞層界面態(tài)，所處的工藝環(huán)境條件等等。從上述比較可以看出，氫氦注入對單晶硅質(zhì)量并沒有造成破壞，SON型器件的特性和正常的體硅器件十分接近，完全滿足制備MOS器件的要求。
從上述關(guān)于SON器件制備工藝方案的描述中可以看出，所有的工藝都屬于傳統(tǒng)CMOS工藝，因此這種利用氫氦聯(lián)合注入制備埋層空洞場效應(yīng)晶體管的工藝方案具備極大的可行性。從試驗性結(jié)果來看，該方案制備的器件性能沒有任何退化，因此具有實用性。這種方案將材料制備(氫氦注入形成埋層空洞)和器件制備直接聯(lián)系起來，大大縮短了工藝流程，能夠為大規(guī)模電路生產(chǎn)節(jié)約大量的成本。
本發(fā)明提出的工藝方案將材料制備和電路制造有機地結(jié)合起來，因此相比較SOI技術(shù)有效地縮短了工藝流程，并且降低了成本。本發(fā)明工藝方案和傳統(tǒng)的體硅CMOS工藝完全兼容，因此具有極大的可行性。
(a)中照片的放大倍數(shù)為20,000和50,000倍；(b)中照片的放大倍數(shù)為30,000和80,000倍；(c)中照片的放大倍數(shù)為50,000和80,000倍。
圖2是N型SON場效應(yīng)晶體管和體硅場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性比較和輸出特性比較。二者柵線條寬度均為0.8微米。
(a)為轉(zhuǎn)移特性比較，縱軸為對數(shù)坐標(biāo)。源端電壓均為0伏，漏端電壓為1.5伏，圖中實線為SON器件，虛線為體硅器件；(b)為轉(zhuǎn)移特性比較，縱軸為線性坐標(biāo)。源端電壓均為0伏，漏端電壓為1.5伏，圖中實線為SON器件，虛線為體硅器件；(c)為輸出曲線比較。圖中實線為SON器件，虛線為體硅器件。每組曲線對應(yīng)六個不同的柵壓，分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0伏。
圖3為采用本發(fā)明方法制備的SON型場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-柵電極，2-源電極，3-漏電極4-多晶硅柵材料，5-柵氧化層，6-場區(qū)氧化層7-硅膜，8-埋層空洞，9-硅襯底樣品采用單拋p型<100>體硅片，直徑為10厘米(四英寸)，厚度為525微米，電阻率為22～38歐姆厘米。版圖采用三微米工藝規(guī)則設(shè)計，最小尺寸0.8微米，最大尺寸30微米，總共四步光刻。主要工藝步驟包括1.濃硫酸+雙氧水清洗硅片，干氧條件下氧化500掩蔽氧化層；2.通過氧化層以40keV注入1e15cm-2的H+，然后在相同能量下注入1e16cm-2的He+。
3.氮氣氣氛中，在1100℃下退火30分鐘，升溫時間為35分鐘，通過25分鐘降溫到1000℃，通入氧氣，氧化16分鐘，然后30分鐘降溫到室溫。該步工藝結(jié)束后在硅片上將形成硅襯底9+埋層空洞8+硅膜7的三明治結(jié)構(gòu)。
4.去除掩蔽氧化層后，重新生長500的緩沖氧化層，然后低壓化學(xué)氣相淀積1000的氮化硅。
5.光刻有源區(qū)，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)氮化硅。
6.場區(qū)注入B+，能量為40keV，劑量為8e13cm-2。
7.去膠后清洗，1000℃下LOCOS氧化40分鐘，形成厚度為3000?！?00場區(qū)氧化層6。
8.濃磷酸去氮化硅后進行調(diào)閾值注入B+，能量為40keV，劑量為2.8e12cm-2。
9.漂去緩沖氧化層，用新配濃硫酸清洗硅片，在950℃下進行柵氧化，氧化時間為15分鐘，柵氧化層5厚度為150±5。
10.低壓化學(xué)氣相淀積多晶硅柵材料4，厚度為3500?！?00，然后進行多晶硅注入31P+，能量為70keV，劑量為5e15cm-2。
11.光刻多晶硅柵線條，曝光后ICP刻蝕多晶硅。
12.去膠清洗后源漏注入As+，能量為100keV，劑量為5e15cm-2。
13.低壓化學(xué)氣相淀積二氧化硅6000?！?00，然后在氮氣氣氛中900℃下致密退火30分鐘。
14.光刻接觸孔。曝光后先用反應(yīng)離子刻蝕二氧化硅到5500，然后用稀釋氫氟酸按500過腐蝕二氧化硅，形成接觸孔。
15.去膠后先濺射800Ti，然后濺射AlSi合金1～1.2微米。
16.光刻Al電極圖形，曝光后反應(yīng)離子刻蝕Al，形成源電極2，漏電極3和柵電極1。
17.發(fā)煙硝酸去膠后，在氮氣和氫氣氣氛中430℃下退火30分鐘，進行合金化。
至此，利用氫氦注入單晶硅制備N型SON場效應(yīng)晶體管的工藝流程全部結(jié)束，所制得的場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由硅膜7、埋層空洞8和硅襯底9形成的三明治結(jié)構(gòu)，場效應(yīng)晶體管制備在硅膜6上。
權(quán)利要求
1.利用氫氦聯(lián)合注入制備場效應(yīng)晶體管的方法，其特征是先在硅片上熱氧化形成注入掩蔽氧化層，然后聯(lián)合注入氫氣和氦氣，再在高溫條件下退火形成空洞層；去掉掩蔽氧化層，然后在空洞層之上的硅膜上采用常規(guī)CMOS工藝制備出場效應(yīng)晶體管。
2.如權(quán)利要求1所述的利用氫氦聯(lián)合注入制備場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于所述聯(lián)合注入氫氣氦氣的步驟為先注入H2+，能量為30～100keV，劑量為1e15cm-2；后注入He+，能量為30～100keV，劑量為1e16～1e17cm-2。
3.如權(quán)利要求1或2所述的利用氫氦聯(lián)合注入制備場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于所述高溫條件下退火的步驟為800～1100℃下在氮氣氣氛中退火5～60分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用氫氦聯(lián)合注入制備場效應(yīng)晶體管的方法，先在硅片上熱氧化形成注入掩蔽氧化層，然后聯(lián)合注入氫氣和氦氣，再在高溫條件下退火形成空洞層；去掉掩蔽氧化層，然后在空洞層之上的硅膜上采用常規(guī)CMOS工藝制備出場效應(yīng)晶體管。本發(fā)明提出的方法將材料制備和電路制造有機地結(jié)合起來，相比較SOI技術(shù)有效地縮短了工藝流程，降低了成本；本發(fā)明的方法和傳統(tǒng)的CMOS工藝完全兼容，具有極大的可行性。
文檔編號H01L21/324GK1438682SQ0310082
公開日2003年8月27日 申請日期2003年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月23日
發(fā)明者黎明, 楊勝齊, 黃如, 何進, 張興, 王陽元 申請人:北京大學(xué)