專利名稱：離子注入方法及半導體器件的制造方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造技術領域，特別涉及一種離子注入方法及半 導體器件的制造方法。
背景技術：
金屬氧化物半導體器件由于其低功耗、快速響應特性而被廣泛的應 用于計算機、通訊、存儲等領域。典型的金屬氧化物半導體器件包括柵 極、源極和漏極。為提高金屬氧化物半導體器件電學方面的性能，有的金屬氧化物半導體晶體管還具有漏極延伸區域(Drain extend region)。 源極、漏極以及上述的漏極延伸區域一般通過離子注入工藝形成， 因而，離子注入的工藝條件決定形成的源極、漏極以及漏極延伸區域的 電學特性，進而決定形成的金屬氧化物半導體器件的電學性能。通過調 整離子注入的工藝條件可以調整形成的金屬氧化物半導體器件的性能。 例如，在專利號為US 6,767,778 B2的美國專利中，公開了一種金屬氧化 物半導體器件中的源極和漏極的形成方法，通過兩步離子注入工藝形成源極和漏極，第二步離子注入工藝的能量較第一步大，而劑量較小，以 此減'J 、源漏極與半導體襯底交界處的離子濃度梯度，從而減小源極和漏 極的結電容，提高形成的半導體器件的性能。現有的離子注入工藝 一般需要通過光刻工藝在半導體器件上形成光 刻圖形，以定義(或限定)出待注入區域，然后在離子注入設備中執行 離子注入工藝，在待注入區域中注入目標離子。圖1至圖3為現有的一種 離子注入工藝的各步驟相應的結構的剖面圖。請參考圖l，在半導體襯底10上形成光刻膠層12。請參考圖2，通過光刻工藝在所述光刻膠層12中形成開口14,所述開 口14底部為待注入區域，該區域可以用于形成源;敗、漏;f及或阱區等。請參考圖3，將所述半導體襯底10置于離子注入設備，執行離子注入 工藝，在所述開口底部的半導體襯底10中注入目標離子，形成摻雜區。 而所述半導體襯底10其它區域由于被光刻膠層所覆蓋，不會被注入離子。所述的離子注入工藝中，先通過光刻膠層12定義出待注入區域，然 后再執行離子注入，注入的離子以和半導體襯底10的表面固定的角度(例 如90度)于被植入。然而，在所述的離子注入工藝中，轟擊到所述開口 14區域以外的光刻膠層12中的部分離子會發生散射而改變角度，并沿著 所述開口14的側壁穿出所述光刻膠層12，進而被植入到所述半導體襯底 10中，這不但使半導體襯底10中的注入的離子劑量發生了變化，且由于 散射角度的不確定性，使得注入到半導體襯底10中的離子不再限制于開 口 14底部的區域，進而影響形成的金屬氧化物半導體器件的特性。例如，對金屬氧化物半導體器件，在執行源極和漏極注入時，會有 部分離子進入到光刻膠層20中，并與光刻膠層20中的分子作用產生散射， 4皮散射的離子會穿出所述光刻膠層20之后，進入到所述柵極22以下的半 導體襯底10中，使得源極和漏極的區域擴大，導電溝道區域變小，影響 形成的半導體器件的閾值電壓和飽和電流，如圖4的示意圖所示。 發明內容本發明提供一種離子注入方法及半導體器件的制造方法，以改善現 有的離子注入工藝中光刻膠層中離子散射對對離子注入工藝的影響。本發明提供的一種離子注入方法，包括才是供半導體襯底；在所述 半導體襯底上形成光刻膠層；圖形化所述光刻膠層，形成用于定義半導 體襯底中離子注入區域的開口，所述開口的側壁是傾斜的；對所述開口 底部的半導體襯底執行離子注入工藝；其中，所述側壁與所述待注入區 域表面的夾角為鈍角。可選的，圖形化所述光刻膠層，形成所述開口的步驟如下將具有所述光刻膠層的半導體襯底置于曝光設備中；選用偏離最佳 曝光焦距的焦距，通過具有開口圖案的掩模板對所述光刻膠層進行曝 光；對完成曝光的光刻膠層執行顯影工藝；執行完所述顯影工藝后，對 所述光刻膠層執行烘烤工藝。可選的，通過調整曝光焦距，使所述光刻膠層表面朝向曝光設備的 成像透鏡方向偏離聚焦平面執行曝光工藝，使形成的所述開口具有傾斜的側壁。可選的，通過調整烘烤工藝的溫度，使所述的烘烤工藝的溫度大于 形成垂直側壁時的烘烤的溫度執行烘烤工藝，使形成的所述開口具有傾 斜的側壁。可選的，通過調整曝光設備焦距使所述光刻膠層表面朝向曝光設備 的成像透鏡方向偏離聚焦平面，和調整烘烤工藝的溫度使所述的烘烤工 藝的溫度大于形成垂直側壁時的烘烤的溫度相結合的方法，使所述開口 具有傾斜的側壁。可選的，在所述形成光刻膠層之前，在所述半導體襯底上先形成抗 反射層。可選的，在所述形成光刻膠層之前，在所述半導體襯底上先形成緩 沖層。可選的，所述夾角大于9(TC小于120°C。可選的，所述離子注入工藝為源^l和漏;f及離子注入工藝、阱離子注 入工藝、輕摻雜漏極離子注入工藝、調整閾值電壓的離子注入工藝或改 善抗擊穿能力的離子注入工藝。本發明還提供一種半導體器件的制造方法，包括離子注入工藝，且 至少一離子注入工藝為上述任一技術方案所述的離子注入方法。 與現有技術相比，上述技術方案的其中 一個具有以下優點在執行離子注入工藝之前，通過光刻工藝形成具有傾斜側壁的、用 于定義注入區域的開口，在執行離子注入工藝時，可增加進入到所述光 刻膠層中的離子散射幾率，使朝向所述開口側壁散射的離子會發生兩次 或多次散射，這一方面可減小被散射離子能量，使其在光刻膠層中運動 的速度下降，以至于有些離子不能穿出該光刻膠層；另一方面可改變離 子散射角度，使其不會由所述開口側壁穿出；從而可減少或消除離子注 入工藝中由所述開口側壁穿出而注入到開口底部的半導體襯底中的離 子，使得半導體襯底中注入的離子的劑量和注入的區域可控性提高，進 而使得形成的半導體器件的電學性能提高，電學穩定性增加；此外，也使得該離子注入工藝可重復性提高，形成的半導體器件的 良率提升。
圖l至圖3為現有的一種離子注入工藝的各步驟相應的結構的剖面圖；圖4為現有的離子注入工藝中被散射的離子穿出光刻膠層之后進入 到柵極以下的半導體襯底中的示意圖；圖5為本發明的離子注入工藝的實施例的流程圖；圖6至圖9為應用本發明的離子注入工藝形成源極和漏極的實施例 的各步驟相應的結構的剖面示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在金屬氧化物半導體器件的制造方法中，需要多步離子注入工藝， 例如阱區(N阱或P阱)形成、源漏極形成、輕摻雜區域形成等均需要 通過離子注入工藝來實現。離子注入工藝在金屬氧化物半導體器件的制 造工藝中有著舉足輕重的地位。離子注入工藝的工藝條件對形成的金屬氧化物半導體器件的電學 性能有著較大的影響，如何通過控制、調整以及改變離子注入工藝條件， 使得離子注入工藝后注入的離子能夠達到目標劑量，且位于目標區域， 以使形成的離子注入區域的電學特性滿足形成的金屬氧化物半導體器 件的需要，是業界技術人員不得不面臨的問題。本發明提供一種離子注入方法，通過在半導體襯底上形成光刻膠 層，然后對所述光刻膠進行圖形化，形成具有傾斜側壁的、用于定義半 導體襯底中離子注入區域的開口，再執行相應的離子注入工藝；其中， 所述的側壁與所述待注入區域表面的夾角為鈍角。由于所述的開口具有傾斜的側壁，在執行離子注入工藝時，可增加 進入到所述光刻膠層中的離子散射幾率，使朝向所述開口側壁散射的離 子會發生兩次或多次散射，這一方面可減小被散射離子能量，使其在光刻膠層中運動的速度下降，以至于有些離子不能穿出該光刻膠層；另一 方面可改變離子散射角度，使其不會由所述開口側壁穿出。也就是說， 本發明的核心在于在執行離子注入工藝時，用于定義離子注入區域的開 口具有傾斜側壁，從而可減少或消除離子注入工藝中由所述開口側壁穿 出而注入到開口底部的半導體襯底中的離子，使得半導體襯底中注入的 離子的劑量和注入的區域可控性提高，進而使得形成的半導體器件的電 學性能提高，電學穩定性增加。下面結合流程圖和剖面圖對本發明的離子注入方法進行詳細描述。 圖5為本發明的離子注入方法的實施例的流程圖。 請參考圖5，步驟S100,提供半導體襯底。步驟S110,在所述半 導體襯底上形成光刻膠層。步驟S120，圖形化所述光刻膠層，形成具 有傾斜的側壁的、用于定義半導體襯底中離子注入區域的開口；其中， 所述側壁與所述待注入區域表面的夾角為鈍角。步驟S130,對所述開 口底部的半導體襯底執行離子注入工藝。下面以NMOS的源極和漏極的離子注入工藝為例說明本發明的離 子注入方法。應當說明的是，本發明的離子注入方法并不限于下面所述 的NMOS源才及和漏才及離子注入工藝，還可以應用于PMOS源極和漏極 的離子注入工藝，或金屬氧化物半導體器件的制造工藝中的其它的需要 光刻膠圖案定義注入區域的離子注入工藝中，例如，阱離子注入工藝、 輕摻雜漏極離子注入工藝、調整閾值電壓的離子注入工藝或改善抗擊穿 能力的離子注入工藝等；本領域技術人員能夠根據本發明的教導應用到 其它的離子注入的步驟中，并做出相應的變更，這些均應當包含在本發 明的保護范圍之中。請參考圖6， ^提供半導體襯底100,所述的半導體襯底100可以是 單晶硅、多晶硅或非晶硅；所述半導體襯底IOO也可以是硅、鍺、砷化 鎵或硅鍺化合物；該半導體襯底IOO還可以具有外延層或絕緣層上硅結 構。所述的半導體襯底IOO還可以是其它半導體材料，這里不再——列 舉。在所述半導體襯底100中具有P阱102，所述P阱102可以用本領域技術人員所習知的方法形成，例如，在半導體襯底ioo上先通過光刻工藝定義出形成P阱102的區域，然后進行離子注入，形成P阱102， 注入的離子為P型離子，例如硼；可選的，還可以向所述P阱102中進行改善抗擊穿能力的離子注入 工藝；其注入的離子與形成所述P阱102時注入的離子相同，但注入的 能量和劑量均小于形成所述P阱102的離子注入工藝的能量和劑量。可選的，還可以向所述P阱102中進行調整閾值電壓的離子注入工 藝。該調整閾值電壓的離子注入工藝用于調整形成的NMOS晶體管的 閾寸直電壓，其注入的離子與前兩次離子注入工藝注入的離子相同；或注 入的離子與前兩次離子注入工藝注入的離子類型相同(同為P型)，且 可以為同種離子，例如硼；該調整閾值電壓的離子注入工藝中注入的離 子也可以為質量更大的離子，例如銦。完成上述的離子注入工藝后，通過灰化和濕法清洗去除光刻工藝中 在所述半導體襯底100上形成的光刻膠層(圖未示)。此外，所述P阱102的形成工藝也可以采用本發明的離子注入工藝， 即在所述半導體襯底IOO上形成光刻膠層，并圖形化形成具有傾斜側壁 的、定義P阱區域102的開口；然后再執行P阱離子注入工藝。其中， 形成傾斜開口的方法通過調整光刻工藝中曝光的焦距以及顯影工藝后 的硬烤(hardbake)工藝來實現，具體的描述參見后續的源極和漏極的 離子注入工藝，其原理是相同的。在所述半導體襯底100中還具有淺溝槽隔離結構104,可以采用本 領域技術人員所習知的工藝所述的淺溝槽隔離結構104,這里不再贅述。在所述半導體襯底100上具有柵極介質層106a，所述4冊纟及介質層 106a可以是氧化硅或氮氧化硅，其形成方法可以采用本領域技術人員所 習知的氧化工藝，例如高溫爐管氧化、快速熱氧化或原位水蒸氣產生 (In-Situ Stream Generation, ISSG)氧化工藝；通過對所述氧化硅進行 氮化處理可以形成氮氧化硅，所述氮化處理工藝可以是爐管氮化、快速 熱氮化、等離子體氮化(例如DPN)中的一種。這里不再展開。在所述柵極介質層106a上具有多晶硅柵極108a,為降低形成的金 屬氧化物半導體器件的柵極的電阻率，可通過離子注入或擴散或原位離 子注入工藝對所述多晶硅柵極108a進行摻雜。此外，所述柵極介質層 106a上的柵極可以不限于多晶硅材料，也可以是其它材料，例如金屬材 料或金屬硅化物材料等。在所述柵極108a兩側的半導體襯底100中具有輕4參雜區域110，所 述輕摻雜區域110可以通過習知的輕4參雜漏極(Light Doped Drain, LDD)注入工藝形成。也可以通過本發明的離子注入工藝形成，也即在 執行輕摻雜注入之前，先通過光刻工藝形成具有傾斜側壁的、用于定義 輕摻雜區域110的開口，這里不再展開描述，其中，形成具有傾斜側壁 開口的方法請參考后續的源極和漏極的離子注入方法中的開口的制造 方法，其原理是相同的。在所述柵極側壁具有側壁層116,該側壁層116可以是氮化硅、氧 化硅、氧化硅-氮化硅(O-N)疊層或氧化硅-氮化硅-氧化硅(ONO)疊 層，可以采用本領域技術人員所習知的工藝形成所述側壁層116，這里 不再展開。接著，請參考圖7，在圖6所示的半導體襯底100上形成光刻膠層 200。所述光刻膠層200可以是化學放大光刻膠或其它的光刻膠，可以 采用本領域技術人員所習知的旋涂方法于旋涂設備中形成光刻膠層 200,且在旋涂之后，通過烘烤工藝去除光刻膠層200中溶劑，增大所 述的光刻膠層200在所述半導體襯底200表面的粘附性能。然后，請參考圖8,通過曝光和顯影工藝形成開口 204,其中所述 開口 204 (本實施例中結合所述柵極108a和側壁層116)用于定義形成 源極和漏極的區域。其中，所述開口 204具有傾斜的側壁205，且所述 側壁205與所述待離子注入區域表面101 (即待形成源極和漏極區域的 表面)的夾角206為鈍角。例如，所述夾角大于9(TC小于120°C。在其中的一個實施例中，所述的曝光和顯影工藝的具體步驟如下 將具有所述光刻膠層200的半導體襯底100置于曝光i殳備中；選用適當 的曝光焦距，通過具有開口圖案的掩模板對所述光刻膠層200進行曝光；距會影響形成開口的側壁輪廓， 將光刻膠層的表面置于最佳曝光位置(聚焦平面)進行曝光而形成的開 口具有垂直或接近垂直的側壁輪廓(與所述半導體襯底100的表面垂 直)。而光刻膠層的表面偏離所述最佳曝光位置時進行曝光而形成的開 口會具有傾斜的側壁輪廓，且向上偏離和向下偏離形成的側壁輪廓的角 度不同。因而，在其中的一個實施例中，可以利用該原理來形成具有傾 斜側壁205輪廓的開口 204，具體的，在曝光時，調整曝光焦距，使所 述光刻膠層200表面朝向曝光設備的成像透鏡(Lens)方向偏離聚焦平 面進行曝光，并通過顯影可形成滿足要求的具有傾斜側壁205的開口 204,且在該方向偏離聚焦平面越遠，所述的夾角206越大，因而，可 通過偏離聚焦平面的距離來控制所述夾角206的大小，形成不同傾斜側 壁205的開口 204。此外，顯影工藝之后，還具有烘烤(或稱為硬烤Hardbake)工藝， 而烘烤的溫度會影響所述開口 204的側壁輪廓205傾斜角(即所述夾角 206)。因而，在另外的實施例中，可以利用該原理，調整烘烤的溫度， 使所述開口 204具有傾斜側壁205,具體的，使所述的烘烤工藝的溫度 大于形成垂直側壁時的烘烤的溫度。使所述開口 204的側壁具有傾斜側 壁205。此外，在另外的實施中，可通過調整曝光設備焦距使所述光刻膠層 ,表面朝向曝光設備的成像透鏡方向偏離聚焦平面，和調整烘烤工藝的溫 度使所述的烘烤工藝的溫度大于形成垂直側壁時的烘烤的溫度相結合 的方法，使所述的開口 204具有傾斜的側壁205，這里不再贅述。形成所述開口 204之后，請參考圖9，對所述開口底部的半導體襯 底101執行離子注入工藝，在所述柵極108a兩側的半導體襯底100中 形成源極118a和漏極118b。由于所述的開口 204具有傾斜的側壁，在執行所述離子注入工藝時， 可增加進入到所述光刻膠層200中的離子的散射幾率，請參考圖9，朝向所述開口 204側壁205散射的離子會發生兩次或多次散射，這一方面 可減小被散射離子能量，使其在光刻膠層中運動的速度下降，以至于有 些離子不能穿出該光刻膠層200;另一方面可改變離子散射角度，使其 不會由所述開口 204側壁205穿出。/人而可減少或消除離子注入工藝中 由所述開口 204側壁205穿出而注入到開口 204底部的半導體襯底100 中的離子，使半導體襯底100中注入的離子的劑量和注入的區域可控性 提高，使得形成的源極118a和漏極118b的電學特性提高，進而使得形 成的半導體器件的電學性能提高，電學穩定性增加。此外，也使得該離 子注入工藝可重復性提高，形成的半導體器件的良率提升。完成所述離子注入工藝后，去除所述光刻膠層200，這里不再贅述。在另外的實施例中，還可以在形成光刻膠層200之前，在所述半導 體襯底IOO上形成抗反射層(未圖示)，在形成所述開口 204之后，所 述抗反射層位于所述開口 204的底部，也可以阻擋穿出所述開口 204的 側壁205的離子進入到半導體襯底100中，這里不再進行贅述。在另外的實施例中，在形成所述光刻膠層之前，可以先在所述半導 體襯底表面形成緩沖層(未圖示)，例如所述緩沖層可以是氧化硅層， 在形成所述開口 204之后，所述緩沖層位于所述開口 204底部，可以阻 擋穿出所述開口 204的側壁205的離子進入到半導體襯底100中，這里 不再進行贅述。在另外的實施例中，在形成所述光刻膠之前，先在所述半導體襯底 表面形成緩沖層，再在所述緩沖層表面形成抗反射層，然后形成所述光 刻膠層200。這里不再展開論述。本發明的離子注入工藝可應用于具有離子注入工藝的半導體器件 的制造方法中，這里不再展開論述。本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明， 任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以做出可能 的變動和修改，因此本發明的保護范圍應當以本發明權利要求所界定的 范圍為準。
權利要求
1、一種離子注入方法，其特征在于，包括提供半導體襯底；在所述半導體襯底上形成光刻膠層；圖形化所述光刻膠層，形成用于定義半導體襯底中離子注入區域的開口，所述開口的側壁是傾斜的；對所述開口底部的半導體襯底執行離子注入工藝；其中，所述側壁與所述待注入區域表面的夾角為鈍角。
2、 如權利要求1所述的離子注入方法，其特征在于，圖形化所述光刻膠層，形成所述開口的步驟如下將具有所述光刻膠層的半導體襯底置于曝光設備中；選用偏離最佳曝光焦距的焦距，通過具有開口圖案的掩模板對所述光刻膠層進行曝光；對完成曝光的光刻膠層執行顯影工藝；執行完所述顯影工藝后，對所述光刻膠層執行烘烤工藝。
3、 如權利要求2所述的離子注入方法，其特征在于，通過調整曝光焦距，使所述光刻膠層表面朝向曝光設備的成像透鏡方向偏離聚焦平面執行曝光工藝，使形成的所述開口具有傾斜的側壁。
4、 如權利要求2所述的離子注入方法，其特征在于，通過調整烘烤工藝的溫度，使所述的烘烤工藝的溫度大于形成垂直側壁時的烘烤的溫度執行烘烤工藝，使形成的所述開口具有傾斜的側壁。
5、 如權利要求2所述的離子注入方法，其特征在于，通過調整曝光設備焦距使所述光刻膠層表面朝向曝光設備的成像透鏡方向偏離聚焦平面，和調整烘烤工藝的溫度使所述的烘烤工藝的溫度大于形成垂直側壁時的烘烤的溫度相結合的方法，使所述開口具有傾斜的側壁。
6、 如權利要求1至5任一權利要求所述的離子注入方法，其特征在于在所述形成光刻膠層之前，在所述半導體襯底上先形成抗反射層。
7、 如權利要求1至5任一權利要求所述的離子注入方法，其特征在于在所述形成光刻膠層之前，在所述半導體襯底上先形成緩沖層。
8、 如權利要求1至5任一權利要求所述的離子注入方法，其特征在于所述夾角大于90。C小于120°C。
9、 如權利要求1所述的離子注入方法，其特征在于所述離子注入工藝為源極和漏極離子注入工藝、阱離子注入工藝、輕摻雜漏極離子注入工藝、調整闊值電壓的離子注入工藝或改善抗擊穿能力的離子注入工藝。
10、 一種半導體器件的制造方法，包括離子注入工藝，其特征在于，至少一離子注入工藝為權利要求1至9任一權利要求所述的離子注入方法。
全文摘要
一種離子注入方法，包括提供半導體襯底；在所述半導體襯底上形成光刻膠層；圖形化所述光刻膠層，形成具有傾斜的側壁的、用于定義半導體襯底中離子注入區域的開口；對所述開口底部的半導體襯底執行離子注入工藝；其中，所述側壁與所述待注入區域表面的夾角為鈍角。本發明還提供一種半導體器件的制造方法。本發明能夠減少或消除離子注入工藝離子光刻膠層散射引起的注入到半導體襯底中的離子。
文檔編號H01L21/266GK101593682SQ20081011280
公開日2009年12月2日 申請日期2008年5月26日 優先權日2008年5月26日
發明者宇 丁, 居建華 申請人:中芯國際集成電路制造(北京)有限公司