專利名稱:一種p溝道耗盡型mos晶體管及其制備方法
技術領域:
本發明涉及半導體技術領域,尤指一種P溝道耗盡型MOS (金屬-氧化物-半導體, Metal-Oxide-Semiconductor)晶體管及其制備方法。
背景技術:
P溝道增強型MOS晶體管的開啟電壓小于0,由于小于開啟電壓的電壓值才能使晶 體管導通,因此,當P溝道增強型MOS晶體管的柵極與源極電壓之差(簡稱“柵源電壓”)為 0時,MOS管不能開啟工作;P溝道耗盡型MOS晶體管的開啟電壓大于0,因此,當柵源電壓為 0時,MOS管可以開啟工作,即源極和漏極之間導通。傳統的P溝道耗盡型MOS晶體管的制備工藝,一般在P溝道MOS晶體管的N型多 晶硅柵的下方制作P型導電溝道,使得在柵源電壓為0時,源極和漏極能夠導通。具體工藝 步驟如下步驟1 在N型襯底基片上面生長的薄氧化層。N型襯底采用單晶硅,薄氧化層的生長在高溫爐管中完成。步驟2 在薄氧化層上面生長氮化硅層。氮化硅層的生長在在低溫爐管中完成。步驟3:進行第一次光刻。在N型襯底基片的待制備MOS電極的區域(準備制作MOS晶體管的柵極/源極/ 漏極的區域)的氮化硅層的上面覆蓋光刻膠。非MOS電極的區域則不需要覆蓋光刻膠。圖1為N型襯底基片第一次覆蓋光刻膠后的截面結構示意圖。其中,包括N型襯 底基片、生長的薄氧化層、生長的氮化硅層、以及第一次覆蓋的光刻膠。步驟4:刻蝕氮化硅層。將沒有光刻膠覆蓋區域的氮化硅刻蝕掉。圖2為完成氮化硅層刻蝕后截面結構示意圖。步驟5 去除第一次覆蓋的光刻膠。完成氮化硅刻蝕步驟之后,第一次光刻覆蓋在待制備MOS電極區域的光刻膠的作 用已經完成,就可以將光刻膠去除了。圖3為去除第一次覆蓋的光刻膠之后的截面結構示意圖。步驟6 生長場氧化層在高溫爐管中完成生長厚氧化層,這種厚氧化層被稱之為“場氧化層”。由于氮化 硅有阻擋氧化的物理機制,被氮化硅覆蓋的區域不會生長氧化層。圖4為生長場氧化層之后的截面結構示意圖。步驟7:剝離氮化硅層。完成步驟6的場氧化層生長后,氮化硅的作用已經完成,所以需要將氮化硅層去 除。步驟8:剝離薄氧化層。
完成步驟7剝離氮化硅層的步驟之后,薄氧化層緩減氮化硅層與襯底基片之間的 應力的作用已經完成,因此需要去除。圖5為剝離氮化硅層和薄氧化層之后的截面結構示意圖。步驟9 生成犧牲氧化層。生長犧牲氧化層的目的就是使有較多表面缺陷的N型襯底基片上表面與氧氣在 高溫下發生化學反應而被消耗掉。圖6為生長犧牲氧化層后的截面結構示意圖。步驟10 進行第二次光刻。在N型襯底基片的待制備MOS電極(包括柵極/源極/漏極等)的區域之外的其 他區域、即場氧化層的上面覆蓋光刻膠;待制備MOS電極的區域則不需要覆蓋光刻膠。步驟11 在待制備MOS電極的區域注入硼離子,形成P型表層。在待制備MOS電極的區域中,即沒有被光刻膠覆蓋的N型襯底基片的上表面區域 中,采用離子注入設備注入硼離子。其他被光刻膠覆蓋的上表面區域中則會由于光刻膠的 阻擋而不會被注入硼離子。被注入硼離子的N型襯底基片的上表面區域,由于硼離子的注入,反型成為具一 定厚度的P型表層。圖7為進行第二次光刻并形成P型表層后的截面結構示意圖。上述注入硼離子的劑量越大,耗盡程度(即開啟電壓)也會越大,通常注入硼離子 的劑量在3E12 lE131on/CM2,注入完成后形成的P型表層的厚度約在30 80納米之間。步驟12 去除第二次光刻覆蓋的光刻膠。完成硼離子注入步驟之后,第二次光刻覆蓋在場氧化層上面的光刻膠的作用已經 完成,就可以將光刻膠去除了。步驟13 剝離犧牲氧化層。去除第二次光刻覆蓋的光刻膠之后,就可以去除犧牲氧化層為后邊生成柵氧化層 做準備了。去除光氧化層后就可以裸露出沒有缺陷的N型襯底基片表面了。由于生成柵氧 化層時,對N型襯底基片表面質量的要求比較高,上述步驟9、13的目的就是去除N型襯底 基片表面具有缺陷的一層單晶硅。圖8即為去除第二次光刻覆蓋的光刻膠并剝離犧牲氧化層之后的截面結構示意 圖。步驟14:生長柵氧化層。生長柵氧化層也是在高溫爐管中進行的,柵氧化層也是薄氧化層,是MOS晶體管 結構的重要組成部分。生長的柵氧化層參見圖9所示。步驟15 淀積N型多晶硅層。在柵氧化層和場氧化層的上面采用化學氣相淀積的方式淀積一層N型多晶硅,化 學氣相淀積一般在低溫爐管中進行。參見圖9所示,淀積的N型多晶硅層的厚度一般在 150 400納米之間。步驟16 進行第三次光刻。在N型襯底基片的待制備MOS柵極的區域的N型多晶硅層的上面覆蓋光刻膠,非 MOS柵極電極的區域則不需要覆蓋光刻膠。
圖9為N型襯底基片第三次覆蓋光刻膠后的截面結構示意圖。其中,包括N型襯 底基片上生長的柵氧化層、淀積的N型多晶硅層、以及第三次覆蓋的光刻膠。步驟17 對淀積的N型多晶硅層進行刻蝕。將沒有光刻膠覆蓋區域的N型多晶硅層刻蝕掉。圖10為對N型多晶硅層刻蝕后截面結構示意圖。步驟18 去除第三次光刻覆蓋的光刻膠。完成N型多晶硅層刻蝕步驟之后,第三次光刻覆蓋在待制備MOS電極的區域上面 的光刻膠的作用已經完成,就可以將光刻膠去除了。步驟19 進行第四次光刻。在N型襯底基片的待制備MOS電極(包括柵極/源極/漏極等)區域之外的區域 即場氧化層的上面覆蓋光刻膠;待制備MOS電極的區域則不需要覆蓋光刻膠。圖11為N型襯底基片第四次覆蓋光刻膠后的截面結構示意圖。步驟20 在待制備MOS電極的區域再次注入硼離子,形成P型源(漏)區。在待制備MOS電極的區域中,即沒有被光刻膠覆蓋的N型襯底基片的上表面區域 中,采用離子注入設備再注入硼離子。其他被光刻膠覆蓋的上表面區域中則會由于光刻膠 的阻擋而不會被注入硼離子,同時,N型多晶硅層所覆蓋的區域由于N型多晶硅層的阻擋也 會被注入硼離子。在第一次注入硼離子形成P型表層的基礎上,被注入硼離子的N型襯底基片的上 面表層區域,由于硼離子的注入,形成P型源(漏)區。未注入硼離子的P型表層即為P型 導電溝道。圖12為形成P型源(漏)區后的截面結構示意圖。上述再次注入硼離子的劑量通常在2E15 5E151on/CM2(其中,2E15表示2乘以 10的15次冪,lon/CM2表示每平方厘米的離子個數),注入完成后形成的P型源(漏)區的 厚度約在30 80納米之間。步驟21 去除第四次光刻覆蓋的光刻膠。完成再次注入硼離子的步驟之后,第四次光刻覆蓋在場氧化層上面的光刻膠的作 用已經完成,就可以將光刻膠去除了。去除第四次覆蓋的光刻膠之后的截面結構參見圖13。步驟22 對形成源(漏)區之后的N型襯底基片進行退火處理,得到P溝道耗盡 型MOS晶體管。退火處理一般使用高溫爐管中進行,通過退火處理使注入的硼離子被激活,呈現 導電特性。最終形成截面結構如圖13所示的P溝道耗盡型MOS晶體管。退火溫度一般為 800 950度,時間在20 50分鐘。其中,兩個P型源(漏)區作為源極或漏極,一般一個作為源極,另一個作為漏極, N型多晶硅層作為柵極,實現導電功能。上述現有技術中的P溝道耗盡型MOS晶體管制備方法,包括步驟1-8制備場氧化 層、步驟9-13注入硼離子形成P型表層,步驟14制備柵氧化層、步驟15-18制備N型多晶 硅層,步驟19再次注入硼離子形成P型源(漏)區。其制作流程復雜,需要多次光刻和離 子注入(整個過程包括四次光刻和兩次離子注入),造成資源浪費,增加了生產成本。
本發明實施例提供一種P溝道耗盡型MOS晶體管及其制備方法,用以簡化現有技 術中P溝道耗盡型MOS晶體管復雜的制作工藝流程,降低生產成本改善其電學特性。一種P溝道耗盡型MOS晶體管的制備方法,包括在N型襯底基片待制備MOS電極區域之外的上表面制備場氧化層,并在未被所述 場氧化層覆蓋的區域制備柵氧化層;在所述柵氧化層上面待制備MOS柵極的區域,制備未摻雜的多晶硅層;在所述N型襯底基片上方未被場氧化層覆蓋的區域注入設定劑量的硼離子,使所 述未摻雜的多晶硅層形成P型多晶硅層,以及使未被所述未摻雜的多晶硅層和場氧化層覆 蓋的N型襯底基片上面表層區域形成P型源(漏)區;對形成源(漏)區和P型多晶硅層后的N型襯底基片進行退火處理,得到P溝道 耗盡型MOS晶體管。一種P溝道耗盡型MOS晶體管,包括N型襯底基片、N型襯底基片上表面兩側制備 的場氧化層、在N型襯底基片上表面場氧化層之間制備的柵氧化層、柵氧化層上面中間位 置處制備的P型多晶硅層、位于所述場氧化層和所述P型多晶硅層之間的N型襯底基片上 面表層的P型源(漏)區;作為柵極的所述P型多晶硅層為對預先淀積的未摻雜的多晶硅層注入硼離子后 形成的,所述P型源(漏)區通過對所述N型襯底基片上面表層注入硼離子形成。本發明實施例提供的P溝道耗盡型MOS晶體管及其制備方法,在N型襯底基片待 制備MOS電極區域之外的上表面制備場氧化層,并在未被所述場氧化層覆蓋的區域制備柵 氧化層;在所述柵氧化層上面待制備MOS柵極的區域,制備未摻雜的多晶硅層;從所述N型 襯底基片上方未被場氧化層覆蓋的區域注入設定劑量的硼離子,使所述未摻雜的多晶硅層 形成P型多晶硅層,以及使未被所述未摻雜的多晶硅層和場氧化層覆蓋的N型襯底基片上 面表層區域形成P型源(漏)區;對形成源(漏)區和P型多晶硅層后的N型襯底基片進 行退火處理,得到P溝道耗盡型MOS晶體管。上述方法采用P型多晶硅層作為柵極,不需要 在制備P型導電溝道,簡化了 P溝道耗盡型MOS晶體管制備工藝,降低了生產成本。且采用 P型多晶硅層作為柵極改善了晶體管的電學性能,提高了晶體管開啟電壓。
圖1為現有技術中N型襯底基片第一次覆蓋光刻膠后的截面結構示意圖;圖2為現有技術中完成氮化硅層刻蝕后截面結構示意圖;圖3為現有技術中去除第一次覆蓋的光刻膠之后的截面結構示意圖;圖4為現有技術中生長場氧化層之后的截面結構示意圖;圖5為現有技術中剝離氮化硅層和薄氧化層之后的截面結構示意圖;圖6為現有技術中生長犧牲氧化層后的截面結構示意圖;圖7為現有技術中進行第二次光刻并形成P型表層后的截面結構示意圖;圖8為現有技術中剝離犧牲氧化層之后的截面結構示意圖;圖9為現有技術中第三次覆蓋光刻膠后的截面結構示意圖10為現有技術中N型多晶硅層刻蝕后截面結構示意圖;圖11為本發明現有技術中第四次覆蓋光刻膠后的截面結構示意圖;圖12為本發明現有技術中形成P型源(漏)區后的截面結構示意圖;圖13為本發明現有技術中P溝道耗盡型MOS晶體管的截面結構示意圖;圖14為本發明實施例中P溝道耗盡型MOS晶體管制備方法的流程圖;圖15為本發明實施例中P溝道耗盡型MOS晶體管制備的具體流程圖;圖16為本發明實施例中剝離犧牲氧化層之后的截面結構示意圖;圖17為本發明實施例中完成第二次光刻后的截面結構示意圖;圖18為本發明實施例中對未摻雜的多晶硅層進行刻蝕后截面結構示意圖;圖19為本發明實施例中第三次覆蓋光刻膠后的截面結構示意圖;圖20為本發明實施例中形成P型源(漏)區和P型多晶硅層后的截面結構示意 圖;圖21為本發明實施例中P溝道耗盡型MOS晶體管的截面結構示意圖。
具體實施例方式本發明實施例提供的P溝道耗盡型MOS晶體管的制備方法,其流程如圖14所示, 主要包括下列工藝步驟步驟Sll 在N型襯底基片待制備MOS電極區域之外的上表面制備場氧化層。步驟S12 在未被場氧化層覆蓋的區域制備柵氧化層。步驟S13 在柵氧化層上面待制備MOS柵極的區域,制備未摻雜的多晶硅層。步驟S14:從N型襯底基片上方未被場氧化層覆蓋的區域注入設定劑量的硼離子, 使未摻雜的多晶硅層形成P型多晶硅層,以及使未被未摻雜的多晶硅層和場氧化層覆蓋的 N型襯底基片上面表層區域形成P型源(漏)區。步驟S15 對形成源(漏)區和P型多晶硅層后的N型襯底基片進行退火處理,得 到P溝道耗盡型MOS晶體管。下面對上述P溝道耗盡型MOS晶體管的制備方法進行具體說明,如圖15所示,包 括下列步驟步驟SlOl 在N型襯底基片上表面生長薄氧化層。N型襯底基片采用單晶硅,薄氧化層的生長在高溫爐管中完成。薄氧化層一般通過干氧氧化的方式生長,干氧氧化是通過將N型襯底基片置于高 溫爐管中,通入氧氣,通入的氧氣與N型襯底基片上面表層的單晶硅在高溫下反應,生長成 成薄氧化層,實現對單晶硅的氧化。干氧氧化的生長速度比較慢易于控制。生長的薄氧化層參見圖1所示,其厚度一般在15 30納米之間。步驟S102 在薄氧化層上面生長氮化硅層。氮化硅層的生長在在低溫爐管中通過化學氣相淀積(一種通過氣態化學反應生 成薄膜層的方法)的方式完成。生長的氮化硅層參見圖1所示,其厚度一般在150 200納米之間。步驟S103 對生長薄氧化層和氮化硅層后的N型襯底基片進行光刻(第一次光 刻)。
該步驟只需在N型襯底基片的待制備MOS電極的區域的氮化硅層的上面覆蓋光刻 膠,非MOS電極的區域則不需要覆蓋光刻膠。光刻膠是光刻工藝過程中的一種化學品,能阻 擋刻蝕和離子注入。第一次覆蓋的光刻膠參見圖1所示,光刻膠的厚度沒有嚴格的要求,實際應用中 一般會選用700-1500納米厚度的光刻膠。步驟S104 刻蝕氮化硅層。使用等離子體設備采用刻蝕工藝刻蝕氮化硅層,將沒有光刻膠覆蓋區域的氮化硅 層刻蝕掉。由于等離子設備刻蝕具有很好的選擇性,因此,可以實現將氮化硅層刻蝕掉,而 留下薄氧化層。氮化硅層刻蝕后截面結構參見圖2所示。步驟S105 去除第一次光刻覆蓋的光刻膠。由于光刻膠的作用是阻擋刻蝕,使得被光刻膠覆蓋區域的氮化硅得以保留而其它 區域的氮化硅被刻蝕掉;因此,完成氮化硅刻蝕步驟之后,光刻膠的作用已經完成,就可以 將光刻膠去除了。可以使用等離子體或化學液剝離光刻膠。去除第一次覆蓋的光刻膠之后的截面結構參見圖3所示。步驟S106 在N型襯底基片待制備MOS電極區域之外的表面上生長場氧化層。在高溫爐管中完成生長場氧化層。由于氮化硅有阻擋氧化的物理機制,被氮化硅 覆蓋的區域不會生長氧化層;從而實現只在待制備MOS電極區域之外的表面上生長場氧化 層。形成場氧化層的目的是使得相臨的MOS晶體管之間實現電學隔離。生長的場氧化層參見圖4所示,其厚度一般在400 800納米之間。由于場氧化層的厚度比較大,因此,可以采用生長速度比較快的濕氧氧化方式。濕 氧氧化的方式是通過將N型襯底基片置于高溫爐管中,通入氧氣和氫氣,氧氣和氫氣在高 溫下反應生成水蒸氣,水蒸氣與N型襯底基片上面表層的單晶硅在高溫下反應生成二氧化 硅,實現對單晶硅的氧化。較佳的,采用干氧氧化和濕氧氧化相結合的方式實現場氧化層的快速的生長,同 時,使其生長過程具有較好的可控性。具體包括先通入氧氣進行干氧氧化,生長氧化層;當氧化層生長到第一厚度時,通入氫氣, 在氧氣和氫氣的共同作用下進行濕氧氧化,以濕氧氧化的方式繼續生長氧化層;在氧化層 生長到第二厚度時,停止通入氫氣,進行干氧氧化,得到所需厚度的場氧化層。其中,第一厚度和第二厚度根據需要生長的場氧化層的厚度確定。例如第一厚度 一般可以在5 10納米的范圍內選擇;第二厚度一般可以在距離達到所需厚度5 10納 米的范圍內選擇,即場氧化層的厚度減去5 10納米。步驟S107 剝離氮化硅層。氮化硅的作用是阻擋N型襯底基片中的硅被氧化,保證被氮化硅覆蓋的區域不會 生長場氧化層;完成步驟S106的場氧化層生長后,氮化硅的作用已經完成,所以需要將氮 化硅層去除。一般使用熱磷酸溶液剝離氮化硅層,實現氧化硅層的去除。步驟S108 剝離薄氧化層。由于溫度系數等差異的存在,如果氮化硅與N型襯底基片直接接觸,在需要高溫環境的工藝步驟中氮化硅層產生的應力會損壞N型襯底基片,使N型襯底基片的表面產生 缺陷。薄氧化層的作用就是緩減氮化硅層與襯底基片之間的應力。完成步驟S107剝離氮 化硅層的步驟之后,薄氧化層的作用已經完成,因此需要去除。一般使用稀釋的氫氟酸剝離薄氧化層。剝離氮化硅層和薄氧化層之后的截面結構參見圖5所示。上述步驟S101-S109即為在N型襯底基片待制備MOS電極區域之外的上表面制備 場氧化層的具體過程。步驟S109 生長犧牲氧化層。在經歷了上述多個工藝步驟之后,N型襯底基片表面會存在很多表面缺陷,因此需 要通過氧化反應掉一層單晶硅,以改善N型襯底的表面質量。生長犧牲氧化層的目的就是 使有較多表面缺陷的N型襯底基片上表面的單晶硅與氧氣在高溫下發生化學反應而被消 耗掉。生長犧牲氧化層一般也是在高溫爐管中進行,在N型襯底基片待制備MOS電極區 域的表面上生長犧牲氧化層。生長的犧牲氧化層參見圖6所示,其厚度一般在30 50納 米之間,屬于薄氧化層;因此,一般也采用干氧氧化的方式生長。步驟SllO 剝離犧牲氧化層。生長犧牲氧化層的目的就是去除N型襯底基片表面具有缺陷的一層單晶硅,以滿 足生成柵氧化層時,對N型襯底基片表面質量要求比較高的需求。因此生成后就可以去除 犧牲氧化層為后邊生成柵氧化層做準備了。去除犧牲氧化層后就可以裸露出沒有缺陷的N 型襯底基片表面,開始后續柵氧化層的生長了。通常使用稀釋的氫氟酸剝離犧牲氧化層。圖16即為剝離犧牲氧化層之后的截面結構示意圖。上述步驟S109、SllO為通過生長犧牲氧化層改善N型襯底基片表面質量的過程。步驟S111 生長柵氧化層。在N型襯底基片待制備MOS電極區域的表面上生長犧牲氧化層。生長柵氧化層也 是在高溫爐管中進行的。柵氧化層也是薄氧化層,是MOS晶體管結構的重要組成部分。生 長的柵氧化層參見圖17所示,其柵氧化層的厚度為10 100納米。根據經驗值,一般生長 100納米厚的氧化層需要消耗42納米厚的單晶硅層。生長柵氧化層采用干氧氧化和氯氧氧化相結合的方式實現。具體包括先通入氧氣進行干氧氧化,通入的氧氣與N型襯底基片上面表層的單晶硅在高 溫下反應,生長氧化層,一般需要10分鐘左右;當氧化層生長到第三厚度時,通入氯化氫 (HCL)或二氯乙烯(DCE),氧氣與HCL、或氧氣與DCE與N型襯底基片上面表層的單晶硅在高 溫下反應,在氧氣與HCL、或氧氣與DCE的共同作用下進行氯氧氧化,以氯氧氧化的方式繼 續生長氧化層;當氧化層生長到第四厚度時,停止通入HCL或DCE,進行干氧氧化,僅有通入 的氧氣與N型襯底基片上面表層的單晶硅在高溫下反應,繼續生長氧化層,得到所需厚度 的柵氧化層。例如第三厚度和第四厚度一般可以根據需要生長的柵氧化層的厚度確定。該步驟為在未被場氧化層覆蓋的區域制備柵氧化層的過程。步驟S112 淀積未摻雜的多晶硅層。
在柵氧化層和場氧化層的上面采用化學氣相淀積的方式淀積一層沒有摻雜的多 晶硅,化學氣相淀積一般在低溫爐管中進行。參見圖17所示,淀積的未摻雜的多晶硅層的 厚度一般在150 400納米之間。步驟S113 進行第二次光刻。在N型襯底基片的待制備MOS柵極的區域的未摻雜的多晶硅層的上面覆蓋光刻 膠,非MOS電極的區域則不需要覆蓋光刻膠。圖17為N型襯底基片第二次覆蓋光刻膠后的截面結構示意圖。其中,包括N型襯 底基片上生長的柵氧化層、淀積的未摻雜的多晶硅層、以及第二次覆蓋的光刻膠。步驟S114 對淀積的未摻雜的多晶硅層進行刻蝕。將沒有光刻膠覆蓋區域的未摻雜的多晶硅層刻蝕掉。圖18為對未摻雜的多晶硅層進行刻蝕后截面結構示意圖。可以使用等離子體設備對未摻雜的多晶硅層進行刻蝕。步驟S115 去除第二次光刻覆蓋的光刻膠。完成未摻雜的多晶硅層刻蝕步驟之后,第二次光刻覆蓋在待制備MOS柵極的區域 上面的光刻膠的作用已經完成,就可以將光刻膠去除了。上述步驟S112-S115為在柵氧化層上面待制備MOS柵極的區域,制備未摻雜的多 晶硅層的過程。步驟S116 進行第三次光刻。在N型襯底基片的待制備MOS電極(包括柵極/源極/漏極等)區域之外的區域, 即場氧化層的上面覆蓋光刻膠;待制備MOS電極的區域則不需要覆蓋光刻膠。圖19為N型襯底基片第三次覆蓋光刻膠后的截面結構示意圖。步驟S117 在待制備MOS電極的區域注入硼離子,形成P型源(漏)區和P型多
晶娃層。在待制備MOS電極的區域中,即沒有被光刻膠覆蓋的N型襯底基片的上方區域中, 采用離子注入設備注入硼離子。其他被光刻膠覆蓋的上表面區域中則會由于光刻膠的阻擋 而不會被注入硼離子。被注入硼離子的N型襯底基片的上面表層區域(N型襯底基片不被場氧化層和未 摻雜的多晶硅層覆蓋的區域),由于硼離子的注入,形成P型源(漏)區;被注入硼離子的 未摻雜的多晶硅層,形成P型多晶硅層。圖20為形成P型源(漏)區和P型多晶硅層后的截面結構示意圖。上述注入硼離子的劑量通常在2E15 5E151on/CM2,注入完成后形成的P型源 (漏)區的厚度約在30 80納米之間。步驟S118 去除第三次光刻覆蓋的光刻膠。完成注入硼離子的步驟之后,第三次光刻覆蓋在場氧化層上面的光刻膠的作用已 經完成,就可以將光刻膠去除了。去除第三次覆蓋的光刻膠之后的截面結構參見圖21。上述步驟S116-S118為注入硼離子,形成P型源(漏)區和P型多晶硅層的過程。步驟Sl 19:對形成源(漏)區之后的N型襯底基片進行退火處理,得到P溝道耗 盡型MOS晶體管。
退火處理一般使用高溫爐管中進行,通過退火處理使注入的硼離子被激活,呈現 導電特性;最終形成截面結構如圖21所示的P溝道耗盡型MOS晶體管。退火溫度一般為 900 930°C,時間在20 50分鐘。退火處理后P型源(漏)區的厚度變為為200 300 納米。其中,兩個P型源(漏)區作為源極或漏極,一般一個作為源極,另一個作為漏極, P型多晶硅層作為柵極,實現導電功能。該步驟完成P溝道耗盡型MOS晶體管的制備,上述制備的P溝道耗盡型MOS晶體 管,如圖21所示,包括N型襯底基片、N型襯底基片上表面兩側制備的場氧化層、在N型襯 底基片上表面場氧化層之間制備的柵氧化層、柵氧化層上面中間位置處制備的P型多晶硅 層、位于所述場氧化層和所述P型多晶硅層之間的N型襯底基片上面表層的P型源(漏) 區。其柵極與現有的P溝道耗盡型MOS晶體管的柵極不同,為P型多晶硅層。其中, 作為柵極的P型多晶硅層為對預先淀積的未摻雜的多晶硅層注入硼離子后形成的,P型源 (漏)區通過對N型襯底基片上面表層注入硼離子形成。上述P溝道耗盡型MOS晶體管制備方法,采用P型多晶硅作為柵極,通過離子注入 的方式,和源(漏)極在同一個步驟中形成。不需要再制備P型導電溝道,從而減少了工藝 步驟,和現有制備方法相比減少了一次離子注入、一次光刻和一個制備P型導電溝道的過 程。不需要專門的光刻和離子注入工藝來制作多晶硅柵下方的P型導電溝道,即可形成P 溝道耗盡型MOS晶體管,從而簡化了 P溝道耗盡型MOS晶體管制備工藝,降低了生產成本, 是一種更簡單更經濟的制備方法。由于當P溝道MOS晶體管的開啟電壓大于0,表示其為耗盡型。而MOS晶體管的開 啟電壓與其“柵極與襯底基片的功函數之差”(簡稱功函數差)有關。功函數表示電子從半 導體中逸出所需要的能量,與半導體的摻雜類型和摻雜濃度有關,P型多晶硅與N型多晶硅 由于摻雜類型不同,所以功函數不同(P型多晶硅的功函數更大)。由于本申請中P溝道耗盡型MOS晶體管與現有的P溝道耗盡型MOS晶體管的柵極 不同,則其功函數差也不相同,所以采用P型多晶硅柵作為柵極的P溝道耗盡型MOS晶體管 的開啟電壓與采用N型多晶硅柵作為柵極的P溝道耗盡型MOS晶體管的開啟電壓也不相 同。一般采用P型多晶硅柵作為柵極時,開啟電壓更大一些。因此,上述P溝道耗盡型MOS晶體管及其制備方法,與現有技術相比,在簡化制備 工藝的同時,采用P型多晶硅層作為柵極改善了晶體管的電學性能,提高了晶體管開啟電 壓。通過調整P型多晶硅柵的雜質濃度,不需要在多晶硅柵的下方制作P型導電溝道,即可 形成開啟電壓為0. 3 0. 8伏的耗盡型P溝道MOS晶體管。以上所述,僅為本發明較佳的具體實施方式
,但本發明的保護范圍并不局限于此, 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內,可輕易想到的變化、替換或 應用到其他類似的裝置,都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此,本發明的保護范圍應該 以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1.一種P溝道耗盡型MOS晶體管制備方法,其特征在于,包括在N型襯底基片待制備MOS電極區域之外的上表面制備場氧化層,并在未被所述場氧 化層覆蓋的區域制備柵氧化層;在所述柵氧化層上面待制備MOS柵極的區域,制備未摻雜的多晶硅層;在所述N型襯底基片上方未被場氧化層覆蓋的區域注入設定劑量的硼離子,使所述未 摻雜的多晶硅層形成P型多晶硅層,以及使未被所述未摻雜的多晶硅層和場氧化層覆蓋的 N型襯底基片上面表層區域形成P型源(漏)區;對形成源(漏)區和P型多晶硅層后的N型襯底基片進行退火處理,得到P溝道耗盡 型MOS晶體管。
2.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述在N型襯底基片待制備MOS電極區域之 外的上表面制備場氧化層,具體包括在N型襯底基片的上表面生長薄氧化層,在所述薄氧化層的上面生長氮化硅層;在所述N型襯底基片待制備MOS電極區域的所述氮化硅層的上面覆蓋光刻膠,將未覆 蓋光刻膠的區域中的氮化硅層刻蝕掉,去除覆蓋在所述氮化硅層上方的光刻膠;在所述N型襯底基片上方、未被所述氮化硅層覆蓋的區域生長場氧化層,剝離所述氮 化硅層和所述薄氧化層。
3.如權利要求2所述的方法,其特征在于,所述薄氧化層采用干氧氧化的方式生長,具 體包括將N型襯底基片置于高溫爐管中,通入氧氣,通入的氧氣與N型襯底基片上面表層的單 晶硅在高溫下反應,生長成所述薄氧化層。
4.如權利要求2所述的方法,其特征在于,所述生長氮化硅層,具體包括將生長薄氧化層之后的N型襯底基片置于低溫爐管中,通過化學氣相淀積的方式生長 成所述氮化硅層。
5.如權利要求2所述的方法,其特征在于,所述生長場氧化層采用干氧氧化和濕氧氧 化相結合的方式生長,具體包括將N型襯底基片置于高溫爐管中,通入氧氣,通入的氧氣與N型襯底基片上面表層的單 晶硅在高溫下反應,生長氧化層;當氧化層生長至第一厚度時,通入氫氣,氧氣和氫氣在高 溫下反應生成水蒸氣,水蒸氣與N型襯底基片上面表層的單晶硅在高溫下反應,實現以濕 氧氧化的方式繼續生長氧化層;當氧化層生長至第二厚度時停止通入氫氣,通入的氧氣與 N型襯底基片上面表層的單晶硅在高溫下反應,繼續生長氧化層,得到所需厚度的場氧化 層;其中,所述第一厚度和第二厚度根據需要生長的場氧化層的厚度確定。
6.如權利要求2所述的方法,其特征在于,所述薄氧化層的厚度為15 30納米,所述 氮化硅層的厚度為150 200納米,所述場氧化層的厚度為400 800納米。
7.如權利要求2所述的方法,其特征在于,使用熱磷酸溶液剝離所述氮化硅層,使用稀 釋的氫氟酸剝離薄氧化層。
8.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述生長柵氧化層采用干氧氧化和氯氧氧 化相結合的方式生長,具體包括將N型襯底基片置于高溫爐管中,通入氧氣,通入的氧氣與N型襯底基片上面表層的單晶硅在高溫下反應,生長氧化層;當氧化層生長至第三厚度時,通入氯化氫(HCL)或二氯乙 烯(DCE),在氧氣與HCL、或氧氣與DCE的共同作用下,實現以氯氧氧化的方式繼續生長氧化 層;當氧化層生長至第四厚度時停止通入HCL或DCE,通入的氧氣與N型襯底基片上面表層 的單晶硅在高溫下反應,繼續生長氧化層,得到所需厚度的柵氧化層;其中,所述第三厚度和第四厚度根據需要生長的所述柵氧化層的厚度確定。
9.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述柵氧化層的厚度為10 100納米。
10.如權利要求1所述的方法,其特征在于,在所述柵氧化層上面待制備MOS柵極的區 域,制備未摻雜的多晶硅層,具體包括在所述柵氧化層和場氧化層的上面淀積未摻雜的多晶硅層;在所述N型襯底基片待制備MOS柵極區域的所述未摻雜的多晶硅層的上面覆蓋光刻 膠,將未覆蓋光刻膠的區域中的未摻雜的多晶硅層刻蝕掉,去除覆蓋在所述未摻雜的多晶 硅層上面的光刻膠。
11.如權利要求10所述的方法,其特征在于,所述淀積未摻雜的多晶硅層,具體包括將生長柵氧化層之后的N型襯底基片置于低溫爐管中,通過化學氣相淀積的方式淀積一層沒有摻雜的多晶硅,得到未摻雜的多晶硅層。
12.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述未摻雜的多晶硅層的厚度為150 400納米。
13.如權利要求1所述的方法,其特征在于,在所述N型襯底基片上方未被場氧化層覆 蓋的區域注入設定劑量的硼離子,具體包括在所述N型襯底基片上所述場氧化層的上面覆蓋光刻膠,在所述N型襯底基片上方未 覆蓋光刻膠的區域中注入設定劑量的硼離子,注入硼離子后去除覆蓋在所述場氧化層上面 的光刻膠。
14.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述注入硼離子的劑量為2E15 5E151on/CM2,注入完成后形成的P型源(漏)區的厚度為30 80納米,退火處理后所述P 型源(漏)區的厚度為200 300納米。
15.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述退火處理的溫度為900 930°C,時間 為20 50分鐘。
16.如權利要求1-15任一所述的方法,其特征在于,所述制備場氧化層之后,生長柵氧 化層之前,還包括在所述N型襯底基片上表面待制備MOS電極的區域上生長犧牲氧化層并 剝離。
17.如權利要求16所述的方法,其特征在于,所述犧牲氧化層采用干氧氧化的方式生 長,具體包括將所述N型襯底基片置于高溫爐管中,通入氧氣,通入的氧氣與N型襯底基片上面表層 的單晶硅在高溫下反應,生長成所述犧牲氧化層;所述犧牲氧化層的厚度為30 50納米。
18.—種P溝道耗盡型MOS晶體管,其特征在于,包括N型襯底基片、N型襯底基片上 表面兩側制備的場氧化層、在N型襯底基片上表面場氧化層之間制備的柵氧化層、柵氧化 層上面中間位置處制備的P型多晶硅層、位于所述場氧化層和所述P型多晶硅層之間的N 型襯底基片上面表層的P型源(漏)區;作為柵極的所述P型多晶硅層為對預先淀積的未摻雜的多晶硅層注入硼離子后形成 的,所述P型源(漏)區通過對所述N型襯底基片上面表層注入硼離子形成。
19.如權利要求18所述的裝置,其特征在于,所述場氧化層的厚度為400 800納米, 所述柵氧化層的厚度為10 100納米,所述多晶硅層的厚度為150 400納米,所述P型 源(漏)區的厚度為200 300納米。
全文摘要
本發明公開了一種P溝道耗盡型MOS晶體管及其制備方法,該方法包括在N型襯底基片待制備MOS電極區域之外的上表面制備場氧化層,并在未被所述場氧化層覆蓋的區域制備柵氧化層;在所述柵氧化層上面待制備MOS柵極的區域,制備未摻雜的多晶硅層;從所述N型襯底基片上方未被場氧化層覆蓋的區域注入設定劑量的硼離子,使所述未摻雜的多晶硅層形成P型多晶硅層,以及使未被所述未摻雜的多晶硅層和場氧化層覆蓋的N型襯底基片上面表層區域形成P型源(漏)區;對形成源(漏)區和P型多晶硅層后的N型襯底基片進行退火處理,得到P溝道耗盡型MOS晶體管。上述方法簡化了制備工藝,提高了晶體管開啟電壓。
文檔編號H01L29/10GK102136425SQ20101010057
公開日2011年7月27日 申請日期2010年1月22日 優先權日2010年1月22日
發明者張立榮, 潘光燃, 馬萬里 申請人:北大方正集團有限公司, 深圳方正微電子有限公司