專利名稱：Mos晶體管及其制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體領域，特別涉及MOS晶體管及其制作方法。
背景技術：
金屬-氧化物-半導體(MOS)晶體管是半導體制造中的最基本器件，其廣泛適用于各種集成電路中，根據主要載流子以及制造時的摻雜類型不同，分為NMOS和PMOS晶體管。現有技術提供了一種MOS晶體管的制作方法。請參考圖1至圖3，為現有技術的 MOS晶體管的制作方法剖面結構示意圖。請參考圖1，提供半導體襯底100，在所述半導體襯底100內形成隔離結構101，所述隔離結構101之間的半導體襯底100為有源區，在所述有源區內形成摻雜阱(未示出)， 在摻雜阱內進行調整閾值電壓注入。然后，在所述隔離結構101之間的半導體襯底100上依次形成柵介質層102和柵極103，所述柵介質層102和柵極103構成柵極結構。繼續參考圖1，進行氧化工藝，形成覆蓋所述柵極結構的氧化層104。參考圖2，在柵極結構兩側的半導體襯底內依次形成源/漏延伸區105、包圍所述源/漏延伸區105的袋狀注入區108，所述源/漏延伸區105和袋狀注入區108通過離子注入形成。所述袋狀注入區108通過袋狀(pocket)離子注入形成。袋狀離子注入的離子的摻雜離子可以為磷離子(對于NMOS晶體管)或硼離子(對于PMOS晶體管)。參考圖3，在柵極結構兩側的半導體襯底上形成柵極結構的側墻111。進行源/漏極重摻雜注入(S/D)，在柵極結構兩側的半導體襯底100內形成源/漏極112，最后，進行退火工藝，激活源/漏延伸區105、袋狀注入區108、源/漏極112的摻雜離子。在公開號為CN 101789447A的中國專利申請中可以發現更多關于現有技術的信肩、ο在實際中發現，現有方法制作的MOS晶體管存在瞬態增強擴散效應(Transistent Enhanced Diffusion, TED)的缺陷，所述瞬態增強擴散效應不僅造成了晶體管的短溝道效應(Short Channel effect, SCE)和反短溝道效應(Reverse Short Channel Effect, RSCE)，而且影響晶體管溝道遷移率、結電容以及結漏電流。因此，需要一種MOS晶體管的制作方法，能夠抑制瞬態增強效應，抑制器件的短溝道效應和反短溝道效應。
發明內容
本發明解決的問題是提供了一種MOS晶體管的制作方法，減小了瞬態增強效應， 改善了器件的短溝道效應和反短溝道效應。為解決上述問題，本發明提供一種MOS晶體管的制作方法，包括提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有柵極結構；
對所述柵極結構兩側的半導體襯底進行碳離子注入，形成缺陷吸附區；進行氧化工藝，形成覆蓋所述柵極結構的氧化層；在柵極結構兩側的半導體襯底中依次形成源/漏延伸區、包圍所述源/漏延伸區的袋狀注入區，所述袋狀注入區沿溝道長度方向的尺寸小于等于所述缺陷吸附區的尺寸。可選地，所述碳離子注入的傾斜角度為15 45度。可選地，所述碳離子注入的能量范圍為2KeV 20KeV。可選地，所述碳離子注入的劑量范圍為1E14 3E16/cnT2。可選地，所述碳離子注入為旋轉角度注入，所述旋轉角度注入的起始角度為0 45度。可選地，所述氧化工藝的溫度為700 1200攝氏度，時間為10 100分鐘。可選地，所述氧化工藝形成的氧化層的厚度1. 5 4納米。本發明還提供一種MOS晶體管，包括半導體襯底，所述半導體襯底上具有柵極結構；源/漏延伸區，位于所述柵極結構兩側的半導體襯底中；袋狀注入區，位于所述柵極結構兩側的半導體襯底中，所述袋狀注入區包圍所述源/漏延伸區；氧化層，覆蓋所述柵極結構；缺陷吸附區，位于所述柵極結構兩側的半導體襯底中，所述缺陷吸附區沿溝道長度方向的尺寸大于等于所述袋狀注入區的尺寸，所述缺陷吸附區通過離子注入形成，所述缺陷吸附區的摻雜離子為碳離子。可選地，所述氧化層的厚度1. 5 4納米。與現有技術相比，本發明具有以下優點通過在柵極結構兩側的半導體襯底中注入碳離子，形成缺陷吸附區，所述缺陷吸附區中的碳離子能夠有效吸附氧化工藝在半導體襯底內造成的缺陷，在袋狀注入區和源/ 漏延伸區形成之前將氧化工藝形成的缺陷消除，從而有效預防后續袋狀注入區和源/漏延伸區的摻雜離子隨著缺陷擴散，消除了氧化增強擴散效應，抑制了瞬態增強擴散效應。進一步優化地，所述氧化工藝的溫度為700 1200攝氏度，時間為10 100分鐘， 利用氧化工藝對所述缺陷吸附區的摻雜離子進行退火，修復了碳離子注入對半導體襯底造成的損傷，并且退火使得碳離子在形成源/漏延伸區和袋狀注入區之前，在半導體襯底中均勻分布，有利于碳離子充分吸收半導體襯底內的缺陷，并且避免碳離子與源/漏延伸區和袋狀注入區的摻雜離子在同一退火步驟，對源/漏延伸區和袋狀注入區的摻雜離子的分布有影響，因而本發明無需考慮源/漏延伸區和袋狀注入區的摻雜離子與碳離子分布的關系，簡化了工藝，有利于提高器件的穩定性。
圖1至圖3是現有技術的MOS晶體管的制作方法剖面結構示意圖。圖4是本發明的MOS晶體管制作方法流程示意圖。圖5 圖8是本發明一個實施例的MOS晶體管制作方法剖面結構示意圖。圖9是本發明的MOS晶體管的溝道長度與閾值電壓關系曲線圖。
4
圖10是本發明MOS晶體管的漏極飽和電流與閾值電壓關系曲線圖。
具體實施例方式發明人發現，現有技術形成MOS晶體管的方法中，在形成源/漏延伸區和袋狀注入區之前，進行氧化工藝，以在柵極結構外圍形成氧化層對柵極進行保護，但是所述氧化工藝會在半導體襯底內形成缺陷，所述缺陷稱為氧化增強擴散(Oxidation-Enhanced Diffusion,0ED)效應。由于氧化增強擴散效應引起的缺陷在后續的退火工藝中會擴散，使得源/漏延伸區和袋狀注入區的摻雜離子隨之擴散，引起了瞬態增強效應，增強了器件的短溝道效應和反短溝道效應。經過研究發明人發現，如果在柵極結構外圍形成氧化層后，在袋狀注入區進行離子注入，將非雜質離子(例如碳離子)注入半導體襯底，可以吸附由于氧化工藝在半導體襯底內造成的缺陷。但是非雜質離子注入本身會在半導體襯底內進一步引入缺陷，該缺陷也會影響源/漏延伸區和袋狀注入區的雜質離子的分布。如果雜質離子與袋狀注入區和源/ 漏延伸區的摻雜離子在同一退火步驟中激活，還會使得非雜質離子的分布影響袋狀注入區和源/漏延伸區的摻雜離子分布，使得器件的摻雜離子分布過于復雜，不利于工藝和器件特性穩定性的控制。為了解決上述問題，發明人提出一種MOS晶體管的制作方法，請參考圖4，為本發明的MOS晶體管制作方法流程示意圖。所述方法包括步驟Si，提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有柵極結構；步驟S2，對所述柵極結構兩側的半導體襯底進行碳離子注入，形成缺陷吸附區；步驟S3，進行氧化工藝，形成覆蓋所述柵極結構的氧化層；步驟S4，在柵極結構兩側的半導體襯底中依次形成源/漏延伸區、包圍所述源/漏延伸區的袋狀注入區，所述袋狀注入區沿溝道長度方向的尺寸小于等于所述缺陷吸附區的尺寸。下面將結合具體的實施例對本發明的技術方案進行詳細的描述。請參考圖5 圖 8，為本發明一個實施例的MOS晶體管制作方法剖面結構示意圖。首先，請參考圖5，提供半導體襯底200，所述半導體襯底200內形成有隔離結構 201，所述隔離結構201之外的半導體襯底為有源區。位于隔離結構201之間的半導體襯底 200上依次形成有柵介質層202和柵極203，所述柵介質層202與柵極203構成柵極結構。其中，所述半導體襯底200可以為硅(Si)或絕緣體上硅(SOI)。所述隔離結構201 可以為淺溝槽隔離(STI)結構或者局部氧化硅(LOCOS)隔離結構。所述隔離結構201之外的半導體襯底200為有源區。所述有源區內還形成有摻雜阱(未示出)。所述摻雜阱通過擴散或離子注入的方法形成。所述摻雜阱的摻雜離子的類型與該有源區待形成的MOS晶體管的種類有關，若待形成的MOS晶體管的導電溝道為N型， 則所述摻雜阱內的摻雜離子為P型，例如可以為硼離子。若待形成的MOS晶體管的導電類型為P型，則所述摻雜阱內的摻雜離子為N型，例如為磷離子。所述柵介質層202可以為氧化硅(SiO2)或氮氧化硅(SiNO)。在65nm以下工藝節點，柵極的特征尺寸很小，柵介電層202優選高介電常數(高K)材料。所述高K材料包括氧化鉿、氧化鉿硅、氮氧化鉿硅、氧化鑭、氧化鋯、氧化鋯硅、氧化鈦、氧化鉭、氧化鋇鍶鈦、氧化鋇鈦、氧化鍶鈦、氧化鋁等。特別優選的是氧化鉿、氧化鋯和氧化鋁。柵介質層202的形成工藝可以采用本領域技術人員熟知的任何現有技術，比較優選的為化學氣相沉積法，柵介質層202的厚度為15到60埃。所述柵極203可以是包含半導體材料的多層結構，例如硅、鍺、金屬或其組合。所述柵極203的形成工藝可以采用本領域技術人員熟知的任何現有技術，比較優選的為化學氣相沉積法，例如低壓等離子體化學氣相沉積或者等離子體增強化學氣相沉積工藝。柵極 203的厚度為800到3000埃。然后，參考圖6，對所述柵極結構兩側的半導體襯底200進行碳離子注入，形成缺陷吸附區213。在后續進行氧化工藝在柵極上形成氧化層時，缺陷吸附區213碳離子可以將半導體襯底內形成的缺陷吸附，與缺陷形成團簇，從而將缺陷定扎在碳離子周圍，這樣減小了自由缺陷的數目，避免缺陷在后續的退火激活源/漏延伸區和袋狀注入區的摻雜離子擴散， 消除氧化增強擴散效應，減小了瞬態增強擴散效應。并且，由于缺陷與碳離子形成團簇，使得形成團簇的局部的半導體襯底形成不規則的晶格排列，從而使得整體上半導體襯底的原子排布更加規則，晶格更加有序，源/漏延伸區和袋狀注入區的摻雜離子受到的散射減小， 從而所述摻雜離子的擴散率降低，進一步減小了瞬態增強擴散效應。發明人還發現，由于碳離子注入會造成柵極結構兩側的半導體襯底損傷，可以利用退火工藝對所述半導體襯底進行修復，并激活所述碳離子。所述退火工藝為爐管退火 (furnace anneal)或快速熱退火(Rapid Thermal Anneal, RTA)。作為本發明的優選實施例，還可以利用后續在柵極結構形成氧化層的氧化工藝對碳離子進行退火，這樣不僅節約了工藝步驟，而且可以修復半導體襯底的損傷，使得碳離子的排布均勻，并且更加有利于碳離子充分吸收氧化工藝產生的缺陷，避免碳離子的分布影響源/漏延伸區和袋狀注入區的摻雜離子的分布。為了保證有效消除氧化擴散效應引起瞬態增強擴散效應，所述缺陷吸附區213沿溝道長度方向的尺寸應大于等于后續形成的源/漏延伸區和袋狀注入區的尺寸，這樣可以有效消除源/漏延伸區和袋狀注入區的缺陷，避免源/漏延伸區和袋狀注入區的離子隨著缺陷擴散。缺陷吸附區213內產生的缺陷和擴散至缺陷吸附區213內的缺陷被碳離子吸附， 并且缺陷吸附區213的碳離子可以抑制源/漏延伸區和袋狀注入區的摻雜離子擴散。通常，在碳離子注入前，需要利用掩膜版(mask)，進行光刻工藝，在半導體襯底 200上形成圖案化的光刻膠，所述光刻膠露出部分半導體襯底；然后以所述光刻膠為掩膜， 對露出的半導體襯底進行離子注入，形成缺陷吸附區213。作為優選的實施例，所述碳離子注入利用現有的袋狀注入區的掩膜版，進行光刻工藝，在半導體襯底200上形成光刻膠，所述光刻膠露出的半導體襯底區域與袋狀注入區的位置相同。為了保證后續形成的缺陷吸附區213沿溝道方向的尺寸不小于袋狀注入區的寬度，本發明在碳離子注入時，優選地選用大傾斜角度注入。本發明所述的離子注入的傾斜角度，具體是指，離子束線(ion beam)的方向與晶片法線方向的夾角。本發明所述的大傾斜角度，具體是指，碳離子注入的傾斜角度大于袋狀注入區的離子注入的傾斜角度。以袋狀注入區的離子注入的傾斜角度為15 35度為例，所述碳離子注入的傾斜角度為15 45度，優選為15 35度。作為其他的實施例，所述碳離子注入可以利用單獨的掩膜版進行光刻，在半導體襯底上形成光刻膠，所述光刻膠露出的半導體襯底區域的尺寸大于袋狀注入區的尺寸，所述碳離子注入的傾斜角度可以為0 45度。本領域技術人員可以進行具體的選擇。作為本發明的一個實施例，所述碳離子注入為旋轉角度注入。所述旋轉注入的起始角度為0 45度。本發明所述的旋轉角度注入具體是指，晶片在平行于其圓形表面的平面內旋轉。作為一個實施例，所述旋轉角度注入以晶片的起始角度開始，進行兩次或四次旋轉，每一次的旋轉角度為180度或360度。作為其他的實施，所述旋轉還可以為6次、8次等偶數次的旋轉。作為一個實施例，所述碳離子注入的能量范圍為IeV 20KeV。所述碳離子注入的深度范圍為5 70納米。所述碳離子注入的劑量范圍為1E14 5E15/cnT2。然后，參考圖7，進行氧化工藝，形成覆蓋所述柵極結構的氧化層204。所述氧化工藝的溫度為700 1200攝氏度，時間為10 100分鐘。本實施例中所述氧化工藝時間范圍為15分鐘 40分鐘。利用上述工藝條件，形成的氧化層的厚度為 1. 5 4納米。所述氧化工藝會在整個半導襯底200表面形成氧化層，然后，需要進行刻蝕工藝， 去除位于柵極結構兩側的半導體襯底200上的氧化層，保留覆蓋所述柵極結構的氧化層
204。所述氧化工藝將缺陷注入區213的碳離子退火，修復碳離子注入對半導體襯底造成的缺陷，并且使得碳離子形成一定的排布，避免碳離子與后續步驟形成的源/漏延伸區和袋狀注入區內的摻雜離子一同退火，影響源/漏延伸區和袋狀注入區內的摻雜離子的分布。然后，請參考圖8，在柵極結構兩側的半導體襯底200中依次形成源/漏延伸區
205、包圍所述源/漏延伸區的袋狀注入區208，所述袋狀注入區208沿溝道長度方向的尺寸小于所述缺陷吸附區213的尺寸，且所述袋狀注入區208的沿溝道長度方向被缺陷吸附區 213包圍。所述源/漏延伸區205的導電類型為N型或P型。所述源/漏延伸區205的摻雜離子可以為磷離子、砷離子、氟化硼離子、硼離子或者銦離子中的任意一種。具體根據待形成的MOS晶體管的類型而定。例如當晶體管為NMOS晶體管時，所述源/漏延伸區205的導電類型為N型(摻雜離子可以為磷離子、砷離子)；當晶體管為PMOS晶體管時，所述源/漏延伸區205的導電類型為P型(摻雜離子可以為氟化硼離子、硼離子或者銦離子)。作為一個實施例，所述源/漏延伸區205離子為硼離子，離子注入的能量范圍為 2KeV至5KeV，離子注入劑量范圍為5E14至2E15/cnT2。作為又一實施例，所述源/漏延伸
區205離子為磷離子，離子注入的能量范圍為IKeV至4KeV，離子注入劑量為5E14至2E15/所述袋狀注入區208通過袋狀注入(Pocket implant)，一般所述袋狀注入的傾斜角度為15 35度，袋狀注入為旋轉角度注入，所述旋轉角度注入的起始角度為0 45度。 作為優選的實施例，所述袋狀離子注入的起始角度與碳離子注入的起始角度相同，使得碳離子注入形成的缺陷吸附區的離子分布與袋狀離子注入形成的袋狀區離子分布更加匹配，更有利于抑制氧化增強效應。接著，參考圖8，在柵極結構兩側的半導體襯底200內形成晶體管的源/漏極212 和柵極結構兩側的半導體襯底200上形成側墻211。所述源/漏極212進行源/漏離子注入。所述源/漏離子注入的方法和側墻的制作方法與現有技術相同，作為本領域技術人員公知技術，在此不作詳細描述。最后，進行退火，將所述源/漏延伸區205、袋狀注入區208、源/漏極212的摻雜離子激活。所述退火可以為爐管退火或快速熱退火。作為一個實施例，所述退火為快速熱退火。所述退火的溫度范圍為700 1200攝氏度，退火時間為10 120秒，退火氣體為N2, 其流量范圍為50 500sccm。經過上述方法，形成MOS晶體管，請參考圖8，所述MOS晶體管包括半導體襯底200，所述半導體襯底200內形成有隔離結構201，相鄰的隔離結構201 之外的半導體襯底為有源區；柵介質層202和柵極202，位于有源區上方，所述柵介質層202和柵極203構成柵極結構；側墻211，位于所述柵極結構兩側的半導體襯底200上；源/漏極212，位于所述側墻211 —側的半導體襯底200內；源/漏延伸區205，位于所述柵極結構兩側的半導體襯底200內；袋狀注入區208，位于所述柵極結構兩側的半導體襯底200內，所述袋狀注入區 208包圍所述源/漏延伸區205 ；氧化層204，覆蓋所述柵極結構；缺陷吸附區213，位于所述柵極結構兩側的半導體襯底200中，所述缺陷吸附區 213沿溝道長度方向的尺寸大于所述袋狀注入區208的尺寸，所述缺陷吸附區213通過離子注入形成，所述缺陷吸附區213的摻雜離子為碳離子。參考圖9，為利用美國斯諾普斯(synopsys)公司的TCAD模擬軟件，以NMOS器件為例，模擬現有技術的MOS晶體管與本發明所述的MOS晶體管的溝道長度與閾值電壓的關系。橫軸表示溝道長度，單位為微米；縱軸表示閾值電壓，單位伏特。曲線1為對現有技術的NMOS器件模擬獲得，曲線2為對本發明的NMOS器件模擬獲得。從圖可以看出，曲線1陡峭，而曲線2比曲線1平坦得多。這表明，現有技術的NMOS晶體管的柵極電壓隨著溝道長度的變化較為明顯，與現有技術相比，本發明的NMOS晶體管的柵極電壓隨著溝道長度的變化不明顯。本發明的NMOS晶體管隨著溝道長度的變化，閾值電壓的變化很小，本發明的NMOS 晶體管的控制閾值電壓的能力較強，說明本發明的NMOS晶體管的有效抑制了氧化增強擴散效應和瞬態擴散增強效應，顯著減小器件的短溝道效應和反短溝道效應。圖10模擬現有技術的MOS晶體管與本發明所述的MOS晶體管漏極飽和電流與閾值電壓關系，以NMOS晶體管為例。橫坐標表示飽和漏極漏電流，單位為微安/微米，縱坐標表示閾值電壓，單位為伏特。曲線1為對現有技術的NMOS器件模擬獲得，曲線2為對本發明的NMOS器件模擬獲得。曲線1陡峭，而曲線2比曲線1平坦。這表明，隨著漏極飽和電流增加，現有技術的NMOS晶體管閾值電壓變化顯著，本發明的NMOS晶體管的閾值電壓變化不顯著，說明本發明NMOS晶體管的飽和漏極電流驅動能力強，氧化增強效應和瞬態氧化增強效應得到抑制，顯著減小器件的短溝道效應和反短溝道效應。
綜上，本發明提供的MOS晶體管及其制作方法，在柵極結構的氧化工藝之前在柵極結構的兩側的半導體襯底中注入碳離子，形成缺陷吸附區，所述缺陷吸附區消除氧化工藝在半導體襯底內形成的缺陷，將缺陷定扎，防止缺陷在退火時擴散，加劇源/漏延伸區和袋狀注入區的摻雜離子擴散，抑制瞬態增強擴散效應；并且所述碳離子在氧化工藝時退火， 減小對半導體襯底造成的損傷，使得碳離子形成固定的分布，避免碳離子的分布影響源/ 漏延伸區和袋狀注入區的摻雜離子分布，簡化工藝，提高工藝的穩定性。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。
權利要求
1.一種MOS晶體管的制作方法，其特征在于，包括提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有柵極結構；對所述柵極結構兩側的半導體襯底進行碳離子注入，形成缺陷吸附區；進行氧化工藝，形成覆蓋所述柵極結構的氧化層；在柵極結構兩側的半導體襯底中依次形成源/漏延伸區、包圍所述源/漏延伸區的袋狀注入區，所述袋狀注入區沿溝道長度方向的尺寸小于等于所述缺陷吸附區的尺寸。
2.如權利要求1所述的MOS晶體管的制作方法，其特征在于，所述碳離子注入的傾斜角度為15 45度。
3.如權利要求1所述的MOS晶體管的制作方法，其特征在于，所述碳離子注入的能量范圍為2KeV 20KeV。
4.如權利要求1所述的MOS晶體管的制作方法，其特征在于，所述碳離子注入的劑量范圍為:1E14 3E16/cnT2。
5.如權利要求1所述的MOS晶體管的制作方法，其特征在于，所述碳離子注入為旋轉角度注入，所述旋轉角度注入的起始角度為0 45度。
6.如權利要求1所述的MOS晶體管的制作方法，其特征在于，所述氧化工藝的溫度為 700 1200攝氏度，時間為10 100分鐘。
7.如權利要求1所述的MOS晶體管的制作方法，其特征在于，所述氧化工藝形成的氧化層的厚度1.5 4納米。
8.—種MOS晶體管，其特征在于，包括半導體襯底，所述半導體襯底上具有柵極結構；源/漏延伸區，位于所述柵極結構兩側的半導體襯底中；袋狀注入區，位于所述柵極結構兩側的半導體襯底中，所述袋狀注入區包圍所述源/ 漏延伸區；氧化層，覆蓋所述柵極結構；缺陷吸附區，位于所述柵極結構兩側的半導體襯底中，所述缺陷吸附區沿溝道長度方向的尺寸大于等于所述袋狀注入區的尺寸，所述缺陷吸附區通過離子注入形成，所述缺陷吸附區的摻雜離子為碳離子。
9.如權利要求8所述的MOS晶體管，其特征在于，所述氧化層的厚度1.5 4納米。
全文摘要
本發明提供一種MOS晶體管及其制作方法，所述方法包括提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有柵極結構；對所述柵極結構兩側的半導體襯底進行碳離子注入，形成缺陷吸附區；進行氧化工藝，形成覆蓋所述柵極結構的氧化層；在柵極結構兩側的半導體襯底中依次形成源/漏延伸區、包圍所述源/漏延伸區的袋狀注入區，所述袋狀注入區沿溝道長度方向的尺寸小于等于所述缺陷吸附區的尺寸。本發明在氧化工藝前形成碳離子，利用碳離子吸附氧化工藝形成的缺陷，消除了氧化增強擴散效應和瞬態擴散增強效應，改善了短溝道效應和反短溝道效應。
文檔編號H01L21/336GK102376581SQ201010267478
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月24日 優先權日2010年8月24日
發明者趙猛 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司