CN1184697C - 准绝缘体上的硅场效应晶体管及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种准绝缘体上的硅(SOI)金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)器件的新结构及实现方法。其特征在于源漏区下方埋氧是连续的；而沟道区下方的埋氧是非连续的。采用注氧隔离技术来实现的艺过程是：(1)在半导体衬底中注入低于最优剂量的离子；(2)在器件沟道区光刻生成掩模；(3)在源漏区第二次注入离子，使源漏区注入的总剂量达到最优剂量；高温退火后在源漏区下方形成连续埋氧，沟道区下方形成非连续的埋氧；(4)常规CMOS技术完成器件制作。由于沟道下方的埋氧是非连续的，沟道和硅衬底之间电耦合，从而克服了SOI MOSFET器件的浮体效应和自热效应二大固有缺点。
Description
技术领域
本发明提出了一种消除浮体效应和减弱自热效应的新型结构的准绝缘体上的硅(SOI)金属—氧化物—半导体场效应晶体管(MOSFET)器件的新结构，并给出了采用图形化注氧隔离(SIMOX)技术的实现方法。本发明属于微电子技术领域，尤其是和SOI集成电路中的MOSFET相关。
背景技术
SOI材料中由于掩埋绝缘层(一般为SiO2埋层，简称埋氧)的存在，SOI器件有许多传统体硅器件无法比拟的优点如：抗辐射，无闩所效应，源漏寄生电容小，亚阈值斜率陡峭，易于形成浅结和全介质隔离，工艺步骤简单等等。所以，SOI技术被认为是未来一代集成电路的主流技术。但是，正是由于埋氧的存在，SOI器件有两个固有的缺点。对于部分耗尽的SOI MOSFET，由于顶层硅与硅衬底之间被埋氧隔离而电绝缘，导致了载流子在沟道下方的聚集，使顶层硅的电位升高，产生所谓的“浮体效应”，严重地影响器件的性能。另一方面，由于埋氧的热导率非常低，仅为体硅热导率的1％左右，器件产生的热量将受到极大的阻挡，无法及时地耗散出去，产生严重的“自热效应”。
为了克服这两个SOI器件本身固有的问题，研究者们采取了各种各样的措施。为了解决浮体效应，常用的办法是将顶层硅用电极引出。但是，这种方法不仅使器件的面积增大，而且会引入较大的串联电阻，从而导致器件性能的退化。为了降低SOI的自热效应，不少研究者提出用热导率高的材料代替SiO2做掩埋绝缘层，如AlN，类金刚石薄膜等等。这一方法仅能采用键合技术来实现，目前还非常不成熟。另外，减小埋氧的厚度也可以降低自热效应，但是即使很薄的埋氧也会存在较大的界面热阻，自热效应相对体硅而言还是比较严重。
解决SOI器件的浮体效应和自热效应的最直接办法是使器件的沟道下方没有埋氧，让沟道与衬底相连，即在常规的SOI MOSFET沟道下方的埋氧中开一个窗口。这样，沟道和衬底是电耦合的，不会产生由于载流子积累而导致的浮体效应；同时，器件工作时产生的热量可以通过埋氧中的窗口经硅衬底及时地耗散出去。采用SIMOX技术只在器件的源漏下方注氧形成埋氧可以实现沟道下方没有埋氧的目的。但是，由于在SIMOX中，注入的氧经高温退火形成SiO2后体积会膨胀很大(约2.25倍)，导致埋氧和体硅之间的过渡区质量较差，会有大量的缺陷存在。S.Bagchi等人(S.Bagchi，Y.Yu，M.Mendicino，et al.，Defect analysis of patterned SOI material，IEEEInternational SOI Conference，1999，pp.121-122)的研究结果已证实这个现象。他们采用SIMOX技术制备SOI和体硅相结合的图形化SOI材料，发现在埋氧和体硅之间的边界区域存在着大量的缺陷，密度高达108cm-2，缺陷在边界处延伸2个微米左右。而埋氧和体硅之间的过渡区恰恰在器件沟道的边缘，大量缺陷的存在会严重地影响器件的性能。
在SIMOX技术中，SOI材料的质量和注入离子的剂量和能量有着密切的关系。在我们的早期研究中(Meng Chen，Yuehui Yu，Xi Wang，et al.，Fabrication of device-grade separation-by-implantation-of-oxygen materials byoptimizing dose-energy match，J.Mater.Res.，17(7)，2002，PP.1634-1643)中发现，在某一个注入能量下，存在一个临界(最优)剂量，当以此剂量注入后所形成的SOI材料的质量最好：埋氧中硅岛和针孔的密度非常低；顶层硅中线位错等缺陷密度也非常低。当注入剂量高于这个最优剂量时，所形成的SOI材料质量较差：埋氧有大量硅岛存在，顶层硅的缺陷密度也显著上升。当注入剂量低于最优剂量时，没有连续的埋氧形成，只形成不连续的SiO2沉淀(或称之为SiO2岛)，其大小从20nm到200nm不等，这些SiO2岛与体硅的界面非常陡峭，过渡区非常小，在SiO2岛的周围没有缺陷存在。
因此，如果在器件的沟道区的下方注入低于最优剂量的氧离子，而在器件的源区和漏区的下方注入最优剂量的氧离子，就可以在器件的源漏区形成连续的埋氧，而在沟道区形成非连续的埋氧。由于沟道区与原漏区注入的氧离子剂量相差不大，可以明显改善S.Bagchi等人研究中SOI和体硅过渡区的质量。同时，由于沟道下方的埋氧是非连续的，沟道和硅衬底之间部分相连，可以消除浮体效应和明显减弱自热效应。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种新结构的准SOI MOSFET，这种器件结构的特征在于沟道下方的埋氧是非连续的，起到消除浮体效应和减弱自热效应的作用。
本发明的另一个目的是提出一种实现这种新型结构器件的方法，即采用SIMOX技术在器件的沟道区注入低于最优剂量的氧离子；而在源漏区注入最优剂量的氧离子，高温退火后在沟道区形成非连续的埋氧；而在源漏区形成连续的埋氧。
本发明是通过下列步骤来实现这种新结构的准SOI MOSFET：
(1)在半导体衬底中注入低于最优剂量的离子；
(2)在器件沟道区光刻生成掩模；
(3)在源漏区第二次注入离子，使源漏区注入的剂量达到最优剂量；高温退火后在原漏区形成连续埋氧，沟道区形成不连续的埋氧；
(4)常规CMOS工艺完成器件制作。
采用剂量和能量的优化注入可以制备高质量的SOI材料。对应于不同的能量，优化的注入剂量也不相同。注入的能量范围在50keV～200keV，相应的最优剂量范围在2.0×1017～7×1017cm-2。步骤(1)中的氧离子注入是第一次注入，其注入剂量要低于最优剂量，使高温退火后形成非连续的埋氧。注入时衬底温度保持在400～700℃。
第一次注入完成后，在器件的沟道区光刻生成掩模，掩模可以是SiO2薄膜，多晶硅薄膜，氮化硅薄膜，金属薄膜等等，厚度在100～600nm之间以完全阻挡50keV～200keV离子的注入。掩模的刻蚀采用反应离子刻蚀(RIE)技术完成，这样可以保证掩模的边界比较陡峭。
由于掩模的存在，在步骤(3)的第二次离子注入过程中，只有器件的源区和漏区有离子注入，从而使源漏区的注入离子总剂量达到最优剂量。由于沟道区没有额外的离子注入，经过高温退火后形成的埋氧是不连续的，而源漏区的埋氧是连续的。高温退火的温度为1200～1375℃；退火的气氛为氩气或氮气，可以含有0.5％～20％的氧气；退火的时间为1～24个小时。
随后采用常规的CMOS工艺完成器件的制作具体包括栅氧化层的生成，沟道区掺杂，多晶硅栅的生成，源漏掺杂，铝连线的生成等工艺步骤。这样，就形成了新结构的准SOI MOSFET器件。
由此可见，本发明提供的准SOI MOSFET器件是由常规的体硅MOSFET器件的硅衬底，栅氧化层，多晶硅栅，源区、漏区和沟道区，以及注氧隔离所形成的在源漏区下方连续的埋氧和沟道区下方非连续的埋氧构成。源漏区下方连续埋氧的存在大大减小了器件的源漏寄生电容，提高了器件的速度。由于沟道区下方的埋氧是不连续的，沟道和衬底之间是电耦合的，产生的载流子不会积累在沟道下方，从而消除了浮体效应。同时，器件工作时产生的热量可以从沟道下方非连续埋氧之间的窗口经硅衬底及时地耗散出去。所以，这种新型的准SOI MOSFET器件在具有SOI器件高速低功耗等各种优点的同时克服了SOI MOSFET器件两个本身所固有的缺点：浮体效应和自热效应。
本发明所述的半导体衬底包括硅、锗、硅锗合金或GaAs中一种；
本发明所述的注入的离子为O+、O2 +、HO+、H2O+、N+或N2 +、中的一种以形成掩埋的氧化硅或氮化硅埋层。
附图说明
图1为第一次氧离子注入后的结构示意图。
图2为第二次有掩模氧离子注入后的结构示意图。
图3为高温退火形成埋氧后的结构示意图。
图4为完成器件后的结构示意图。
附图1至附图4中，1为硅衬底；2为注入硅衬底中的氧；3为氧离子；4为沟道区的掩模；5为源漏区下方连续的埋氧；6为沟道区下方非连续的埋氧；7为栅氧化层(其下面为沟道区域)；8为多晶硅栅；9为器件的源区；10为器件的漏区。
具体实施方式
下面的具体实施例有助于理解本发明的特征和优点，但本发明的实施决不仅局限于实施例。
实施例1
在4英寸p型(100)单晶硅片中第一次注入氧离子(图1)，注入能量为130keV，注入剂量为2.5×1017cm-2，注入时衬底温度为680℃。然后在硅片上沉积500nm厚的SiO2薄膜，在器件的沟道区光刻生成掩模。接着进行第二次氧离子注入(图2)，注入能量为130keV，注入剂量为2.0×1017cm-2，注入时衬底温度仍为680℃。漂去掩模后进行高温退火处理。在氩气氛(其中含有1％的氧气)中经1320℃退火5个小时(图3)。高温退火后在器件源漏区形成连续的埋氧；而在沟道区形成非连续的埋氧，即互不相连的SiO2岛。最后，采用常规的CMOS工艺完成器件的制作(图4)。
实施例2
在硅衬底上注入N+，以形成氮化硅埋层，其余同实施例1。
Claims (7)
1.一种准绝缘体上的硅金属—氧化物—半导体场效应晶体管器件的结构，包括硅衬底、栅氧化层、多晶硅栅、源区、漏区和沟道区；其特征在于：
(1)器件还包括源区、漏区和沟道区下方的掩埋绝缘层；
(2)源区和漏区下方的掩埋绝缘层是连续的，沟道区下方的掩埋绝缘层是非连续的。
2.按权利要求1所述的准绝缘体上的硅金属—氧化物—半导体场效应晶体管器件的实现方法，其特征在于是采用注氧隔离技术和CMOS工艺相结合的方法来实现的，具体工艺步骤为：
(1)在半导体衬底中注入低于2.0×1017～7×1017cm-2剂量的离子；
(2)在器件沟道区光刻生成掩模；
(3)在源漏区第二次注入离子，使源漏区注入的总剂量达到2.0×1017～7×1017cm-2剂量；1200-1375℃退火后在源漏区下方形成连续掩埋绝缘层，沟道区下方形成非连续的掩埋绝缘层；
(4)常规CMOS工艺完成器件制作。
3.按权利要求2所述的准绝缘体上的硅金属—氧化物—半导体场效应晶体管器件的实现方法，其特征在于所述的半导体衬底包括硅、锗，硅锗合金或GaAs中一种。
4.按权利要求2所述的准绝缘体上的硅金属—氧化物—半导体场效应晶体管器件的实现方法，其特征在于注入的离子为O+、O2 +、HO+、H2O+、N+或N2 +中的一种以形成掩埋的氧化硅或氮化硅埋层。
5.按权利要求2所述的准绝缘体上的硅金属—氧化物—半导体场效应晶体管器件的实现方法，其特征在于沟道区掩模是SiO2薄膜，多晶硅薄膜，氮化硅薄膜或金属薄膜，厚度为100～600nm。
6.按权利要求2所述的准绝缘体上的硅金属—氧化物—半导体场效应晶体管器件的实现方法，其特征在于注入离子的能量范围在50keV～200keV，注入时衬底温度保持在400～700℃。
7.按权利要求2所述的准绝缘体上的硅金属—氧化物—半导体场效应晶体管器件的实现方法，其特征在于所述的高温退火的气氛为含有0.5％～20％体积氧气的氩气或氮气；退火时间为1～24小时。
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