專利名稱：摻雜有較襯底原子擴(kuò)散速度更慢原子的隔離層的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及半導(dǎo)體器件，尤其是半導(dǎo)體器件的外延層。
背景技術(shù)：
摻雜有高濃度磷的硅晶片的電阻率可低于0.001Ω·cm。襯底需要如此低電阻率的原因有很多，其中包括由該襯底形成的器件具有更好的導(dǎo)電性或較低的導(dǎo)通電阻。
用高濃度磷摻雜硅晶片制造的器件可能需要采取防止磷原子從襯底擴(kuò)散到有源區(qū)或器件區(qū)的措施，這種情況在溫度升高的制造過程中可能發(fā)生，比如在退火時(shí)。增加器件外延層厚度，或在器件上增加一層外延層或隔離層，是可以用來降低擴(kuò)散效應(yīng)的辦法之一。使用較厚的外延層或外加外延層或隔離層可以在襯底和器件/有源區(qū)之間增加隔離，從而降低磷原子的擴(kuò)散。不過，外延層的加厚會(huì)產(chǎn)生更高的電阻率(相對(duì)于襯底而言)，從而會(huì)使器件導(dǎo)通電阻增加，這并不是期望得到的結(jié)果。
因此，該領(lǐng)域所需技術(shù)是對(duì)半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)作出改進(jìn)，使其在降低磷原子從高度磷摻雜的襯底擴(kuò)散到器件/有源區(qū)的可能性的同時(shí)，能保持相對(duì)較低的導(dǎo)通電阻，并找到形成該結(jié)構(gòu)的方法。
進(jìn)而言之，關(guān)鍵是需要半導(dǎo)體器件具有較厚的外延層并帶有較低的電阻率，從而可以降低磷原子從高度磷摻雜的襯底擴(kuò)散到器件/有源區(qū)的可能性，并需要找到形成該結(jié)構(gòu)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件和結(jié)構(gòu)，可大大降低磷原子從高度磷摻雜的襯底到器件有源層的擴(kuò)散。
本發(fā)明從某種形式上來說，是一個(gè)具有高度磷摻雜硅襯底的半導(dǎo)體器件。在襯底上附著一層隔離層，使隔離層材料中摻雜原子的擴(kuò)散系數(shù)低于硅襯底中磷原子的擴(kuò)散系數(shù)。在襯底上同時(shí)還附著一層外延層。器件層則附著在襯底、外延層和隔離層上。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠大大降低磷原子從高度磷摻雜的襯底向器件有源區(qū)的擴(kuò)散。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是降低了隔離層對(duì)器件導(dǎo)通電阻的影響。


圖1顯示了漏極至源極的電阻(RDson)以及晶圓級(jí)擊穿電壓(BVDSS)，這是具有磷原子重?fù)诫s襯底的器件外延隔離層厚度所具有的功能；圖2是本發(fā)明半導(dǎo)體器件的一個(gè)實(shí)施例的某部分的截面圖；圖3顯示了相應(yīng)于不同的溫度磷、砷和銻原子在硅襯底中的擴(kuò)散系數(shù)。
圖4顯示了在磷原子摻雜襯底上形成的三種不同外延結(jié)構(gòu)的電阻率曲線與外延層厚度的對(duì)照；圖5是制造本發(fā)明半導(dǎo)體器件方法的一個(gè)具體實(shí)施例的電流示意圖。
參照字符說明表示在幾個(gè)視圖中的對(duì)應(yīng)部分。本文的實(shí)施例表示本發(fā)明的所選用的一種應(yīng)用方式，而本發(fā)明的應(yīng)用不僅僅限于該范例所展示的范圍。
具體實(shí)施例方式
上述內(nèi)容及本發(fā)明的其它特性、優(yōu)點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)途徑可參照以下發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例加以說明，結(jié)合附圖可以得到更好的理解。
參考附圖，特別是圖1，圖上表示漏極至源極的電阻(RDson)以及晶圓級(jí)擊穿電壓(BVDSS)，這是具有磷原子重?fù)诫s襯底的器件外延層或隔離層厚度所具有的功能。RDSon圖對(duì)應(yīng)于所施加的10V柵極電壓。外延層或隔離層的電阻率與有源/器件區(qū)的電阻率相同。圖1中的虛線表示的是在砷摻雜襯底上所形成器件的典型RDSon及BVDSS水平，其他均與在磷摻雜襯底形成的器件相同。
從圖1中可以明顯看到，RDSon及BVDSS都隨在磷摻雜襯底上形成的器件中的外延層及隔離層厚度的增加而增加。圖1中還可以明顯看到，要達(dá)到與圖中用虛線表示、在砷摻雜襯底上所形成器件相等的BVDSS，磷摻雜襯底大約需要增加的外延層或外加外延隔離層的厚度為2微米(μ)。不過，增加約2μ外延層或附著外延隔離層的厚度會(huì)使RDSon比1.2μ厚度的外延隔離層器件升高約30％。而理想的狀態(tài)是通過增加外延隔離層的厚度來降低磷原子的擴(kuò)散，同時(shí)避免RDSon的升高。
如圖2所示是本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的一個(gè)實(shí)施例。半導(dǎo)體器件10(舉例來說，是一種N型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET))包括襯底12、外延隔離層14和外延層16。在外延層16內(nèi)部是形成的器件/有源層20以及一個(gè)漏極區(qū)22。器件10還包括多種特性和結(jié)構(gòu)，如溝槽、柵極、源極等，這些都在器件層20中形成。圖中所示實(shí)施例的器件10包括P-阱區(qū)24、P+體區(qū)26、N+源區(qū)28及襯有柵極電介質(zhì)32、并填充有柵極導(dǎo)電材料34的溝槽30。層間介質(zhì)層36附著在柵極溝槽30上，并部分覆蓋源極28，而金屬層上也有附著，這是本發(fā)明技術(shù)所注重闡述的步驟和目的。
襯底12是磷原子P重?fù)诫s的N+硅襯底。襯底12的摻雜濃度，以磷原子為例，大于5E18個(gè)磷原子/cm3。
外延隔離層14是一層N型硅層，其厚度為T，在襯底12上形成或外延生成。外延隔離層14的厚度T至少部分取決于形成器件10專用或所采用的專門技術(shù)系列的總體熱效應(yīng)。采用技術(shù)系列制造的半導(dǎo)體器件通常需要經(jīng)過普通的工藝制造過程，某些工藝會(huì)使其溫度升高。溫度升高會(huì)促使摻雜磷原子從襯底12內(nèi)擴(kuò)散到有源/器件區(qū)20，從而當(dāng)器件10的熱效應(yīng)相對(duì)較高，即采用多種升高溫度的制造工藝而促使摻雜磷原子從襯底12擴(kuò)散到有源/器件區(qū)20時(shí)，則需要增加第一外延隔離層上的厚度T。反之，當(dāng)器件10的熱效應(yīng)較低，因而促使摻雜磷原子擴(kuò)散的升溫制造工藝較少時(shí)，外延隔離層14上的厚度T可減小或相對(duì)較小。
外延隔離層14的摻雜，可通過例如在原位置上進(jìn)行離子植入，或其他適當(dāng)方法，摻雜一種或多種擴(kuò)散系數(shù)可預(yù)先確定、且低于硅襯底12上摻雜的磷原子P的擴(kuò)散系數(shù)的原子A。原子A可以是砷、銻或其他適合摻雜的原子。外延隔離層14上的摻雜濃度大約在漏極區(qū)22及外延層16的摻雜濃度的2-20倍之間，這二者的摻雜濃度通常在1E14-1E17個(gè)磷原子/cm3之間，因而外延隔離層14上的摻雜濃度大約在2E14-20E17個(gè)磷原子/cm3。
外延隔離層14上的摻雜濃度還至少部分取決于隔離層14的厚度。更特別的是，隨著隔離層14厚度的增加，其摻雜濃度也必須相應(yīng)增加。隨厚度T的增加而增加外延隔離層14上的摻雜濃度，可以通過降低外延隔離層14上的電阻率而達(dá)到或保持給定或所需要(相對(duì)較低)的RDSon值。相反，也可以隨厚度T的減小而降低外延隔離層14上的摻雜濃度，以達(dá)到或保持給定或所需要的RDSon值。厚度的減小抵消了隔離層14上摻雜濃度降低而導(dǎo)致的電阻率增加效應(yīng)。
如以上討論，外延隔離層14上摻雜有一種或多種具有不同擴(kuò)散系數(shù)的原子，其擴(kuò)散系數(shù)已預(yù)先設(shè)定，且低于硅襯底上所摻雜的磷原子的擴(kuò)散系數(shù)。具有比磷原子更低的擴(kuò)散系數(shù)的原子，舉例來說，有砷和銻。圖3顯示了硅襯底中磷(曲線P)、砷(曲線As)、銻(曲線Sb)的擴(kuò)散系數(shù)和溫度的比較關(guān)系，可以看出，砷和銻的擴(kuò)散系數(shù)大約比磷小100倍(即擴(kuò)散更慢)。用具有比襯底12上的磷原子更低擴(kuò)散系數(shù)的原子來摻雜外延隔離層14，可使外延隔離層14上的摻雜濃度大大增加，并降低了電阻，從而可以使器件10保持所需要的較低RDSon值。
需要特別注意的是，可將外延隔離層14摻雜到與常規(guī)砷摻雜襯底大致相同的摻雜濃度。從而外延隔離層14的導(dǎo)通電阻可以大大低于具有相同厚度的常規(guī)外延層。此外，大多數(shù)砷摻雜襯底器件的外延層厚度可以得到優(yōu)化。在本發(fā)明的實(shí)施例中，用砷原子將外延隔離層14摻雜到與常規(guī)砷摻雜襯底大致相同的摻雜濃度，并不能顯著改變器件10的BVDSS。從作用上來說，在厚度T足夠防止磷原子進(jìn)入器件/有源區(qū)的情況下，用砷原子摻雜的外延隔離層14是器件10的一個(gè)有效砷襯底。用銻摻雜的外延隔離層14也有類似的效用，因?yàn)檫@兩種摻雜粒子在硅中的擴(kuò)散系數(shù)相似，上述內(nèi)容已有過討論，如圖3中所示。
如圖4所示是一個(gè)采用先進(jìn)溝槽技術(shù)的典型半導(dǎo)體器件，在其磷摻雜襯底上形成的三種不同外延層結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)電阻率與經(jīng)過所有熱處理后的厚度的比較。襯底的電阻率大約為0.0013Ω·cm。
電阻率曲線50對(duì)應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)中，包括一個(gè)厚度為1.5μ的未摻雜隔離層、以及一個(gè)厚度約為4μ摻雜濃度約為3E16個(gè)原子/cm3(電阻率大約為0.215Ω·cm)的外延層。電阻率曲線60對(duì)應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)中，包括一個(gè)包括厚度為0.5μ的未摻雜層、一個(gè)厚度約為1.0μ摻雜濃度約為3E16個(gè)原子/cm3(電阻率大約為0.215Ω·cm)的外延層、以及一個(gè)厚度約為4μ摻雜濃度約為3E16個(gè)原子/cm3(電阻率大約為0.215Ω·cm)的外延層。簡言之，電阻率曲線50表示含有未摻雜隔離層的器件和襯底，而電阻率曲線60則表示含有摻雜濃度增加(因而具有較低電阻率)的隔離層14的器件或襯底。曲線50和曲線60本質(zhì)上是相同的，因而隔離層的摻雜濃度并未影響到向上擴(kuò)散。這樣，基于砷原子在硅中較慢的擴(kuò)散速度，可增加隔離層的摻雜濃度以降低其電阻，從而降低器件10的RDSon。
如圖5所示是用本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件方法的一個(gè)實(shí)施例。方法100包括形成隔離層102、摻雜隔離層104、形成外延層106的步驟，以及其他處理工藝108。
形成隔離層102的步驟包括形成(如通過外延生成)一個(gè)在磷摻雜的硅襯底上具有預(yù)定或所需厚度的隔離層。摻雜隔離層104的過程包括用比磷原子擴(kuò)散慢得多的原子來摻雜隔離層，比如用砷、銻或其他適當(dāng)?shù)膿诫s原子。摻雜隔離層104的過程可以與形成隔離層的過程結(jié)合在一起或同時(shí)進(jìn)行。形成器件外延層106的過程包括形成(比如通過外延生成)一個(gè)在隔離層上具有預(yù)定或所需厚度的器件外延層。其他處理108包括標(biāo)準(zhǔn)及常規(guī)襯底，以及本發(fā)明中所知的集成電路制造過程。
從該實(shí)施例中可以看出，器件10被表示成為一個(gè)有溝槽柵極的場效應(yīng)管。不過，容易理解，本發(fā)明的器件可采用其他替代型式，比如，使用不同技術(shù)系列的溝槽器件或平面型器件。
綜上所述，本發(fā)明的具體闡述采用的是優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案，亦可根據(jù)所披露內(nèi)容的精神和范圍作進(jìn)一步改進(jìn)。因而，本申請旨在用所披露的總體原則涵蓋本發(fā)明的任何變型、使用或改動(dòng)。此外，本申請包括從現(xiàn)有已披露的內(nèi)容(包括使用該發(fā)明的已知或?qū)Ｓ脩?yīng)用實(shí)例)出發(fā)到所附權(quán)利要求中所限制以及本發(fā)明所適用的范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其特征在于，包括一重?fù)诫s磷的硅襯底；一位于所述襯底上的隔離層，該隔離層用擴(kuò)散系數(shù)小于硅襯底中磷的擴(kuò)散系數(shù)的摻雜劑原子摻雜；一位于所述襯底上的外延層；以及一位于所述襯底上的器件層，且位于所述外延層及隔離層上。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述隔離層位于所述襯底及所述外延層之間。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述隔離層包括外延硅。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述摻雜劑原子包括砷和銻。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述襯底中具有大約5E18個(gè)磷原子/cm3或更高的摻雜濃度。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述隔離層中具有大約2E14-20E17個(gè)磷原子/cm3的摻雜濃度。
7.一種金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，其特征在于，包括一重?fù)诫s磷的硅襯底；一位于所述襯底上的隔離層，該隔離層用擴(kuò)散系數(shù)小于硅襯底中磷的擴(kuò)散系數(shù)的摻雜劑原子摻雜；一位于所述襯底上的外延層；一位于所述襯底、所述外延層及所述隔離層上的器件層。
8.權(quán)利要求7所述的金屬半導(dǎo)體氧化物場效應(yīng)管，其特征在于，所述隔離層與所述襯底及所述外延層之間。
9.如權(quán)利要求7所述的金屬半導(dǎo)體氧化物場效應(yīng)管，其特征在于，所述隔離層包括外延硅。
10.如權(quán)利要求7所述的金屬半導(dǎo)體氧化物場效應(yīng)管，其特征在于，所述摻雜劑原子至少包括砷和銻之一。
11.如權(quán)利要求7所述的金屬半導(dǎo)體氧化物場效應(yīng)管，其特征在于，所述襯底中具有大約5E18個(gè)磷原子/cm3或更高的摻雜濃度。
12.如權(quán)利要求7所述的金屬半導(dǎo)體氧化物場效應(yīng)管，其特征在于，所述隔離層中具有大約2E14-20E17個(gè)磷原子/cm3的摻雜濃度。
13.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一重?fù)诫s磷的硅襯底；一位于所述襯底上的隔離層，該隔離層用擴(kuò)散系數(shù)小于硅襯底中磷擴(kuò)散系數(shù)的摻雜劑原子摻雜；以及一位于所述襯底上的外延層。
14.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述隔離層位于所述襯底及所述外延層之間。
15.權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述隔離層包括外延硅。
16.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述摻雜劑原子包括至少砷和銻中的一種。
17.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底中具有大約5E18個(gè)磷原子/cm3或更高的摻雜濃度，且所述隔離層中具有大約2E14-20E17個(gè)磷原子/cm3的摻雜濃度。
18.一種在硅襯底上制造半導(dǎo)體器件的方法，所述襯底為磷原子重?fù)诫s，其特征在于，該方法包括在所述襯底上形成一隔離層；在所述隔離層中用擴(kuò)散系數(shù)低于硅中的磷原子的摻雜劑原子摻雜所述隔離層；在所述襯底上形成一外延層；以及在所述襯底上形成一有源層。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述摻雜原子包括至少砷和銻中的一種。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述形成和摻雜過程同時(shí)進(jìn)行。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述隔離層的形成包括硅外延生成。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述隔離層直接在所述襯底上形成，且所述外延層位于所述隔離層上，所述有源區(qū)位于所述隔離層上。
23.一種降低磷原子從磷重?fù)诫s的硅襯底擴(kuò)散到半導(dǎo)體器件的器件層的可能性的方法，其特征在于，該方法包括在所述襯底上形成一隔離層；在所述隔離層中用擴(kuò)散系數(shù)低于硅中磷原子擴(kuò)散系數(shù)的摻雜劑原子摻雜所述隔離層。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在所述隔離層上形成外延層的過程。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述隔離層包括外延硅，且所述摻雜劑原子包括至少砷和銻中的一種。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述形成和摻雜過程同時(shí)進(jìn)行。
27.一種半導(dǎo)體器件，其特征在于，包括一重?fù)诫s磷的硅襯底；一位于上述襯底上的隔離層，該隔離層用擴(kuò)散系數(shù)小于硅襯底中的磷原子擴(kuò)散系數(shù)的摻雜劑原子摻雜；一位于所述襯底上的外延層；一漏極區(qū)，位于所述外延層之內(nèi)；以及一器件層，位于所述漏極區(qū)之上。
28.如權(quán)利要求27所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述器件層包括一個(gè)或多個(gè)阱區(qū)、體區(qū)及源極區(qū)。
29.如權(quán)利要求28所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述器件層包括一個(gè)或多個(gè)柵極溝槽、加襯所述柵極溝槽的電介質(zhì)材料以及位于所述電介質(zhì)材料之上且在所述柵極溝槽內(nèi)的導(dǎo)電柵極材料。
30.如權(quán)利要求27所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述隔離層的摻雜濃度約為所述外延層參雜濃度的2-20倍。
31.如權(quán)利要求30所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述隔離層的摻雜濃度約為2E14-20E17個(gè)原子/cm3。
32.如權(quán)利要求27所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述摻雜劑原子從包括砷和銻的群組中選擇。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件，包括一重?fù)诫s磷的硅襯底；一位于所述襯底上的隔離層，該隔離層用擴(kuò)散系數(shù)小于硅襯底中磷的擴(kuò)散系數(shù)的摻雜劑原子摻雜；一位于所述襯底上的外延層；以及一位于所述襯底上的器件層，且位于所述外延層及隔離層上。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101023531SQ200580016104
公開日2007年8月22日 申請日期2005年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月21日
發(fā)明者王琪, 安伯·克雷林-恩戈, 侯賽因·帕拉維 申請人:仙童半導(dǎo)體公司