專利名稱：用于俘獲半導(dǎo)體襯底內(nèi)的注入損傷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。更具體地，涉及場(chǎng)效應(yīng)晶體管
(FET)的制造，包括通過(guò)摻雜劑注入來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇導(dǎo)電性的半導(dǎo)體材 料的形成。
背景技術(shù)：
金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS) FET的制造需要在通常為純硅(Si) 的襯底中形成源極區(qū)域和漏極區(qū)域。Si以生長(zhǎng)為單晶的晶片形式提 供。通過(guò)對(duì)N型區(qū)域添加施主型摻雜劑諸如砷，對(duì)P型區(qū)域添加受 主型摻雜劑諸如硼，Si晶格的帶區(qū)被轉(zhuǎn)換成N型或P型導(dǎo)電性區(qū)域。 這些摻雜劑通常通過(guò)離子碰撞而引入，在離子碰撞中離子化的摻雜 劑原子在晶格處被激勵(lì)并發(fā)射，穿透晶體結(jié)構(gòu)至一定的深度，該深 度很大程度上取決于碰撞能量和離子質(zhì)量。
可以立刻得出的是，這種碰撞引起晶體損傷，其中晶格原子被 擊出晶格位置之外，而同時(shí) 一 定數(shù)量的新引入的原子也將靜止在晶 格位置以外的位置中。這種偏離位置(out-of-position)的現(xiàn)象被稱 作缺陷。空的晶格位置被稱作空位缺陷，而位于非晶格位置的原子 被稱作間隙缺陷。在本領(lǐng)域中通常采用的恢復(fù)方法包括對(duì)晶體進(jìn)行 退火，向晶格施加熱量以適當(dāng)?shù)丶?lì)原子，使它們自己回到晶格結(jié) 構(gòu)中，這提供了具有最低總能級(jí)的布局。

發(fā)明內(nèi)容
所要保護(hù)的本發(fā)明的 一 個(gè)方面是 一 種用于使在晶格中的摻雜劑 注入期間在晶格的注入?yún)^(qū)域中產(chǎn)生的缺陷的影響最小化的方法。該 方法開始于注入俘獲原子的俘獲層的步驟，該俘獲原子的尺寸小于晶格單元原子的尺寸。在注入之后，對(duì)晶格退火一定的時(shí)間，該時(shí) 間足以使間隙缺陷原子從缺陷區(qū)域逸出。以此方式，在俘獲原子和 逸出的間隙原子之間形成能量穩(wěn)定對(duì)。


圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的包括由摻雜劑注入所引起的損傷的FET 晶體管。
圖2描繪了在現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)施的摻雜劑注入之后對(duì)硅襯底退火3 秒、10秒、30秒和60秒時(shí),殳的影響。
圖3a和3b示出了在注入步驟期間產(chǎn)生的缺陷以及退火的影響。
影響。 ''、 'b ' '
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖進(jìn)行以下的詳細(xì)描述。描述優(yōu)選實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明， 而不是限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求限定。本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員基于以下的描述將認(rèn)識(shí)到各種等同變型。
在圖1中可見本公開內(nèi)容所要解決的問(wèn)題，圖1示出了在經(jīng)過(guò) 離子注入后的典型MOSFET 100。該晶體管形成在珪襯底101上， 且包括源極102、漏才及104和柵^及106。與每個(gè)電一及鄰近的庫(kù)毛盡層108 在本領(lǐng)域中是公知的。
示出了這種器件的主要泄漏模式。這些泄漏路徑是設(shè)計(jì)者主要 關(guān)注的，因?yàn)榭紤]到數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管的陣列，它們會(huì)造成明顯的功 耗。泄漏模式包括跨過(guò)耗盡層的結(jié)泄漏、跨過(guò)柵極電介質(zhì)從溝道到 柵電極的柵才及泄漏以及漏極感應(yīng)勢(shì)壘降低(DIBL)，正如DIBL的 名稱所暗示的，DIB L造成溝道的漏極端附近的耗盡層加寬以及源極 到溝道的勢(shì)壘降低。
離子注入的副作用可見于分散在整個(gè)襯底中的缺陷110。在圖上 注意到一個(gè)重要的區(qū)別位于耗盡層以外的缺陷對(duì)晶體管性能或泄漏方面沒(méi)有不利影響。出現(xiàn)在導(dǎo)電路徑上的缺陷，當(dāng)在襯底中隔離、 從耗盡層中去除時(shí)是完全不會(huì)產(chǎn)生不利影響的，但當(dāng)在耗盡層中時(shí)， 缺陷提供低電阻橋接，實(shí)際地造成跨過(guò)耗盡層的短路。不同的泄漏 機(jī)制導(dǎo)致缺陷在帶隙內(nèi)引入能級(jí)的趨勢(shì)，顯著地增加了電子空穴對(duì) 的生成，進(jìn)一步促進(jìn)了跨過(guò)結(jié)的電流流動(dòng)。
通常通過(guò)退火，使晶片暴露于持續(xù)的加熱中一定的時(shí)間段，來(lái) 應(yīng)對(duì)缺陷，該時(shí)間段足以使原子遷移到導(dǎo)致(在這種情況下針對(duì)給 定結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)的)最低能態(tài)的位置。圖2描繪了在離子注入之后
的典型襯底，示出了在四種時(shí)間(3秒、10秒、30秒和60秒)的缺 陷水平。該圖的左上部分(描繪了注入后進(jìn)行3秒的退火的情況) 顯示了通常在對(duì)應(yīng)于摻雜劑原子的注入深度的深度處的大量缺陷。 由于在注入后退火期間無(wú)定形硅的外延再結(jié)晶， 一層純的硅層形成 在缺陷之上。熱量足以激勵(lì)位于晶格位置以外的原子，使得它們遷 移到晶格位置，或者遷移到該層的表面，或者它們和其它缺陷接合。 這些結(jié)果中的每個(gè)結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生比單個(gè)缺陷的能態(tài)更低的能態(tài)。從 圖的右上部分(示出了進(jìn)行IO秒的退火之后的情況)可以看出這些 影響。如所見，缺陷的總數(shù)減少，且一些缺陷的尺寸增長(zhǎng)。在進(jìn)行 30秒的退火后，如圖的左下部分所示，缺陷的數(shù)目明顯減少，只留 有幾個(gè)大缺陷和少量小缺陷。最后，在進(jìn)行60秒的退火后，只有非 常少量的缺陷留下，且在進(jìn)行30秒的退火的情況下出現(xiàn)的大缺陷的 尺寸也減小了。然而，應(yīng)理解到，如圖1所示，即使留有很少的缺 陷，但如果它們位于耗盡帶區(qū)內(nèi)，也會(huì)造成嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)檫@樣 的缺陷會(huì)造成短路而不僅僅是少量的泄漏電流。
直到現(xiàn)在，本領(lǐng)域中仍然根據(jù)圖3a和3b所示的機(jī)制來(lái)處理缺陷。 如圖3a中所示，注入工藝產(chǎn)生了其中缺陷110占主要地位的損傷區(qū) 域，大部分沒(méi)有受損的襯底101位于該層以下。無(wú)定形^5圭(a-Si) 103 的帶區(qū)位于損傷帶區(qū)和硅表面105之間。a-Si是注入的又一副作用， 因?yàn)榻?jīng)過(guò)晶格的高能原子很大程度上破壞了晶格結(jié)構(gòu)。利用退火， 間隙缺陷往往遷移到表面，如圖所示，而a-Si本身又再構(gòu)成晶格結(jié)構(gòu)，包括在表面105處形成新晶格位置的、被注入代替的間隙Si原 子。如圖3a所示，退火的結(jié)果很大程度上消除了缺陷并恢復(fù)了晶格 結(jié)構(gòu)，但是仍然存在的缺陷往往變?yōu)楸仍谧⑷牒罅⒓闯霈F(xiàn)的各個(gè)空 位和間隙缺陷更大。如上所述，各個(gè)缺陷聚合而形成線缺陷、面缺 陷和間隙環(huán)。
在假定從缺陷110的層到表面105的距離大于耗盡層的深度的 情況下，圖3a和3b的機(jī)制可以理想地工作?，F(xiàn)代的深亞微米半導(dǎo) 體設(shè)計(jì)在這一假定上產(chǎn)生問(wèn)題，很有可能造成缺陷將留在耗盡層中 而引起圖l所示的問(wèn)題。注意，在圖3b中，例如所示出的線缺陷在 表面105附近。這種缺陷在形成晶體管時(shí)將最容易產(chǎn)生問(wèn)題。
在圖4a和4b中示出了一種解決方案，如圖所示，在摻雜劑注入 之后通過(guò)注入添加俘獲層103，其中注入能量被調(diào)整為產(chǎn)生在略小于 摻雜劑深度的深度處的注入。為俘獲層的注入所選擇的原子應(yīng)小于 構(gòu)成晶格的原子，使得俘獲層在晶格中整體上產(chǎn)生張應(yīng)力。然后， 當(dāng)來(lái)自缺陷110的間隙原子穿透俘獲層時(shí)，由間隙原子所產(chǎn)生的應(yīng) 力和由相鄰俘獲原子所產(chǎn)生的應(yīng)力的組合比只有俘獲原子或只有間
隙原子時(shí)存在的應(yīng)力小。由于間隙原子需要能量消耗才能向表面移 動(dòng)或移回到缺陷區(qū)域，俘獲層因而成為對(duì)于間隙原子能量上有利的 位置。俘獲層有效地保持間隙原子，阻止它們向襯底表面移動(dòng)。
圖4b示出了退火后的結(jié)果，其中多個(gè)大缺陷保持在襯底內(nèi)較深 的位置，但是大量小的和單個(gè)的缺陷被俘獲在俘獲層中。在俘獲層 和襯底表面之間的區(qū)域中沒(méi)有任何的缺陷，且這種結(jié)果允許設(shè)計(jì)者
將俘獲層在村底中設(shè)置地足夠深，以確保沒(méi)有缺陷存在于耗盡層中， 而與半導(dǎo)體光刻的特征尺寸可能變得多小無(wú)關(guān)。
注意，用于選擇注入在俘獲層中的原子的主要標(biāo)準(zhǔn)是原子的尺 寸。俘獲層注入必須在晶格上施加張應(yīng)力，以便實(shí)現(xiàn)俘獲功能。由 此，在硅晶格中，在元素周期表中出現(xiàn)在硅之前的原子將是可以的。 然而，在設(shè)計(jì)中也會(huì)考慮其它的一些因素。 一個(gè)因素是俘獲原子與 摻雜劑原子的結(jié)合穩(wěn)定性。在一個(gè)實(shí)施例中，采用高劑量的砷原子來(lái)形成nMOSFET ,并采用鍺預(yù)先無(wú)定形注入(PAI )來(lái)形成 pMOSFET。在這種情況下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，碳、氮和氟作為俘獲層原子 都可以提供良好結(jié)果。要考慮的另 一 點(diǎn)是俘獲原子在晶格結(jié)構(gòu)中的 穩(wěn)定性。例如，鈉作為俘獲原子似乎可以提供良好的特性，但是事 實(shí)上，它承載電荷，使得它在室溫下在晶格中移動(dòng)，所以不是一個(gè) 好的選擇。后一點(diǎn)帶來(lái)對(duì)俘獲注入劑進(jìn)一步的要求，即俘獲注入劑 必須與俘獲的間隙原子形成電中性對(duì)。
進(jìn)一步的考慮是俘獲層的位置。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，俘獲層應(yīng)緊鄰于要 影響的注入損傷區(qū)域來(lái)定位。因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)結(jié)合光刻特征尺寸和 耗盡層來(lái)考慮該事實(shí)。
盡管參照優(yōu)選實(shí)施例和上述的詳細(xì)例子公開了本發(fā)明，但是應(yīng) 理解到，這些例子只是說(shuō)明性的，而不是構(gòu)成限制。應(yīng)預(yù)想到的是， 本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易想到許多修改和組合，這些修改和組合將落 入本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于使在晶格中的摻雜劑注入期間在晶格的注入?yún)^(qū)域中產(chǎn)生的缺陷的影響最小化的方法，包括以下步驟注入俘獲原子的俘獲層，所述俘獲原子被選擇成有利于與晶格單元原子形成能量穩(wěn)定對(duì)；對(duì)所述晶格退火一定的時(shí)間，該時(shí)間足以使間隙缺陷原子從注入引起的缺陷區(qū)域中逸出；由此在俘獲原子和逸出的間隙原子之間形成能量穩(wěn)定對(duì)。
2. 如權(quán)利要求l的方法，其中所述俘獲原子是電中性的。
3. 如權(quán)利要求1的方法，其中由俘獲原子和逸出的間隙原子形 成的對(duì)是電中性的。
4. 如權(quán)利要求1的方法，其中所述晶格單元原子是硅，且所述 俘獲原子選自包括碳、氮和氟的組。
5. 如權(quán)利要求l的方法，其中所述俘獲原子小于硅原子。
6. 如權(quán)利要求1的方法，其中所述退火步驟產(chǎn)生無(wú)定形硅的外 延再結(jié)晶，且所述俘獲原子被注入在如下位置，該位置被選擇為位 于所述晶格的表面和所述退火步驟后留下注入損傷的預(yù)期位置之間 的位置。
7. —種用于制造形成在晶格襯底上的半導(dǎo)體的方法，所述晶格 襯底具有N型區(qū)域和P型區(qū)域，溝道在所述N型區(qū)域和P型區(qū)域之 間，柵極位于所述溝道之上，且耗盡層鄰近于每個(gè)區(qū)域，其中使在 晶格的摻雜劑注入期間在晶格的注入?yún)^(qū)域中產(chǎn)生的缺陷的影響最小 化，所述方法包括以下步驟注入俘獲原子的俘獲層，所述俘獲原子被選擇成有利于與晶格 單元原子形成能量穩(wěn)定對(duì)；對(duì)所述晶格退火一定的時(shí)間，該時(shí)間足以使間隙缺陷原子從注 入引起的缺陷區(qū)域中逸出；由此在俘獲原子和逸出的間隙原子之間形成能量穩(wěn)定對(duì)。
8. 如權(quán)利要求l的方法，其中所述俘獲原子是電中性的。
9. 如權(quán)利要求1的方法，其中由俘獲原子和逸出的間隙原子形 成的對(duì)是電中性的。
10. 如權(quán)利要求1的方法，其中所述晶格單元原子是硅，且所述 俘獲原子選自包括碳、氮和氟的組。
11. 如權(quán)利要求l的方法，其中所述俘獲原子小于硅原子。
12. 如權(quán)利要求1的方法，其中所述退火步驟產(chǎn)生無(wú)定形硅的外 延再結(jié)晶，且所述俘獲原子被注入在如下位置，該位置被選擇為位 于所述晶格的表面和所述退火步驟后留下注入損傷的預(yù)期位置之間 的位置。
13. 如權(quán)利要求1的方法，其中所述退火步驟產(chǎn)生無(wú)定形硅的外 延再結(jié)晶，且所述俘獲原子被注入在如下位置，該位置被選擇為位 于所述耗盡層和所述退火步驟后留下注入損傷的預(yù)期位置之間的位置。
14. 如權(quán)利要求1的方法，其中將所述俘獲原子引入到至少部分 地與所述耗盡區(qū)重疊的位置中，且其中所述對(duì)沒(méi)有將eep能級(jí)引入 到帶隙中。
15. —種形成在晶體襯底上的半導(dǎo)體，所述晶體襯底具有N型區(qū) 域和P型區(qū)域，其中溝道在所述N型區(qū)域和P型區(qū)域之間，且柵才及 位于所述溝道之上，并且其中耗盡層鄰近于每個(gè)區(qū)域，包括俘獲原 子的俘獲層，所述俘獲原子的尺寸小于晶格單元原子的尺寸，所述 俘獲層位于所述耗盡層以外，并且所述俘獲層包括俘獲原子和間隙 缺陷原子的能量穩(wěn)定對(duì)，所述缺陷原子已從在摻雜劑注入工藝期間 被摻雜劑的注入損傷的襯底的區(qū)域中逸出。
16. 如權(quán)利要求5的半導(dǎo)體，其中所述俘獲原子是電中性的。
17. 如權(quán)利要求5的半導(dǎo)體，其中通過(guò)俘獲原子和逸出的間隙原 子形成的對(duì)是電中性的。
18. 如權(quán)利要求5的半導(dǎo)體，其中所述晶格單元原子是硅，且所 述俘獲原子選自包括碳、氮和氟的組。
全文摘要
一種用于使在晶格中的摻雜劑注入期間在晶格的注入?yún)^(qū)域中產(chǎn)生的缺陷的影響最小化的方法。所述方法開始于注入俘獲原子的俘獲層的步驟，俘獲原子的尺寸小于晶格單元原子的尺寸。在注入之后，對(duì)該晶格退火一定的時(shí)間，該時(shí)間足以使間隙缺陷原子從缺陷區(qū)域逸出。以此方式，在俘獲原子和選出的間隙原子之間形成能量穩(wěn)定對(duì)。
文檔編號(hào)H01L29/772GK101681819SQ200880014157
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月29日
發(fā)明者D·普拉瑪尼克, V·莫羅茲 申請(qǐng)人:新思科技有限公司