有源区的离子注入方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种有源区的离子注入方法。

背景技术：
在半导体工艺中，离子注入是一种向衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学性能的方法。在现代半导体工艺中几乎所有掺杂工艺都是用离子注入实现的，例如对有源区进行离子注入形成双阱掺杂、源/漏掺杂、n沟道或p沟道器件轻掺杂漏区（LDD）等。以现有技术中的对有源区进行离子注入形成双阱的方法为例，包括步骤：提供半导体衬底；在半导体衬底上形成浅沟槽隔离结构（STI），相邻浅沟槽隔离结构之间的区域为有源区，所述有源区包括P型有源区和N型有源区，并且所述P型有源区和N型有源区相邻；在半导体衬底上形成光刻胶层；对光刻胶层进行曝光显影处理，在所述N型有源区和N型有源区相邻的浅沟槽隔离结构上形成了图形化的光刻胶层，暴露所述P型有源区；以图形化的光刻胶层为掩膜对P型有源区进行硼离子注入，形成P阱。之后，对N型有源区进行磷离子注入形成N阱，N阱的形成方法参照上述P阱的形成方法，其中，所述图形化的光刻胶层覆盖P型有源区和P型有源区相邻的浅沟槽隔离结构。但是，随着半导体器件的尺寸不断减小，使用现有离子注入工艺对有源区进行离子注入形成双阱会出现半导体器件性能不佳的情形。该情形不仅影响到半导体器件的规模化生产，也对半导体工艺的进步形成了阻碍。更多关于有源区的离子注入方法的技术方案，参见2009年11月18日公开的公开号为CN100561667C的中国专利文献。

技术实现要素：
本发明解决的问题是现有技术的有源区的离子注入方法，造成了半导体器件性能不佳。为解决上述问题，本发明提供了一种新的有源区的离子注入方法，其步骤包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底中形成有浅沟槽隔离结构，相邻的浅沟槽隔离结构之间的区域为有源区，所述有源区包括第一类型有源区和第二类型有源区，第一类型有源区和第二类型有源区的类型不同；形成图形化的吸光层，覆盖与第一类型有源区相邻的浅沟槽隔离结构；形成图形化的掩膜层，覆盖第二类型有源区以及所述图形化的吸光层；以所述图形化的掩膜层为掩膜对第一类型有源区进行离子注入。可选的，所述第一类型有源区为P型有源区，所述第二类型有源区为N型有源区，或者，所述第一类型有源区为N型有源区，所述第二类型有源区为P型有源区。可选的，所述第一类型有源区和所述第二类型有源区相邻。可选的，对所述第一类型有源区进行离子注入以调制阈值电压或者对所述第一类型有源区进行离子注入形成阱区。可选的，所述图形化的掩膜层为图形化的光刻胶层。可选的，在形成所述图形化的光刻胶层过程中使用的曝光光源的波长范围为193nm～248nm。可选的，所述吸光层包括无机抗反射层。可选的，所述无机抗反射层为电介质抗反射层，所述电介质抗反射层的材料包括含氮氧化硅、碳掺杂氧化硅或者氮化硅。可选的，所述吸光层的折射率范围为1.5～2.5。可选的，所述吸光层的消光系数范围为0.3～2。可选的，所述形成图形化的吸光层的方法，包括：在所述半导体衬底上沉积吸光层；在所述吸光层上形成图形化的光刻胶层，所述图形化的光刻胶层定义与第一类型有源区相邻的浅沟槽隔离结构的位置；以所述图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀吸光层，直到暴露所述第一类型有源区和所述第二类型有源区时停止刻蚀；去除所述图形化的光刻胶层。可选的，所述在半导体衬底上沉积吸光层的厚度范围为5nm～200nm。可选的，所述形成图形化的吸光层的方法，包括：在所述半导体衬底上沉积吸光层；在所述吸光层上形成底部抗反射层；在所述底部抗反射层上形成图形化的光刻胶层，所述图形化的光刻胶层定义与第一类型有源区相邻的浅沟槽隔离结构的位置；以所述图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀底部抗反射层和吸光层，直到暴露所述第一类型有源区和所述第二类型有源区时停止刻蚀；去除所述图形化的光刻胶层和剩余的底部抗反射层。可选的，在所述形成图形化的吸光层之后，在所述形成图形化的掩膜层之前，还包括：进行回刻蚀工艺，以去除残留在第一类型有源区、第二类型有源区上的吸光层。与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过在第一类型有源区相邻的浅沟槽隔离结构上形成图形化吸光层，在图形化吸光层和第二类型有源区上形成图形化的掩膜层，所述图形化的吸光层覆盖第二类型有源区、部分或全部图形化的吸光层，之后以所述图形化的掩膜层为掩膜对第一类型有源区进行离子注入。所述图形化的掩膜层的材料通常选择光刻胶，而在形成图形化的光刻胶层的过程中通常会使用光刻工艺。在光刻工艺的曝光过程中，图形化的吸光层能够有效吸收光源发出的光线，避免穿透光刻胶层的光线在浅沟槽隔离结构与第一类型有源区的接触面、浅沟槽隔离结构底部连续发生反射，防止光源的发出光线的反射光对预定义的光刻胶的边缘过曝光，避免后续形成的图形化的光刻胶层暴露第二类型有源区的边缘。因此，本技术方案中，吸光层的存在保证了预定义的图形化的光刻胶层的特征尺寸（CD）不会发生偏差，也就是说，最终形成的图形化的光刻胶层的特征尺寸（CD）等于预先定义的特征尺寸。进一步，形成的图形化的掩膜层符合预先定义，不会暴露第二类型有源区，保证了对第一类型有源区进行离子注入的窗口不会延伸到第二类型有源区。由于第一类型有源区和第二类型有源区需要进行不同类型离子注入，则在对第一类型有源区进行离子注入时，掺杂离子不会对第二类型有源区造成掺杂，确保半导体器件对第一类型有源区和后续的第二类型有源区的精确离子掺杂，使得最终形成的半导体器件具有较佳性能。尤其是，在半导体器件的特征尺寸越来越小的技术要求下，本发明的离子注入方法具有进步意义，促进了半导体工艺的发展。附图说明图1～图2为现有技术的离子注入形成双阱工艺的剖面结构示意图；图3为本发明具体实施例的有源区的离子注入方法的流程示意图；图4～图12为本发明具体实施例的有源区的离子注入方法的剖面结构示意图。具体实施方式发明人针对现有技术的有源区离子注入方法形成双阱会造成半导体器件性能不佳的问题，进行了研究和分析，发现：参照图1，在对P型有源区11进行离子注入前，在半导体衬底上形成图形化的光刻胶层10，图形化的光刻胶层10覆盖浅沟槽隔离结构（STI）、相邻浅沟槽隔离结构之间的N型有源区12，N型有源区12与P型有源区11相邻。首先要在半导体衬底上形成整层光刻胶层，然后进行曝光、显影处理，形成图形化的光刻胶层10，其中，希望形成的图形化的光刻胶层10可以完全覆盖N型有源区12并覆盖部分或全部与P型有源区11相邻的浅沟槽隔离结构，将希望形成的图形化的光刻胶层10称为预定义的图形化的光刻胶层，该预定义的图形化的光刻胶层的特征尺寸为L。在曝光过程中，参照图2，由于P型有源区11的材料主要包括硅，浅沟槽隔离结构（STI）的材料包括氧化硅，硅和氧化硅的折射率不同，则光源发出的光线穿过光刻胶层、浅沟槽隔离结构后，在P型有源区11与浅沟槽隔离结构的接触面、浅沟槽隔离结构底面上连续发生反射，最终的反射光线进入了预定义的图形化的光刻胶层的边缘，造成光刻胶层的边缘区域101、102过曝光；则进一步，经过显影处理，遭到过曝光的边缘区域101、102溶解，最终形成的图形化的光刻胶层10'的特征尺寸为d，特征尺寸d较之预先定义的特征尺寸L减小了，也就是所形成的离子注入的窗口增大了。而且严重的是，增大的窗口延伸到N型有源区12，则在对P型有源区11进行硼离子注入的同时，相邻N型有源区12也遭到硼离子掺杂。最终，N型有源区12上形成的半导体器件的性能不佳。进一步，当使用同样的方法对N型有源区12进行磷离子注入时，也会造成P型有源区11的磷离子掺杂，使得P型有源区11上形成的半导体器件有瑕疵。最终整个半导体芯片的性能也会受到影响。针对上述情形，即使过曝光形成的图形化的光刻胶层10'恰好完全覆盖N型有源区12，即没有使N型有源区12暴露，但却使P型有源区11相邻的全部或者大部分浅沟槽隔离结构（STI）因所述过曝光而暴露。那么，当以图形化的光刻胶层10'为掩膜对P型有源区11进行离子注入时，由于，所述全部或者大部分浅沟槽隔离结构（STI）会遭到离子注入，甚至离子注入会贯穿浅沟槽隔离结构至半导体衬底，P型有源区11和N型有源区12会导通，进而影响到浅沟槽隔离结构的隔离性能，则最终在N型有源区和P型有源区上分别形成的不同半导体器件之间会导通，而造成整个半导体芯片的性能不佳的问题。根据上述分析，如果要保证预定义的图形化的光刻胶层的特征尺寸L完整反应到半导体衬底上，就需要消除曝光过程中的光线反射，避免出现对预定义的图形化的光刻胶层的过曝光。因此，发明人通过创造性劳动，得到一种新的有源区的离子注入方法。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。图3为本发明的具体实施例的有源区的离子注入方法的流程图，图4-图12是本发明实施例的有源区的离子注入方法的剖面结构示意图。这些附图只是例子，而不应当限制此处的权利要求的范围。本领域技术人员将会认识到许多变化、替换和修改。下面结合具体实施例并参照图3～图12详细说明本发明具体实施方式的有源区的离子注入的方法。参照图4和图3，执行步骤S31，提供半导体衬底20，所述半导体衬底20中形成有浅沟槽隔离结构（STI）21，相邻浅沟槽隔离结构（未全示出）之间的区域为有源区，所述有源区包括第一类型有源区22和第二类型有源区22'，第一类型有源区22和第二类型有源区22'的类型不同。图4中的第一类型有源区22和第二类型有源区22'为相邻有源区，但在具体实施例中，两者并不必然为相邻有源区。是否相邻并不影响本发明要实现的技术效果。在具体实施例中，参照图4，对所述有源区进行离子注入的目的可以是形成阱区或者可以用来调制半导体器件的阈值电压。第一类型有源区22可以为P型有源区，第二类型有源区可以为N型有源区；或第一类型有源区22为N型有源区，第二类型有源区22'为P型有源区。或者第一类型有源区22和第二类型有源区22'均为P型有源区或N型有源区，但是对第一类型有源区22和第二类型有源区22'进行离子注入的离子的浓度、施加能量等参数不同，则最终在第一类型有源区22和第二类型有源区22'中分别形成的半导体器件的性能不同。因此，本发明中的第一类型有源区22和第二类型有源区22'的类型不同，不仅指需要进行离子注入的离子种类不同，还指进行离子注入的离子的浓度、施加的能量等参数不同，使得最终在两个有源区中形成的半导体器件不同。所以，本发明的有源区的离子注入方法并不构成对该方法的应用的限制，既可以应用到双阱工艺，也可适用实现调制阈值电压。在具体实施例中，所述半导体衬底20的材质为单晶硅或单晶硅锗，或者单晶掺碳硅；或者还可以包括其它的材料，本发明对此不做限制。在具体实施例中，所述形成浅沟槽隔离结构（STI）的方法为本领域技术人员所知的公知常识，在此不再赘述。参照图3和图8，执行步骤S32，在浅沟槽隔离结构21上形成图形化的吸光层231，所述图形化的吸光层231覆盖与第一类型有源区22相邻的浅沟槽隔离结构21。在具体实施例中，所述形成图形化的吸光层231的方法包括以下步骤：首先，参照图5，在半导体衬底20上沉积一层吸光层23。所述吸光层23可以用来吸收照射到其上的光线，其中，吸光层23对光的吸收量可以通过折射率（n）、消光系数（k）以及吸光层23的厚度来表示。而对吸光层23的n、k值与吸光层23选择的材料有关。在具体实施例中，吸光层23可以选择无机抗反射层，如电介质抗反射层（DielectricAnti-ReflectionCoating，DARC）。在特定实施例中，电介质抗反射层可以使用等离子体增强化学气相沉积（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD）方式生成。所述电介质抗反射层材料包括含氮氧化硅（SiON）、碳掺杂氧化硅（SiCO）或者氮化硅（SiN）。在具体实施例中，通过选择合适的吸光层23的材料，使得吸光层23的折射率n值的范围为1.5～2.5，消光系数k值的范围为0.3～2，可以达到最佳的对光的完全吸收。而对吸光层23的厚度，厚度越大，则吸光层23对光的吸收量越大。但针对具有特定范围n、k值的吸光层，吸光层23的厚度可以根据吸光层23所选材料的化学模拟确定合适的范围。在本实施例中，吸光层23的厚度范围为5nm～200nm。在具体实施例中，吸光层的选择并不局限于电介质抗反射层，对于其他能达到吸收光线的同样效果的其他材料也是可行的。接着，参照图6，在吸光层23上形成图形化的光刻胶层24，所述图形化的光刻胶层24定义第一类型有源区22相邻的浅沟槽隔离结构21的位置。所述形成图形化的光刻胶层24的方法包括：首先，在吸光层上23上形成一层光刻胶层，使用旋涂（spin-oncoating）、喷涂（spraycoating）、滴涂（dipcoating）、刷涂（brushcoating）或者蒸发，可以根据实际情况选择相应的方法。在该具体实施例中，采用旋转涂胶方法可以在所述吸光层上均匀地涂上液相光刻胶材料，光刻胶层的厚度需要保证在之后的刻蚀工艺中保护吸光层不受侵蚀，并起到掩膜作用。然后通过对准和曝光等一系列工艺过程得到图形化的光刻胶层24。在具体实施例中，曝光过程中的光源的波长范围为193nm～248nm，该范围的光源可以获得对光刻胶上较小特征尺寸的分辨率，其中，分辨率被定义为清晰分辨出硅片上间隔很近的特征图形对的能力（例如相等的线条和间距）。紧接着，参照图7，以图形化的光刻胶层24为掩膜刻蚀吸光层23，直至暴露第一类型有源区22和第二类型有源区22'时停止。其中，使用干法刻蚀工艺刻蚀吸光层23，并通过调整干法刻蚀的工艺参数来获得具有垂直边缘的图形化的吸光层231。最后，参照图8，去除图形化的光刻胶层24，在浅沟槽隔离结构21上形成了图形化的吸光层231。在具体实施例中，使用灰化工艺去除图形化的光刻胶层24。在具体实施例中，去除图形化的光刻胶层24后，由于在刻蚀吸光层23的过程中，吸光层23的残留物质会散落并覆盖第一类型有源区22、第二类型有源区22'，造成图形化的吸光层231的边缘延伸至第一类型有源区22、第二类型有源区22'，它改变了第一类型有源区22离子注入的窗口，这可能会影响到后续形成的半导体器件的性能。因此，参见图3，在执行步骤S32，形成图形化的吸光层231之后，执行步骤S33之前，接着对图形化的吸光层231进行回刻蚀，去除散落并覆盖第一类型有源区22、第二类型有源区22'上残留的吸光层，以实现对图形化的吸光层231的边缘进行拉回（pullback），以形成最佳的第一类型有源区22离子注入的窗口，并通过后续离子注入工艺，获得性能较佳的半导体器件。进一步，所述回刻蚀还可以起到平坦以及减薄图形化的吸光层231表面的作用。如果需要对图形化的吸光层进行回刻蚀，回刻蚀后最终形成的图形化的吸光层的厚度会相应减薄，因此在形成吸光层时，需要相应调整吸光层的厚度，确保最终形成的图形化的吸光层231的厚度范围为5nm~200nm。在另一实施例中，所述在浅沟槽隔离结构21上形成图形化的吸光层231的方法，包括步骤：首先，参照图9，在吸光层23上形成底部抗反射层（BARC，bottomanti-reflectioncoating）25，该底部抗反射层25的材料为有机材料。在具体实施例中，所述有机材料呈液态，形成底部抗反射层的方法可以为：利用旋涂或喷涂等方法在吸光层上涂覆有机材料层，接着对有机材料层进行软烘形成底部抗反射层。在本实施例中，有机材料的底部抗反射层具有很好的流动性，因此形成的底部抗反射层具有较均匀的表面。另外，在后续形成图形化的光刻胶层26（参照图10）的对光刻胶层进行曝光的过程，底部抗反射层可以起到抗反射的作用，进一步确保后续形成的图形化的光刻胶层26具有较高的分辨率。在具体实施例中，对形成底部抗反射层的工艺为本领域技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。接着，参照图10，在所述底部抗反射层25上形成图形化的光刻胶层26，图形化的光刻胶层26定义浅沟槽隔离结构21的位置。形成图形化的光刻胶层的方法为本领域技术人员所知，在此不再赘述。紧接着，参照图10和图11，以图形化的光刻胶层26为掩膜刻蚀底部抗反射层25，形成图形化的底部抗反射层251，之后以图形化的光刻胶层26和图形化的底部抗反射层251为掩膜刻蚀吸光层23，直至第一类型有源区22和第二类型有源区22'暴露时停止刻蚀。图形化的底部抗反射层251具有更加陡直的刻蚀边缘，以底部抗反射层251为掩膜刻蚀吸光层23可以得到具有较陡直刻蚀边缘的图形化的吸光层231。最后，参照图11和图8，去除图形化的光刻胶层26和图形化的底部抗反射层251，在浅沟槽隔离结构21上形成图形化的吸光层231。采用灰化工艺可以很方便的去除图形化的底部抗反射层251，不会对地类型有源区22和第二类型有源区22'造成损害。在本实施例中，还可以继续进行回刻蚀，使得第一类型有源区22具有更好的离子注入的窗口。参照图12和图3，执行步骤S33，形成图形化的掩膜层27，图形化的掩膜层27覆盖第二类型有源区22'、图形化的吸光层231，暴露第一类型有源区22。所述第一类型有源区22为后续需要进行离子注入的区域。其中的所述图形化的掩膜层27可选择图形化的光刻胶层，以光刻胶为例，对形成图形化的掩膜层的方法包括步骤：首先，在半导体衬底上旋涂形成一整层光刻胶层；然后，进行曝光、显影处理，形成图形化的光刻胶层。在本实施例中，在曝光过程中，由于图形化的吸光层231的存在，光源光线穿过光刻胶层入射到图形化的吸光层231上并被图形化的吸光层231吸收，避免了光源光线进入浅沟槽隔离结构21，避免光源光线在第一类型有源区22和浅沟槽隔离结构21的接触面上发生光反射，而造成对光刻胶层的边缘的过曝光，最终得到跟预定义的特征尺寸（CD）相同的图形化的光刻胶层27。进一步，在后续的离子注入过程，以该图形化的光刻胶层27为掩膜，就能达到对第一类型有源区22精确离子掺杂区域，即对第一类型有源区22的离子注入不会延伸到整个浅沟槽隔离结构21，甚至第二类型有源区22'。在本实施例中，第一类型有源区22和第二类型有源区22'的类型不同，需要进行离子注入的离子的种类、浓度等参数均不同，因此对第一类型有源区22的离子注入应避免对第二类型有源区22'造成额外注入。在曝光过程中的光源光线的波长范围为192nm～248nm，可以达到对较小特征尺寸光刻胶的精确曝光。最后，对曝光后的光刻胶层进行显影处理，形成图形化的光刻胶层。所述显影过程中，遭到曝光光线照射的光刻胶被溶解掉，将光刻胶的窗口图形留在半导体衬底上。本发明具体实施例中，图形化的掩膜层不限于图形化的光刻胶层，可以为本领域技术人员公知的其他图形化的掩膜层，但是形成图形化的掩膜层的过程中均需使用图形化的光刻胶层进行图形的定义，也会有本发明具体实施例中描述的过曝光问题，因此，可以利用本发明的方法防止过曝光问题的发生。继续参照图12和图3，执行步骤S34，以所述图形化的掩膜层27为掩膜对所述第一类型有源区22进行离子注入。所述离子注入的具体工艺条件等为本领域技术人员熟知的技术，在此不再赘述。在结束对第一类型有源区22的离子注入后，还要继续对第二类型有源区22'进行离子注入，所述方法可参照第一类型有源区22的离子注入，所述图形化的掩膜层覆盖第一类型有源区22和第二类型有源区22'的相邻浅沟槽隔离结构。当上述离子注入工艺全部完成后，要去除图形化的吸光层231。本实施例中使用电介质抗反射层作为吸光层，采用传统的湿法刻蚀或者干法刻蚀即可方便去除。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。