一种晶体管及其形成方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其是涉及一种晶体管及其形成方法。

背景技术：

在一些应用于高压的晶体管中，需要在衬底表面形成外延层以隔离衬底内的有源区，同时阻挡来自衬底的噪音。特别地，在横向扩散金属氧化物半导体(laterallydiffusedmetal-oxidesemiconductor，ldmos)晶体管的设计中，外延晶片(wafer)的选择是一项非常耗时的工作，也不利于器件的优化。并且，外延晶片特殊的形成过程导致其价格十分昂贵。

为此，需要一种晶体管及其形成方法，以新的结构和工艺来取代外延层在晶体管中的作用，使工艺流程简单化且能达到相同的工艺参数。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种晶体管及其形成方法，不需要形成外延层即可达到隔离晶体管内的有源区，以满足高压器件的要求。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种晶体管及其形成方法，包括：提供衬底，所述衬底具有第一导电类型；在所述衬底中通过离子注入方式形成注入区，并进行退火工艺，使所述注入区从表面至表面以下预定深度处离子浓度分布均匀，所述注入区具有第二导电类型，所述第二导电类型与第一导电类型相反；在所述注入区区域形成ldmos晶体管。

可选地，所述注入区从表面至表面以下预定深度处离子浓度分布均匀，包括从所述注入区表面至表面以下4微米至6微米处的离子浓度变化范围不超过注入区表面浓度的30％。

可选地，所述离子注入包括第一离子注入和第二离子注入，所述第一离子注入的离子导电类型为第二导电类型，所述第二离子注入的离子导电类型为第一导电类型。

可选地，所述第二离子注入的深度是第一离子注入的深度的2/5至3/5。

可选地，所述第一离子注入的离子为磷离子，所述第二离子注入的离子为硼离子。

可选地，所述第一离子注入的注入能量范围是2mev至3mev，剂量范围是为1e13atom/cm²至2e13atom/cm²；所述第二离子注入的注入能量范围是300kev至600kev，剂量范围是6e12atom/cm²至1e13atom/cm²。

可选地，所述第二导电类型的离子与第一导电类型的离子的剂量差为4e12atoms/cm²。

可选地，所述第一离子注入的离子为硼离子，所述第二离子注入的离子为磷离子。

可选地，所述第一离子注入的能量范围是1mev至1.5mev，剂量范围是1e13atom/cm²至2e13atom/cm²；所述第二离子注入的能量范围是500kev至1mev，剂量范围是6e12atom/cm²至1e13atom/cm²。

可选地，所述第二导电类型的离子与第一导电类型的离子的剂量差为4e12atoms/cm²。

可选地，所述退火工艺包括：退火温度范围为1100摄氏度至1200摄氏度；退火时间为20小时至30小时；退火气氛包括氮气或惰性气体，所述氮气的流量为20标准升/分钟至30标准升/分钟。

为解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种晶体管，包括：衬底，所述衬底具有第一导电类型；位于所述衬底中的注入区，所述注入区从表面至表面以下预定深度处离子浓度分布均匀，所述注入区具有第二导电类型，所述第二导电类型与第一导电类型相反；位于所述注入区区域的ldmos晶体管。

可选地，所述注入区从表面至表面以下预定深度处离子浓度分布均匀，包括从所述注入区表面至表面以下4微米至6微米处的离子浓度变化范围不超过注入区表面浓度的30％。

可选地，所述注入区与所述衬底之间形成pn结，所述pn结的结深为8微米至10微米。

可选地，从所述注入区表面至pn结处的第二导电类型离子浓度变化范围为6e15atom/cm³至5e13atom/cm³；从所述注入区表面至注入区表面以下4微米至6微米处的第二导电类型离子的浓度分布变化范围为6e15atom/cm³至4e15atom/cm³。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明实施例通过在衬底中以第一离子注入和第二离子注入的方式形成注入区，并通过退火工艺使所述注入区内的离子分布均匀，以此来取代在衬底表面形成外延层的工艺，达到了与外延层相同的隔离效果及离子分布水平。并且，在衬底内形成注入区的工艺相比于现有技术中外延层的形成工艺，极大地简化了工艺流程，降低了工艺成本。

附图说明

图1至图2是本发明一实施例的晶体管的形成方法各步骤对应的剖面结构示意图；

图3是本发明一实施例的晶体管的离子浓度分布曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种晶体管及其形成方法，下面结合附图加以详细的说明。

图1至图2是本发明一实施例的晶体管的形成方法各步骤对应的剖面结构示意图。

参考图1，提供衬底100，在所述衬底100内形成注入区110。

所述衬底100可以为硅衬底、锗衬底、碳化硅衬底或锗硅衬底。在本实施例中，所述衬底100为单晶硅衬底。

所述衬底100为第一导电类型，所述注入区110具有第二导电类型，所述第二导电类型与第一导电类型相反，所述注入区110与所述衬底100之间形成pn结。

所述注入区110采用离子注入的工艺形成，所述离子注入的工艺包括第一离子注入和第二离子注入。所述第一离子注入的离子导电类型为第二导电类型，所述第二离子注入的离子导电类型为第一导电类型。所述第一离子注 入的第二导电类型的离子的浓度大于所述第二离子注入的第一导电类型的离子的浓度。所述第二离子注入的深度是第一离子注入的深度的2/5至3/5。

需要说明的是，在进行第一离子注入和第二离子注入之后，所述注入区110内的离子浓度呈高斯分布。本发明实施例中，所述第一离子注入的深度与第二离子注入的深度是指高斯分布中的峰值位置。

若所述衬底的导电类型为p型，所述注入区为n型，所述第一离子注入的离子可以为磷离子，所述第二离子注入的离子可以为硼离子。在一个实施例中，所述衬底100的离子浓度范围为1e15atom/cm³至2e15atom/cm³；所述第一离子注入的磷离子的注入能量范围为2mev至3mev，剂量为1e13atom/cm²至2e13atom/cm²；所述第二离子注入的硼离子的注入能量范围为300kev至600kev，剂量范围为5e12atom/cm²至1e13atom/cm²。

在一个实施例中，所述p型衬底100的离子浓度为1.5e15atom/cm³；所述第一离子注入的磷离子的注入能量为2.5mev，剂量为1.3e13atom/cm²；所述第二离子注入的硼离子的注入能量为500kev，剂量为9e12atom/cm²。

若所述衬底的导电类型为n型，所述注入区为p型，所述第一离子注入的离子可以为硼离子，所述第二离子注入的离子可以为磷离子。在一个实施例中，所述n型衬底100的离子浓度范围为1e15atom/cm³至2e15atom/cm³；所述第一离子注入的硼离子的注入能量范围为1mev至1.5mev，剂量范围是1e13atom/cm²至2e13atom/cm²；所述第二离子注入的磷离子的注入能量范围是500kev至1mev，剂量范围是5e12atom/cm²至1e13atom/cm²。

在一个实施例中，所述衬底100的离子浓度为1.5e15atom/cm³；所述第一离子注入的硼离子的注入能量为1mev，剂量为1.3e13atom/cm²；所述第二离子注入的磷离子的注入能量为900kev，剂量为9e12atom/cm²。

在形成注入区110之后，还包括进行退火工艺使所述注入区110内的离子分布均匀。所述退火工艺的退火温度范围为1100摄氏度至1200摄氏度，退火时间范围为20小时至30小时，退火气氛包括氮气或惰性气体，所述惰性气体可以为氩气，所述氮气的流量为20标准升/分钟至30标准升/分钟。

在本发明一个实施例中，所述退火工艺的退火温度为1150摄氏度，退火 时间范围为24小时，退火气氛为氮气，所述氮气的流量为25标准升/分钟。

在所述退火工艺之后，能够实现所述注入区从表面至表面以下预定深度处离子浓度分布均匀，因而所述注入区适合作为外延层使用。具体地，从所述注入区110表面至表面以下4微米至6微米处的离子浓度变化范围不超过注入区110表面浓度的30％。

在一个实施例中，从所述注入区表面至表面以下4微米处的第二导电类型离子的浓度分布变化范围为6e15atom/cm³至4.5e15atom/cm³。

在另一个实施例中，从所述注入区表面至表面以下6微米处的第二导电类型离子的浓度分布变化范围为5.5e15atom/cm³至4.2e15atom/cm³。

需要说明的是，为使所述注入区110与衬底100形成的pn结具有与在衬底100上形成外延层时，外延层与衬底所形成的pn结具有相同的结深，本发明实施例还包括使所述第一离子注入和第二离子注入的剂量差呈固定数值。具体地，在本发明一个实施例中，所述第一离子注入和第二离子注入的剂量差为4e12atom/cm²。

需要说明的是，所述第一离子注入与第二离子注入工艺的顺序可以颠倒，即形成所述注入区可以依次采用第一离子注入、第二离子注入工艺；也可以依次采用第二离子注入、第一离子注入工艺。

参考图2，在所述注入区110区域形成ldmos晶体管。

所述注入区110区域包括注入区110内的区域及注入区110表面以上的区域。形成所述ldmos晶体管的方法包括：在所述注入区110内的区域形成漂移区120和体区130；在所述漂移区120内形成第一隔离结构121，在所述体区130内形成第二隔离结构131；在所述注入区110表面以上的区域形成栅极结构140；分别在所述体区130和漂移区120内形成源区133和漏区122。

在形成源区133之前，还包括在所述体区130内形成轻掺杂区132；在形成源区133与漏区122之后，还包括在所述第二隔离结构131远离所述源区133一侧的注入区110内形成体接触区134，所述体接触区134形成于所述体区130内；所述轻掺杂区132和体接触区134之间通过第二隔离结构131相隔离。

本发明实施例所述晶体管可以是n型ldmos晶体管或p型ldmos晶体管，但不限于是ldmos晶体管，还可以是其他高压晶体管。

相应地，本发明实施例还提供一种采用上述方法所形成的晶体管的结构。

继续参考图2，所述晶体管包括：衬底100，所述衬底100具有第一导电类型；注入区110，位于所述衬底100中，所述注入区110从表面至表面以下预定深度处离子浓度分布均匀，所述注入区110具有第二导电类型，所述第二导电类型与第一导电类型相反；ldmos晶体管，位于所述注入区110内。

其中，从所述注入区110表面至表面以下4微米至6微米处的离子浓度变化范围不超过注入区110表面浓度的30％；所述注入区110与所述衬底100之间形成pn结，形成所述pn结的结深范围为8微米至10微米。

在一个实施例中，所述衬底100为单晶硅衬底，从所述注入区110表面至表面以下4微米处的第二导电类型离子的浓度分布变化范围为6e15atom/cm³至4.5e15atom/cm³；所述注入区110与所述衬底100之间形成pn结的结深为8.8微米，从所述注入区110表面至pn结处的第二导电类型离子浓度变化范围为6e15atom/cm³至5e13atom/cm³。

在另一个实施例中，所述衬底100为单晶硅衬底，从所述注入区110表面至表面以下6微米处的第二导电类型离子的浓度分布变化范围为5.5e15atom/cm³至4.2e15atom/cm³；所述注入区110与所述衬底100之间形成pn结的结深为9.2微米，从所述注入区110表面至pn结处的第二导电类型离子浓度变化范围为5.5e15atom/cm³至8e13atom/cm³。

所述ldmos晶体管包括：漂移区120和体区130，位于所述注入区110内；栅极结构140，覆盖部分所述体区130和部分所述漂移区120；源区133，位于所述栅极结构140一侧的注入区110内，且所述源区133位于所述体区130内；漏区122，位于所述栅极结构140另一侧的注入区110内，且所述漏区122位于所述漂移区120内。

在一些实施例中，所述ldmos晶体管还包括位于所述漂移区120内的第一隔离结构121、位于所述体区130内的第二隔离结构131。所述源区133 位于所述栅极结构140与所述第二隔离结构131之间，所述漏区122位于所述第一隔离结构121远离所述栅极结构140的一侧。

在一些实施例中，所述ldmos晶体管还包括轻掺杂区132，所述轻掺杂区132位于所述第二隔离结构131与所述源区133之间。

在一些实施例中，所述ldmos晶体管还包括体接触区134，所述体接触区134位于所述第二隔离结构131远离所述源区133一侧的注入区110内，且所述体接触区134位于所述体区130内。

参考图3，为本发明一实施例的晶体管的离子浓度分布曲线图。横坐标为对掺杂离子的浓度取对数(浓度的单位为atom/cm³)，纵坐标为距离晶体管衬底表面的深度(单位为μm)。拟合曲线200是本发明实施例通过在衬底内形成注入区所形成的晶体管的的离子浓度分布曲线图；拟合曲线210是现有技术中通过在衬底上形成外延层所形成的晶体管的离子浓度分布曲线图。通过比较拟合曲线200和拟合曲线210可知，本发明实施例的晶体管的离子浓度分布与现有技术形成的晶体管的离子浓度分布可以达到近似重合，说明本发明实施例在衬底内以离子注入的方式形成注入区，可以取代在衬底表面形成外延层的工艺，极大地简化了工艺流程，降低了工艺成本。

此外，本发明实施例的晶体管的表面(具体为衬底表面以下0.2微米范围内)的掺杂离子的浓度差近似为1e16atom/cm³，相比于采用现有技术中形成的晶体管的表面掺杂离子浓度差大于1e17atom/cm³而言，对后续器件特性所带来的影响较小。

需要说明的是，拟合曲线200在接近衬底表面处，离子浓度有陡升，引起这一现象的原因是硼在衬底中的扩散速率大于磷的扩散速率，而且由于硼容易钻入衬底表面的氧化层二氧化硅、磷则易被吸附在衬底表面的氧化层二氧化硅表面，致使衬底表面磷的浓度高于硼。这一现象可以通过后期在衬底表面进行浅深度的阱离子注入来调节阈值电压，从而使衬底表面的离子浓度恢复正常水平。

综上所述，采用本实施例的形成方法所形成的晶体管，其中注入区与衬底所形成的pn结的结深，可达到与在衬底上形成外延层时所形成的pn结相 同的结深；并且本实施例中所述pn结内的离子分布水平在经退火工艺之后与通过外延层工艺形成的pn结内的离子分布水平具有很好的一致性。此外，本发明实施例的形成方法所形成的晶体管的表面(表面以下0.2微米范围内)掺杂离子的浓度差近似为1e16atom/cm³，对后续器件特性所带来的影响较小。因此，本发明实施例的注入区可以被当做外延层使用，在其中形成ldmos等高压晶体管。在衬底内形成注入区的工艺相比于现有技术中外延层的形成工艺，极大地简化了工艺流程，降低了工艺成本。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。