专利名称：Mos晶体管的形成方法及其阈值电压调节方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，尤指一种MOS晶体管的形成方法及其阈值电压 调节方法。
背景技术：
目前，由于集成电路的集成度越来越高，器件的尺寸越来越小，器件的特征尺寸 (CD)从0. 13μπι向0. ΙΟμπι以下的区域进行开发。随着半导体器件向高密度和小尺寸发 展，金属一氧化物一半导体(MOS)器件是主要的驱动力。阈值电压(Vt)和驱动电流(Id) 是MOS晶体管的两个重要的电参数，也是在制造工艺中的重要控制参数。不同的核心电路 (Core)和输/入/输出电路(IO)具有不同的Vt和Id性能需求。现有技术中，通常通过控制栅氧化层、沟道区域、阱区域、源/漏延伸区的掺杂形 状、袋形注入(pocket implant)区以及源/漏极注入形状和热预算等等来获得预料的性能 需求。最常见的是改变离子注入类型、能量和剂量，以及改变栅氧化层厚度两种方式，但是 无论哪种方法，都需要利用光罩，这样，会用到不同的光罩来定义不同的器件区域，使得整 个MOS晶体管的制作工艺变得更加复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种MOS晶体管的形成方法，能够简单、灵 活地调节阈值电压。本发明的另一目的在于提供一种MOS晶体管的阈值电压调节方法，能够实现阈值 电压简单、灵活的调节。为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的一种MOS晶体管的形成方法，包括在半导体衬底上直接进行离子注入，形成用于调节阈值电压的离子扩散区；在半导体衬底上形成栅极结构；在栅极结构两侧、半导体衬底中进行离子注入以形成袋状注入区、源和漏延伸区， 以及源和漏极，将半导体衬底进行退火。所述形成方法还包括在形成所述离子扩散区之前，在半导体衬底中形成隔离结构；或者，在形成所述离子扩散区之后，形成栅极结构之前，在半导体衬底中形成隔离 结构。所述MOS晶体管为NMOS晶体管，所述栅极结构中的多晶硅片厚度为75nm 120nm，形成所述离子扩散区而注入的离子为P型离子，其能量范围为50KeV 200KeV，注入 的剂量范围为3e IlcnT2 2el2cnT2。所述第二离子为硼离子。所述MOS晶体管为PMOS晶体管，所述栅极结构中的多晶硅片厚度范围为75nm 120nm,形成所述离子扩散区而注入的离子为N型离子，其能量范围为IOOKeV 400KeV，注 入的剂量范围为3e IlcnT2 2el2cnT2。所述第二离子为磷离子。所述袋形注入区的深度界于源/漏延伸区与源/漏极之间，所述袋形注入区的导 电类型与源/漏延伸区或源/漏极的导电类型相反。在形成源/漏极步骤之前，还包括在栅极结构两侧、半导体衬底上形成侧墙步骤。一种MOS晶体管的阈值电压调节方法，该方法包括在半导体衬底上形成栅极结构之前，在半导体衬底未覆盖光阻状态下进行离子注 入，形成用于调节阈值电压的离子扩散区；在栅极结构两侧、半导体衬底中进行离子注入以形成袋状注入区、源/漏延伸区 和源/漏极，将半导体衬底进行退火；形成所述离子扩散区而注入的离子的能量和剂量，根据MOS晶体管的阈值电压确定。还包括在形成所述离子扩散区之前，在半导体衬底中形成隔离结构；或者，在形成所述离子扩散区之后，形成栅极结构之前，在半导体衬底中形成隔离 结构。所述MOS晶体管为NMOS晶体管，所述栅极结构中的多晶硅片厚度为75nm 120nm，形成所述离子扩散区而注入的离子为P型离子，其能量范围为50KeV 200KeV，注入 的剂量范围为3e IlcnT2 2el2cnT2。所述第二离子为硼离子。所述MOS晶体管为PMOS晶体管，所述栅极结构中的多晶硅片厚度范围为75nm 120nm,形成所述离子扩散区而注入的离子为N型离子，其能量范围为IOOKeV 400KeV，注 入的剂量范围为3e IlcnT2 2el2cnT2。所述第二离子为磷离子。由上述技术方案可见，本发明在半导体衬底上形成栅极结构之前，在半导体衬底 未覆盖光阻状态下进行离子注入，形成用于调节阈值电压的离子扩散区；在栅极结构两侧、 半导体衬底中进行离子注入以形成袋状注入区、源/漏延伸区和源/漏极，将半导体衬底进 行退火。形成所述离子扩散区而注入的离子的能量和剂量，根据MOS晶体管的阈值电压确 定。本发明方法不需要增加额外的光罩即可增加对MOS晶体管阈值电压的调节，而对其它 器件的影响很小以至于可以忽略。缩短了制程工艺周期，节省了成本。进一步地，在形成所述离子扩散区之前，在半导体衬底中形成隔离结构；或者，在 形成所述离子扩散区之后，形成栅极结构之前，在半导体衬底中形成隔离结构。
图Ia 图If是本发明以NMOS晶体管为实施例的MOS晶体管的形成方法的示意图。
具体实施例方式尽管下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应当理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。 因此，下列的描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛教导，而并不作为对本发明的 限制。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下列说明和权利要求书本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非 精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。应用本发明方法形成MOS晶体管的步骤包括在半导体衬底上形成栅极结构之 前，在半导体衬底未覆盖光阻状态下进行离子注入，形成用于调节阈值电压的离子扩散区； 在栅极结构两侧、半导体衬底中进行离子注入以形成袋状注入区、源/漏延伸区和源/漏 极，将半导体衬底进行退火。当MOS晶体管为PMOS时，注入的第二离子为N型离子，如磷离 子、砷离子等；当MOS晶体管为NMOS时，注入的第二离子均为P型离子，如硼离子等。形成 离子扩散区而注入的离子的注入深度(能量)和剂量，决定了离子扩散区的厚度和浓度大 小，与需要调节的阈值电压有关系，即由MOS晶体管的阈值电压确定。还包括在形成所述离子扩散区之前，在半导体衬底中形成隔离结构；或者，在形成 所述离子扩散区之后，形成栅极结构之前，在半导体衬底中形成隔离结构。本发明方法不需要增加额外的光罩即可增加对某类别器件阈值电压的调节，而对 其它器件的影响很小以至于可以忽略。下面以NMOS晶体管的形成过程为例，结合图Ia 图If，举实施例对本发明方法进 行详细描述。参照附图la，提供半导体衬底100，半导体衬底100可以为硅或者绝缘体上硅 (SOI)。在半导体衬底中形成隔离结构101，隔离结构101为浅沟槽隔离(STI)结构或者局 部氧化硅(LOCOS)隔离结构。在半导体衬底100中还形成有各种阱(well)结构与衬底表 面的栅极沟道层。一般来说，形成阱(well)结构的离子掺杂导电类型与栅极沟道层离子掺 杂导电类型相同，但是浓度较栅极沟道层低，离子注入的深度范围较广，同时需达到大于隔 离结构101的深度。为了简化，图Ia 图If中仅示出一空白半导体衬底100图示。接着，进行离子注入，形成用于调节阈值电压的离子扩散区。形成离子扩散区而注 入的离子的注入深度(能量)和剂量，决定了离子扩散区的厚度和浓度大小，与需要调节的 阈值电压有关系，即由MOS晶体管的阈值电压确定。这里强调的是本发明在NMOS晶体管的形成过程中，在半导体衬底上形成栅极结 构之前，增加形成离子扩散区的离子注入的工艺，以简单，灵活地调节阈值电压。注入的离 子为P型离子，如硼离子等。离子的注入能量和剂量与需要调节的阈值电压有关系。作为本发明的一个实施方式，形成离子扩散区107的注入硼离子的能量为 50KeV 200KeV，注入的剂量范围为3ellCm_2 2e12cm_2。所述栅极结构中的多晶硅片厚 度为 75nm 120nm。在PMOS晶体管的形成过程中，注入的离子为N型离子。作为本发明的一个实施 方式，形成离子扩散区107的注入磷离子的能量为IOOKeV 400KeV，注入的剂量范围为 3ellcm"2 2e12cnT2。所述栅极结构中的多晶硅片厚度范围为75nm 120nm。根据注入能量和剂量如何确定MOS晶体管的阈值电压属于本领域技术人员惯用 技术手段，这里不再赘述。本发明强调的是，在半导体衬底上形成栅极结构之前，在半导体衬底未覆盖光阻状态下增加形成离子扩散区的离子注入的工艺，对形成所述离子扩散区而 注入的离子注入的剂量和能量进行恰当的选取，实现了对不同尺寸的器件进行有效的阈值 电压调节即几乎平行调节不同尺寸的某种器件阈值电压而几乎不对其它器件产生影响，从 而灵活性，缩短了制程工艺周期，节省了成本。参照附图lb，在半导体衬底100上依次形成栅介质层102与多晶硅栅103，栅介质 层102与多晶硅栅103构成栅极结构。然后，进行氧化步骤，在多晶硅栅104外围形成氧化 硅层104以便保护多晶硅栅103的边缘。参照附图lc，在形成的栅极结构两侧、半导体衬底100中进行离子注入即袋形注 入(Pocket implant) 110，袋形注入110 —般采用角度介于0至45度的离子注入，形成袋形 注入区105。袋形注入区105的深度界于后续待形成的源/漏延伸区与源/漏极之间，其导 电类型与后续待形成的源/漏延伸区或源/漏极的导电类型相反，即为P型。参照附图ld，在栅极结构两侧、半导体衬底100中进行离子注入111，形成源/漏 延伸区106。源/漏延伸区106的形成为本技术领域人员公知技术，这里不再详述。源/漏 延伸区106的导电类型为N型，即第一离子注入111注入的离子为磷(P)离子或者砷(As) 罔子。参照附图le，在栅极结构两侧、半导体衬底100上形成侧墙108，侧墙108可以 为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中一种或者它们组合构成。作为本实施例的一个优化实施方 式，所述侧墙108为氧化硅、氮化硅共同组成，具体工艺大致为在半导体衬底100上以 及氧化硅层104上形成第一氧化硅层、第一氮化硅层以及第二氧化硅层，然后采用蚀刻 (etch-back)方法形成侧墙。参照附图If，在栅极结构两侧、半导体衬底100中进行源/漏极注入，形成源/漏 极109。所述源/漏极109为N型，即源/漏极注入的离子为磷(P)离子或者砷(As)离子。最后，将半导体衬底100进行退火，使注入的各种离子扩散均勻。基于上述工艺实施后，如图lf，形成的NMOS晶体管包括位于半导体衬底100上 的栅极结构；位于栅极结构两侧、半导体衬底100中的源/漏延伸区106以及源/漏极109 ； 还包括位于栅极结构下方，形成栅极结构之前通过离子注入而形成的离子扩散区107。本发明中，离子扩散区107的形成还可以在隔离结构之前形成。本发明方法同样适用于PMOS晶体管，只要形成栅极结构之前，在半导体衬底未覆 盖光阻状态下进行离子注入，形成用于调节阈值电压的离子扩散区即可。对于PMOS晶体 管，注入的形成离子扩散区的离子为N型离子，如磷离子、砷离子等。离子注入的能量范围 为IOOKeV 400KeV，注入的剂量范围为3ellCnT2 2e12cnT2。所述栅极结构中的多晶硅片 厚度范围为75nm 120nm。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种MOS晶体管的形成方法，其特征在于，包括在半导体衬底上直接进行离子注入，形成用于调节阈值电压的离子扩散区；在半导体衬底上形成栅极结构；在栅极结构两侧、半导体衬底中进行离子注入以形成袋状注入区、源和漏延伸区，以及源和漏极，将半导体衬底进行退火。
2.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述形成方法还包括在形成所述离子扩散区之前，在半导体衬底中形成隔离结构；或者，在形成所述离子扩散区之后，形成栅极结构之前，在半导体衬底中形成隔离结构。
3.根据权利要求1或2所述的形成方法，其特征在于，所述MOS晶体管为NMOS晶体管， 所述栅极结构中的多晶硅片厚度为75nm 120nm，形成所述离子扩散区而注入的离子为P 型离子，其能量范围为50KeV 200KeV，注入的剂量范围为3ellCnT2 2θ12οιΓ2。
4.根据权利要求3所述的形成方法，其特征在于，所述第二离子为硼离子。
5.根据权利要求1或2所述的形成方法，其特征在于，所述MOS晶体管为PMOS晶体管， 所述栅极结构中的多晶硅片厚度范围为75nm 120nm，形成所述离子扩散区而注入的离子 为N型离子，其能量范围为IOOKeV 400KeV，注入的剂量范围为3ellCnT2 2Θ12οιΓ2。
6.根据权利要求5所述的形成方法，其特征在于，所述第二离子为磷离子。
7.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述袋形注入区的深度界于源/漏延 伸区与源/漏极之间，所述袋形注入区的导电类型与源/漏延伸区或源/漏极的导电类型 相反。
8.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在形成源/漏极步骤之前，还包括在 栅极结构两侧、半导体衬底上形成侧墙步骤。
9.一种MOS晶体管的阈值电压调节方法，其特征在于，该方法包括在半导体衬底上形成栅极结构之前，在半导体衬底未覆盖光阻状态下进行离子注入， 形成用于调节阈值电压的离子扩散区；在栅极结构两侧、半导体衬底中进行离子注入以形成袋状注入区、源/漏延伸区和源/ 漏极，将半导体衬底进行退火；形成所述离子扩散区而注入的离子的能量和剂量，根据MOS晶体管的阈值电压确定。
10.根据权利要求9所述的阈值电压调节方法，其特征在于，还包括在形成所述离子扩散区之前，在半导体衬底中形成隔离结构；或者，在形成所述离子扩散区之后，形成栅极结构之前，在半导体衬底中形成隔离结构。
11.根据权利要求9或10所述的形成方法，其特征在于，所述MOS晶体管为NMOS晶体 管，所述栅极结构中的多晶硅片厚度为75nm 120nm，形成所述离子扩散区而注入的离子 为P型离子，其能量范围为50KeV 200KeV，注入的剂量范围为3ellCnT2 2Θ12οιΓ2。
12.根据权利要求11所述的形成方法，其特征在于，所述第二离子为硼离子。
13.根据权利要求9或10所述的形成方法，其特征在于，所述MOS晶体管为PMOS晶体 管，所述栅极结构中的多晶硅片厚度范围为75nm 120nm，形成所述离子扩散区而注入的 离子为N型离子，其能量范围为IOOKeV 400KeV，注入的剂量范围为3ellCnT2 2Θ12οιΓ2。
14.根据权利要求13所述的形成方法，其特征在于，所述第二离子为磷离子。
全文摘要
本发明公开了一种MOS晶体管的形成方法及其阈值电压调节方法，MOS晶体管的形成方法包括在半导体衬底上直接进行离子注入，形成用于调节阈值电压的离子扩散区；在半导体衬底上形成栅极结构，在栅极结构两侧、半导体衬底中进行离子注入以形成袋状注入区、源和漏延伸区，以及源和漏极，将半导体衬底进行退火。形成所述离子扩散区而注入的离子的能量和剂量，根据MOS晶体管的阈值电压确定。本发明方法不需要增加额外的光罩来单独进行不同尺寸器件阈值电压的平行调节，从而实现了简单、灵活地对阈值电压的调节，缩短了制程工艺周期，节省了成本。
文档编号H01L21/324GK101826464SQ20091004688
公开日2010年9月8日 申请日期2009年3月2日 优先权日2009年3月2日
发明者神兆旭 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司