专利名称：离子扩散及半导体器件形成的方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件的制作方法，尤其涉及离子扩散及半导体器件形成的方法。
背景技术：
目前，在半导体衬底内注入离子形成源/漏极或者金属层中注入离子后，需要采 用热退火工艺激活离子使离子扩散均勻，并且修复离子注入过程中产生的缺陷。热退火工 艺在预定时间内将晶圆快速加热到设定温度，进行短时间快速热处理的方法，热处理时间 通常需要几分钟，工艺要求的温度为700 1300°C。现有在制作MOS晶体管过程中采用热退火工艺激活注入离子如图1至图4所示。 参考图1，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100中形成有隔离结构101，隔离结构101 之间的区域为有源区102 ；在有源区102的半导体衬底100中掺杂离子，形成掺杂阱103 ；在 有源区102的半导体衬底100上依次形成栅介质层104与栅极105，所述栅介质层104与栅 极105构成栅极结构106。如图2所示，以栅极结构106为掩模，在半导体衬底100内进行离子注入，在半导 体衬底100内形成源/漏极延伸区110 ；然后，将半导体衬底100放入退火炉内，将温度升 高至900°C 1000°C，退火时间为5秒 30秒，使注入的离子在半导体衬底100内扩散均 勻。如图3所示，在栅极结构106两侧形成侧墙112 ；以侧墙112及栅极结构106为掩 模，在栅极结构106两侧的半导体衬底100中进行离子注入，形成源/漏极114。最后，将半 导体衬底100放入退火炉内，将温度升高至900°C 1000°C，退火时间为5秒 30秒，进行 退火工艺，使注入的离子扩散均勻。现有在离子注入步骤以后采用热退火工艺使离子扩散均勻，热退火工艺需要在 600°C以上的温度下处理，退火时间为1 2分钟，才能使离子充分扩散。离子扩散速率慢， 温度高，形成半导体器件的效率降低。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种离子扩散及半导体器件形成的方法，增强退火工艺 的局部性以防止离子扩散范围的扩大，降低半导体器件的功能。为解决上述问题，本发明一种离子扩散的方法，包括向待注入层内注入离子，形 成离子注入层；将离子注入层放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快 速的达到均勻扩散。可选的，所述气体反应腔内的气体为氦气、氢气或氘气。所述气体反应腔内的温度 为 0°C 40°C。可选的，超声波在气体反应腔内的传输速率为970m/s 1350m/s。可选的，离子扩散时间为1秒 15秒。
本发明还提供一种半导体器件的形成方法，包括在半导体衬底上依次形成栅介 质层与栅极，所述栅介质层与栅极构成栅极结构；以栅极结构为掩模，在栅极两侧的半导体 衬底内进行离子注入，形成源/漏极延伸区；将注入离子的半导体衬底放入含有分子量比 空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均勻扩散；在栅极结构两侧形成侧墙后， 在栅极结构及侧墙两侧的半导体衬底内进行离子注入，形成源/漏极；将注入离子的半导 体衬底放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均勻扩散。可选的，所述气体反应腔内的气体为氦气、氢气或氘气。所述气体反应腔内的温度 为 0°C 40°C。可选的，超声波在气体反应腔内的传输速率为970m/s 1350m/s。可选的，离子扩散时间为1秒 15秒。可选的，所述源/漏极延伸区或源/漏极导电类型为η型，注入离子是η型离子。 所述η型离子为磷离子或砷离子。可选的，所述源/漏极延伸区或源/漏极导电类型为P型，注入离子是P型离子。 所述P型离子为硼离子或氟硼离子。与现有技术相比，本发明具有以下优点将离子注入层放入含有分子量比空气轻 的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均勻扩散。超声波在分子较轻的气体中传输速 度远比在空气或氮气中要快，在较短时间内即能使气体振动达到所需的能量。在振动能量 的驱使下离子能够快速的达到局部性的均勻扩散，提高半导体器件的性能，并且降低了工 艺成本，提高了工艺效率。进一步，超声波在气体中传输的速度与温度和气体的性质有关，与超声波的振幅、 频率、波长无关；其相关的参数为波速与绝热常数、绝对温度、气体常数的平方根成正比， 与气体分子质量的平方根成反比。其中，以氮气和氦气在室温摄氏23度，绝对温度296度 为例，声波的传输速率分别为350m/s与1010m/S，在氦气中的传输速度是氮气中的传输速 度的2. 9倍，在较短时间内即能使气体振动达到所需的能量。在振动能量的驱使下离子能 够快速的达到局部性的均勻扩散，提高半导体器件的性能。并且扩散速度加快，降低了工艺 成本，提高了工艺效率。
图1至图3是现有形成MOS晶体管过程中采用热退火工艺的示意图；图4是本发明一种离子扩散方法的具体实施方式
流程图；图5是本发明半导体器件形成方法的具体实施方式
流程图；图6是本发明在不同气体反应腔内超声波传输速率的示意图；图7至图12是本发明形成半导体器件过程中采用离子扩散工艺的实施例示意图。
具体实施例方式本发明离子注入层放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速 的达到均勻扩散。超声波在分子较轻的气体中传输速度远比在空气或氮气中要快，在较短 时间内即能使气体振动达到所需的能量。在振动能量的驱使下离子能够快速的达到局部性 的均勻扩散，提高半导体器件的性能，并且降低了工艺成本，提高了工艺效率。
图4是本发明一种离子扩散方法的具体实施方式
流程图。如图4所示，执行步骤 Si，向待注入层内注入离子，形成离子注入层。所述待注入层可以是半导体衬底、金属层或栅极等。通常，在半导体衬底中注入离 子的工艺可以是在形成掺杂阱、源/漏极延伸区及源/漏极的步骤中。执行步骤S2，将离子注入层放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使 离子快速的达到均勻扩散。所述气体反应腔内的气体为氦气、氢气或氘气。所述气体反应腔内的温度为0°C 40°C。其中，超声波在气体反应腔内的传输速率为970m/s 1350m/s。作为具体实施例如图6所示，所述气体反应腔内的气体为氦气时，所述气体反应 腔内的温度为0°c，超声波在气体反应腔内的速率为970m/s ；所述气体反应腔内的温度为 23°C，超声波在气体反应腔内的速率为1010m/S ；所述气体反应腔内的温度为40°C，超声波 在气体反应腔内的速率为1040m/s。所述气体反应腔内的气体为氢气，所述气体反应腔内的 温度为0°C，超声波在气体反应腔内的速率为1260m/s ；所述气体反应腔内的温度为23°C， 超声波在气体反应腔内的速率为1310m/s ；所述气体反应腔内的温度为40°C。其中，超声波 在气体反应腔内的速率为1350m/s。由于超声波在上述气体内的传输速率快，并且超声波在 传输不需要在高温下进行，节省了工艺步骤，提高了制作效率；另外，气体在超声波的作用 下产生振动，振动速率由超声波在气体中的传输速率决定，气体的振动促进离子在半导体 衬底或其它膜层中的扩散速度。图5是本发明半导体器件形成方法的具体实施方式
流程图。如图5所示，执行步 骤S11，在半导体衬底上依次形成栅介质层与栅极，所述栅介质层与栅极构成栅极结构；执 行步骤S12，以栅极结构为掩模，在栅极两侧的半导体衬底内进行离子注入，形成源/漏极 延伸区；执行步骤S13，将注入离子的半导体衬底放入含有分子量比空气轻的超声波气体 反应腔内，使离子快速的达到均勻扩散；执行步骤S14，在栅极结构两侧形成侧墙后，在栅 极结构及侧墙两侧的半导体衬底内进行离子注入，形成源/漏极；执行步骤S15，将注入离 子的半导体衬底放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均勻 扩散。下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。图7至图12是本发明形成半导体器件过程中采用离子扩散工艺的实施例示意图。 如图7所示，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200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201，所述隔离结构201为浅沟槽隔离(STI)结构或者局部氧化 硅(LOCOS)隔离结构。在隔离结构201之间为有源区202，在有源区202的半导体衬底200 中掺杂离子，形成掺杂阱203，如果是形成PMOS晶体管，则在半导体衬底200中掺杂η型离 子，形成η掺杂阱；而如果是形成NMOS晶体管，则在半导体衬底200中掺杂ρ型离子，形成 P掺杂阱。在有源区202的半导体衬底200上依次形成栅介质层204与栅极205，所述栅介质 层204与栅极205构成栅极结构206。具体形成工艺为用热氧化法或化学气相沉积法在 半导体衬底200上形成栅介质层204 ；接着用化学气相沉积法或低压等离子体化学气相沉 积或等离子体增强化学气相沉积工艺在栅介质层204上形成多晶硅层；在多晶硅层上形成 光刻胶层，定义栅极图案；以光刻胶层为掩膜，刻蚀多晶硅层及栅介质层204至露出半导体衬底，形成栅极205 ；灰化去除光刻胶层。所述栅介质层204的材料可以是氧化硅(SiO2)或氮氧化硅(SiNO)等。在65nm 以下工艺节点，栅极的特征尺寸很小，栅介质层204优选高介电常数(高K)材料。所述高 K材料包括氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化 钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛、氧化铝等。特别优选的是氧化铪、氧化锆和氧化铝。栅介质层 204的厚度为15埃到60埃。栅极205还可以是包含半导体材料的多层结构，例如硅、锗、金属或其组合。所述 栅极205的厚度为800埃到3000埃。如图8所示，以栅极结构206为掩膜，在栅极结构206两侧的半导体衬底200内进 行离子210注入，形成源/漏极延伸区208。本实施例中，在形成PMOS晶体管区域，向半导体衬底200内注入的是ρ型离子，所 述P型离子可以是硼离子或氟硼离子。在形成NMOS晶体管区域，向半导体衬底200内注入的是η型离子，所述η型离子 可以是磷离子或砷离子。如图9所示，将已经形成有源/漏延伸区208的半导体衬底200放入超声波气体 反应腔220内，超声波使气体反应腔220内的气体振动，加快注入离子的扩散速度，并且使 形成源/漏延伸区208的离子扩散均勻。其中，气体反应腔220内的气体可以为氦气、氢气 或氘气等；气体反应腔220内的温度为0°C 40°C ；超声波在气体反应腔220内的速率为 970m/s 1350m/so然后，参照附图10，在栅极结构206两侧形成侧墙212，所述侧墙的材料可以为氧 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 述侧墙为氧化硅-氮化硅-氧化硅共同组成，具体工艺为在半导体衬底200上以及栅极结 构206上用化学气相沉积法或物理气相沉积法依次形成第一氧化硅层、氮化硅层以及第二 氧化硅层；然后，采用干法蚀刻的回蚀(etch-back)方法蚀刻第二氧化硅层、氮化硅层以及 第一氧化硅层至露出半导体衬底200及栅极205表面，形成侧墙212。如图11所示，以栅极结构206及侧墙212为掩模，在栅极结构206两侧的半导体 衬底200中进行离子注入，形成源/漏极214。本实施例中，在形成PMOS晶体管区域，向半导体衬底200中注入的是ρ型离子，如 硼离子或氟硼离子等。本实施例中，在形成NMOS晶体管区域，向半导体衬底200中注入的是η型离子，如 磷离子或砷离子等。如图12所示，将已经形成有源/漏极214的半导体衬底200放入超声波气体反应 腔220内，超声波使气体反应腔220内的液体振动，加快注入离子的扩散速度，并且使形成 源/漏极214的离子扩散均勻。其中，气体反应腔220内的气体可以为氦气、氢气或氘气； 气体反应腔220内的温度为0°C 40°C ；超声波在气体反应腔220内的速率为970m/s 1350m/s。在其它实施例中，在将已形成有源/漏极214的半导体衬底200放入含有分子量 比空气轻的超声波气体反应腔220内，使离子快速的达到局部性的均勻扩散后，还可以继 续进行退火工艺，使离子扩散均勻度达到最佳。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，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。
权利要求
1.一种离子扩散的方法，其特征在于，包括向待注入层内注入离子，形成离子注入层；将离子注入层放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均 勻扩散。
2.如权利要求1所述离子扩散的方法，其特征在于，所述气体反应腔内的气体为氦气、 氢气或氘气。
3.如权利要求2所述离子扩散的方法，其特征在于，所述气体反应腔内的温度为0°C 40 "C。
4.如权利要求1所述离子扩散的方法，其特征在于，超声波在气体反应腔内的传输速 率为 970m/s 1350m/s。
5.如权利要求1所述离子扩散的方法，其特征在于，离子扩散时间为1秒 15秒。
6.一种半导体器件的形成方法，其特征在于，包括在半导体衬底上依次形成栅介质层与栅极，所述栅介质层与栅极构成栅极结构；以栅极结构为掩模，在栅极两侧的半导体衬底内进行离子注入，形成源/漏极延伸区；将注入离子的半导体衬底放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快 速的达到均勻扩散；在栅极结构两侧形成侧墙后，在栅极结构及侧墙两侧的半导体衬底内进行离子注入， 形成源/漏极；将注入离子的半导体衬底放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快 速的达到均勻扩散。
7.如权利要求6所述半导体器件的形成方法，其特征在于，所述气体反应腔内的气体 为氦气、氢气或氘气。
8.如权利要求7所述半导体器件的形成方法，其特征在于，所述气体反应腔内的温度 为 0°C 40°C。
9.如权利要求6所述半导体器件的形成方法，其特征在于，超声波在气体反应腔内的 传输速率为970m/s 1350m/s。
10.如权利要求6所述半导体器件的形成方法，其特征在于，离子扩散时间为1秒 15秒。
11.如权利要求6所述半导体器件的形成方法，其特征在于，所述源/漏极延伸区或源 /漏极导电类型为η型，注入离子是η型离子。
12.如权利要求11所述半导体器件的形成方法，其特征在于，所述η型离子为磷离子或 砷离子。
13.如权利要求6所述半导体器件的形成方法，其特征在于，所述源/漏极延伸区或源 /漏极导电类型为P型，注入离子是P型离子。
14.如权利要求13所述半导体器件的形成方法，其特征在于，所述P型离子为硼离子或 氟硼离子。
全文摘要
一种离子扩散及半导体器件形成的方法。其中离子扩散的方法，包括向待注入层内注入离子，形成离子注入层；将离子注入层放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均匀扩散。本发明超声波在分子量比空气轻的气体中传输速度远比在空气或氮气中要快，在较短时间内即能使气体振动达到所需的能量。在振动能量的驱使下离子能够快速的达到局部性的均匀扩散，提高半导体器件的性能，并且降低了工艺成本，提高了工艺效率。
文档编号H01L21/336GK102087962SQ200910199990
公开日2011年6月8日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者王津洲 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司