专利名称：Mos晶体管及其制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体领域，特别涉及MOS晶体管及其制作方法。
背景技术：
金属-氧化物-半导体(MOS)晶体管是半导体制造中的最基本器件，其广泛适用于各种集成电路中，根据主要载流子以及制造时的掺杂类型不同，分为NMOS和PMOS晶体管。现有技术提供了一种MOS晶体管的制作方法。请参考图1至图3，为现有技术的 MOS晶体管的制作方法剖面结构示意图。请参考图1，提供半导体衬底100，在所述半导体衬底100内形成隔离结构101，所述隔离结构101之间的半导体衬底100为有源区，在所述有源区内形成掺杂阱(未示出)， 在掺杂阱内进行调整阈值电压注入。然后，在所述隔离结构101之间的半导体衬底100上依次形成栅介质层102和栅极103，所述栅介质层102和栅极103构成栅极结构。继续参考图1，进行氧化工艺，形成覆盖所述栅极结构的氧化层104。参考图2，在栅极结构两侧的半导体衬底内依次形成源/漏延伸区105、包围所述源/漏延伸区105的袋状注入区108，所述源/漏延伸区105和袋状注入区108通过离子注入形成。所述袋状注入区108通过袋状(pocket)离子注入形成。袋状离子注入的离子的掺杂离子可以为磷离子(对于NMOS晶体管)或硼离子(对于PMOS晶体管)。参考图3，在栅极结构两侧的半导体衬底上形成栅极结构的侧墙111。进行源/漏极重掺杂注入(S/D)，在栅极结构两侧的半导体衬底100内形成源/漏极112，最后，进行退火工艺，激活源/漏延伸区105、袋状注入区108、源/漏极112的掺杂离子。在公开号为CN 101789447A的中国专利申请中可以发现更多关于现有技术的信肩、ο在实际中发现，现有方法制作的MOS晶体管存在瞬态增强扩散效应(Transistent Enhanced Diffusion, TED)的缺陷，所述瞬态增强扩散效应不仅造成了晶体管的短沟道效应(Short Channel effect, SCE)和反短沟道效应(Reverse Short Channel Effect, RSCE)，而且影响晶体管沟道迁移率、结电容以及结漏电流。因此，需要一种MOS晶体管的制作方法，能够抑制瞬态增强效应，抑制器件的短沟道效应和反短沟道效应。
发明内容
本发明解决的问题是提供了一种MOS晶体管的制作方法，减小了瞬态增强效应， 改善了器件的短沟道效应和反短沟道效应。为解决上述问题，本发明提供一种MOS晶体管的制作方法，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有栅极结构；
对所述栅极结构两侧的半导体衬底进行碳离子注入，形成缺陷吸附区；进行氧化工艺，形成覆盖所述栅极结构的氧化层；在栅极结构两侧的半导体衬底中依次形成源/漏延伸区、包围所述源/漏延伸区的袋状注入区，所述袋状注入区沿沟道长度方向的尺寸小于等于所述缺陷吸附区的尺寸。可选地，所述碳离子注入的倾斜角度为15 45度。可选地，所述碳离子注入的能量范围为2KeV 20KeV。可选地，所述碳离子注入的剂量范围为1E14 3E16/cnT2。可选地，所述碳离子注入为旋转角度注入，所述旋转角度注入的起始角度为0 45度。可选地，所述氧化工艺的温度为700 1200摄氏度，时间为10 100分钟。可选地，所述氧化工艺形成的氧化层的厚度1. 5 4纳米。本发明还提供一种MOS晶体管，包括半导体衬底，所述半导体衬底上具有栅极结构；源/漏延伸区，位于所述栅极结构两侧的半导体衬底中；袋状注入区，位于所述栅极结构两侧的半导体衬底中，所述袋状注入区包围所述源/漏延伸区；氧化层，覆盖所述栅极结构；缺陷吸附区，位于所述栅极结构两侧的半导体衬底中，所述缺陷吸附区沿沟道长度方向的尺寸大于等于所述袋状注入区的尺寸，所述缺陷吸附区通过离子注入形成，所述缺陷吸附区的掺杂离子为碳离子。可选地，所述氧化层的厚度1. 5 4纳米。与现有技术相比，本发明具有以下优点通过在栅极结构两侧的半导体衬底中注入碳离子，形成缺陷吸附区，所述缺陷吸附区中的碳离子能够有效吸附氧化工艺在半导体衬底内造成的缺陷，在袋状注入区和源/ 漏延伸区形成之前将氧化工艺形成的缺陷消除，从而有效预防后续袋状注入区和源/漏延伸区的掺杂离子随着缺陷扩散，消除了氧化增强扩散效应，抑制了瞬态增强扩散效应。进一步优化地，所述氧化工艺的温度为700 1200摄氏度，时间为10 100分钟， 利用氧化工艺对所述缺陷吸附区的掺杂离子进行退火，修复了碳离子注入对半导体衬底造成的损伤，并且退火使得碳离子在形成源/漏延伸区和袋状注入区之前，在半导体衬底中均勻分布，有利于碳离子充分吸收半导体衬底内的缺陷，并且避免碳离子与源/漏延伸区和袋状注入区的掺杂离子在同一退火步骤，对源/漏延伸区和袋状注入区的掺杂离子的分布有影响，因而本发明无需考虑源/漏延伸区和袋状注入区的掺杂离子与碳离子分布的关系，简化了工艺，有利于提高器件的稳定性。
图1至图3是现有技术的MOS晶体管的制作方法剖面结构示意图。图4是本发明的MOS晶体管制作方法流程示意图。图5 图8是本发明一个实施例的MOS晶体管制作方法剖面结构示意图。图9是本发明的MOS晶体管的沟道长度与阈值电压关系曲线图。
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图10是本发明MOS晶体管的漏极饱和电流与阈值电压关系曲线图。
具体实施例方式发明人发现，现有技术形成MOS晶体管的方法中，在形成源/漏延伸区和袋状注入区之前，进行氧化工艺，以在栅极结构外围形成氧化层对栅极进行保护，但是所述氧化工艺会在半导体衬底内形成缺陷，所述缺陷称为氧化增强扩散(Oxidation-Enhanced Diffusion,0ED)效应。由于氧化增强扩散效应引起的缺陷在后续的退火工艺中会扩散，使得源/漏延伸区和袋状注入区的掺杂离子随之扩散，引起了瞬态增强效应，增强了器件的短沟道效应和反短沟道效应。经过研究发明人发现，如果在栅极结构外围形成氧化层后，在袋状注入区进行离子注入，将非杂质离子(例如碳离子)注入半导体衬底，可以吸附由于氧化工艺在半导体衬底内造成的缺陷。但是非杂质离子注入本身会在半导体衬底内进一步引入缺陷，该缺陷也会影响源/漏延伸区和袋状注入区的杂质离子的分布。如果杂质离子与袋状注入区和源/ 漏延伸区的掺杂离子在同一退火步骤中激活，还会使得非杂质离子的分布影响袋状注入区和源/漏延伸区的掺杂离子分布，使得器件的掺杂离子分布过于复杂，不利于工艺和器件特性稳定性的控制。为了解决上述问题，发明人提出一种MOS晶体管的制作方法，请参考图4，为本发明的MOS晶体管制作方法流程示意图。所述方法包括步骤Si，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有栅极结构；步骤S2，对所述栅极结构两侧的半导体衬底进行碳离子注入，形成缺陷吸附区；步骤S3，进行氧化工艺，形成覆盖所述栅极结构的氧化层；步骤S4，在栅极结构两侧的半导体衬底中依次形成源/漏延伸区、包围所述源/漏延伸区的袋状注入区，所述袋状注入区沿沟道长度方向的尺寸小于等于所述缺陷吸附区的尺寸。下面将结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的描述。请参考图5 图 8，为本发明一个实施例的MOS晶体管制作方法剖面结构示意图。首先，请参考图5，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200内形成有隔离结构 201，所述隔离结构201之外的半导体衬底为有源区。位于隔离结构201之间的半导体衬底 200上依次形成有栅介质层202和栅极203，所述栅介质层202与栅极203构成栅极结构。其中，所述半导体衬底200可以为硅(Si)或绝缘体上硅(SOI)。所述隔离结构201 可以为浅沟槽隔离(STI)结构或者局部氧化硅(LOCOS)隔离结构。所述隔离结构201之外的半导体衬底200为有源区。所述有源区内还形成有掺杂阱(未示出)。所述掺杂阱通过扩散或离子注入的方法形成。所述掺杂阱的掺杂离子的类型与该有源区待形成的MOS晶体管的种类有关，若待形成的MOS晶体管的导电沟道为N型， 则所述掺杂阱内的掺杂离子为P型，例如可以为硼离子。若待形成的MOS晶体管的导电类型为P型，则所述掺杂阱内的掺杂离子为N型，例如为磷离子。所述栅介质层202可以为氧化硅(SiO2)或氮氧化硅(SiNO)。在65nm以下工艺节点，栅极的特征尺寸很小，栅介电层202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202的形成工艺可以采用本领域技术人员熟知的任何现有技术，比较优选的为化学气相沉积法，栅介质层202的厚度为15到60埃。所述栅极203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203的形成工艺可以采用本领域技术人员熟知的任何现有技术，比较优选的为化学气相沉积法，例如低压等离子体化学气相沉积或者等离子体增强化学气相沉积工艺。栅极 203的厚度为800到3000埃。然后，参考图6，对所述栅极结构两侧的半导体衬底200进行碳离子注入，形成缺陷吸附区213。在后续进行氧化工艺在栅极上形成氧化层时，缺陷吸附区213碳离子可以将半导体衬底内形成的缺陷吸附，与缺陷形成团簇，从而将缺陷定扎在碳离子周围，这样减小了自由缺陷的数目，避免缺陷在后续的退火激活源/漏延伸区和袋状注入区的掺杂离子扩散， 消除氧化增强扩散效应，减小了瞬态增强扩散效应。并且，由于缺陷与碳离子形成团簇，使得形成团簇的局部的半导体衬底形成不规则的晶格排列，从而使得整体上半导体衬底的原子排布更加规则，晶格更加有序，源/漏延伸区和袋状注入区的掺杂离子受到的散射减小， 从而所述掺杂离子的扩散率降低，进一步减小了瞬态增强扩散效应。发明人还发现，由于碳离子注入会造成栅极结构两侧的半导体衬底损伤，可以利用退火工艺对所述半导体衬底进行修复，并激活所述碳离子。所述退火工艺为炉管退火 (furnace anneal)或快速热退火(Rapid Thermal Anneal, RTA)。作为本发明的优选实施例，还可以利用后续在栅极结构形成氧化层的氧化工艺对碳离子进行退火，这样不仅节约了工艺步骤，而且可以修复半导体衬底的损伤，使得碳离子的排布均勻，并且更加有利于碳离子充分吸收氧化工艺产生的缺陷，避免碳离子的分布影响源/漏延伸区和袋状注入区的掺杂离子的分布。为了保证有效消除氧化扩散效应引起瞬态增强扩散效应，所述缺陷吸附区213沿沟道长度方向的尺寸应大于等于后续形成的源/漏延伸区和袋状注入区的尺寸，这样可以有效消除源/漏延伸区和袋状注入区的缺陷，避免源/漏延伸区和袋状注入区的离子随着缺陷扩散。缺陷吸附区213内产生的缺陷和扩散至缺陷吸附区213内的缺陷被碳离子吸附， 并且缺陷吸附区213的碳离子可以抑制源/漏延伸区和袋状注入区的掺杂离子扩散。通常，在碳离子注入前，需要利用掩膜版(mask)，进行光刻工艺，在半导体衬底 200上形成图案化的光刻胶，所述光刻胶露出部分半导体衬底；然后以所述光刻胶为掩膜， 对露出的半导体衬底进行离子注入，形成缺陷吸附区213。作为优选的实施例，所述碳离子注入利用现有的袋状注入区的掩膜版，进行光刻工艺，在半导体衬底200上形成光刻胶，所述光刻胶露出的半导体衬底区域与袋状注入区的位置相同。为了保证后续形成的缺陷吸附区213沿沟道方向的尺寸不小于袋状注入区的宽度，本发明在碳离子注入时，优选地选用大倾斜角度注入。本发明所述的离子注入的倾斜角度，具体是指，离子束线(ion beam)的方向与晶片法线方向的夹角。本发明所述的大倾斜角度，具体是指，碳离子注入的倾斜角度大于袋状注入区的离子注入的倾斜角度。以袋状注入区的离子注入的倾斜角度为15 35度为例，所述碳离子注入的倾斜角度为15 45度，优选为15 35度。作为其他的实施例，所述碳离子注入可以利用单独的掩膜版进行光刻，在半导体衬底上形成光刻胶，所述光刻胶露出的半导体衬底区域的尺寸大于袋状注入区的尺寸，所述碳离子注入的倾斜角度可以为0 45度。本领域技术人员可以进行具体的选择。作为本发明的一个实施例，所述碳离子注入为旋转角度注入。所述旋转注入的起始角度为0 45度。本发明所述的旋转角度注入具体是指，晶片在平行于其圆形表面的平面内旋转。作为一个实施例，所述旋转角度注入以晶片的起始角度开始，进行两次或四次旋转，每一次的旋转角度为180度或360度。作为其他的实施，所述旋转还可以为6次、8次等偶数次的旋转。作为一个实施例，所述碳离子注入的能量范围为IeV 20KeV。所述碳离子注入的深度范围为5 70纳米。所述碳离子注入的剂量范围为1E14 5E15/cnT2。然后，参考图7，进行氧化工艺，形成覆盖所述栅极结构的氧化层204。所述氧化工艺的温度为700 1200摄氏度，时间为10 100分钟。本实施例中所述氧化工艺时间范围为15分钟 40分钟。利用上述工艺条件，形成的氧化层的厚度为 1. 5 4纳米。所述氧化工艺会在整个半导衬底200表面形成氧化层，然后，需要进行刻蚀工艺， 去除位于栅极结构两侧的半导体衬底200上的氧化层，保留覆盖所述栅极结构的氧化层
204。所述氧化工艺将缺陷注入区213的碳离子退火，修复碳离子注入对半导体衬底造成的缺陷，并且使得碳离子形成一定的排布，避免碳离子与后续步骤形成的源/漏延伸区和袋状注入区内的掺杂离子一同退火，影响源/漏延伸区和袋状注入区内的掺杂离子的分布。然后，请参考图8，在栅极结构两侧的半导体衬底200中依次形成源/漏延伸区
205、包围所述源/漏延伸区的袋状注入区208，所述袋状注入区208沿沟道长度方向的尺寸小于所述缺陷吸附区213的尺寸，且所述袋状注入区208的沿沟道长度方向被缺陷吸附区 213包围。所述源/漏延伸区205的导电类型为N型或P型。所述源/漏延伸区205的掺杂离子可以为磷离子、砷离子、氟化硼离子、硼离子或者铟离子中的任意一种。具体根据待形成的MOS晶体管的类型而定。例如当晶体管为NMOS晶体管时，所述源/漏延伸区205的导电类型为N型(掺杂离子可以为磷离子、砷离子)；当晶体管为PMOS晶体管时，所述源/漏延伸区205的导电类型为P型(掺杂离子可以为氟化硼离子、硼离子或者铟离子)。作为一个实施例，所述源/漏延伸区205离子为硼离子，离子注入的能量范围为 2KeV至5KeV，离子注入剂量范围为5E14至2E15/cnT2。作为又一实施例，所述源/漏延伸
区205离子为磷离子，离子注入的能量范围为IKeV至4KeV，离子注入剂量为5E14至2E15/所述袋状注入区208通过袋状注入(Pocket implant)，一般所述袋状注入的倾斜角度为15 35度，袋状注入为旋转角度注入，所述旋转角度注入的起始角度为0 45度。 作为优选的实施例，所述袋状离子注入的起始角度与碳离子注入的起始角度相同，使得碳离子注入形成的缺陷吸附区的离子分布与袋状离子注入形成的袋状区离子分布更加匹配，更有利于抑制氧化增强效应。接着，参考图8，在栅极结构两侧的半导体衬底200内形成晶体管的源/漏极212 和栅极结构两侧的半导体衬底200上形成侧墙211。所述源/漏极212进行源/漏离子注入。所述源/漏离子注入的方法和侧墙的制作方法与现有技术相同，作为本领域技术人员公知技术，在此不作详细描述。最后，进行退火，将所述源/漏延伸区205、袋状注入区208、源/漏极212的掺杂离子激活。所述退火可以为炉管退火或快速热退火。作为一个实施例，所述退火为快速热退火。所述退火的温度范围为700 1200摄氏度，退火时间为10 120秒，退火气体为N2, 其流量范围为50 500sccm。经过上述方法，形成MOS晶体管，请参考图8，所述MOS晶体管包括半导体衬底200，所述半导体衬底200内形成有隔离结构201，相邻的隔离结构201 之外的半导体衬底为有源区；栅介质层202和栅极202，位于有源区上方，所述栅介质层202和栅极203构成栅极结构；侧墙211，位于所述栅极结构两侧的半导体衬底200上；源/漏极212，位于所述侧墙211 —侧的半导体衬底200内；源/漏延伸区205，位于所述栅极结构两侧的半导体衬底200内；袋状注入区208，位于所述栅极结构两侧的半导体衬底200内，所述袋状注入区 208包围所述源/漏延伸区205 ；氧化层204，覆盖所述栅极结构；缺陷吸附区213，位于所述栅极结构两侧的半导体衬底200中，所述缺陷吸附区 213沿沟道长度方向的尺寸大于所述袋状注入区208的尺寸，所述缺陷吸附区213通过离子注入形成，所述缺陷吸附区213的掺杂离子为碳离子。参考图9，为利用美国斯诺普斯(synopsys)公司的TCAD模拟软件，以NMOS器件为例，模拟现有技术的MOS晶体管与本发明所述的MOS晶体管的沟道长度与阈值电压的关系。横轴表示沟道长度，单位为微米；纵轴表示阈值电压，单位伏特。曲线1为对现有技术的NMOS器件模拟获得，曲线2为对本发明的NMOS器件模拟获得。从图可以看出，曲线1陡峭，而曲线2比曲线1平坦得多。这表明，现有技术的NMOS晶体管的栅极电压随着沟道长度的变化较为明显，与现有技术相比，本发明的NMOS晶体管的栅极电压随着沟道长度的变化不明显。本发明的NMOS晶体管随着沟道长度的变化，阈值电压的变化很小，本发明的NMOS 晶体管的控制阈值电压的能力较强，说明本发明的NMOS晶体管的有效抑制了氧化增强扩散效应和瞬态扩散增强效应，显著减小器件的短沟道效应和反短沟道效应。图10模拟现有技术的MOS晶体管与本发明所述的MOS晶体管漏极饱和电流与阈值电压关系，以NMOS晶体管为例。横坐标表示饱和漏极漏电流，单位为微安/微米，纵坐标表示阈值电压，单位为伏特。曲线1为对现有技术的NMOS器件模拟获得，曲线2为对本发明的NMOS器件模拟获得。曲线1陡峭，而曲线2比曲线1平坦。这表明，随着漏极饱和电流增加，现有技术的NMOS晶体管阈值电压变化显著，本发明的NMOS晶体管的阈值电压变化不显著，说明本发明NMOS晶体管的饱和漏极电流驱动能力强，氧化增强效应和瞬态氧化增强效应得到抑制，显著减小器件的短沟道效应和反短沟道效应。
综上，本发明提供的MOS晶体管及其制作方法，在栅极结构的氧化工艺之前在栅极结构的两侧的半导体衬底中注入碳离子，形成缺陷吸附区，所述缺陷吸附区消除氧化工艺在半导体衬底内形成的缺陷，将缺陷定扎，防止缺陷在退火时扩散，加剧源/漏延伸区和袋状注入区的掺杂离子扩散，抑制瞬态增强扩散效应；并且所述碳离子在氧化工艺时退火， 减小对半导体衬底造成的损伤，使得碳离子形成固定的分布，避免碳离子的分布影响源/ 漏延伸区和袋状注入区的掺杂离子分布，简化工艺，提高工艺的稳定性。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MOS晶体管的制作方法，其特征在于，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有栅极结构；对所述栅极结构两侧的半导体衬底进行碳离子注入，形成缺陷吸附区；进行氧化工艺，形成覆盖所述栅极结构的氧化层；在栅极结构两侧的半导体衬底中依次形成源/漏延伸区、包围所述源/漏延伸区的袋状注入区，所述袋状注入区沿沟道长度方向的尺寸小于等于所述缺陷吸附区的尺寸。
2.如权利要求1所述的MOS晶体管的制作方法，其特征在于，所述碳离子注入的倾斜角度为15 45度。
3.如权利要求1所述的MOS晶体管的制作方法，其特征在于，所述碳离子注入的能量范围为2KeV 20KeV。
4.如权利要求1所述的MOS晶体管的制作方法，其特征在于，所述碳离子注入的剂量范围为:1E14 3E16/cnT2。
5.如权利要求1所述的MOS晶体管的制作方法，其特征在于，所述碳离子注入为旋转角度注入，所述旋转角度注入的起始角度为0 45度。
6.如权利要求1所述的MOS晶体管的制作方法，其特征在于，所述氧化工艺的温度为 700 1200摄氏度，时间为10 100分钟。
7.如权利要求1所述的MOS晶体管的制作方法，其特征在于，所述氧化工艺形成的氧化层的厚度1.5 4纳米。
8.—种MOS晶体管，其特征在于，包括半导体衬底，所述半导体衬底上具有栅极结构；源/漏延伸区，位于所述栅极结构两侧的半导体衬底中；袋状注入区，位于所述栅极结构两侧的半导体衬底中，所述袋状注入区包围所述源/ 漏延伸区；氧化层，覆盖所述栅极结构；缺陷吸附区，位于所述栅极结构两侧的半导体衬底中，所述缺陷吸附区沿沟道长度方向的尺寸大于等于所述袋状注入区的尺寸，所述缺陷吸附区通过离子注入形成，所述缺陷吸附区的掺杂离子为碳离子。
9.如权利要求8所述的MOS晶体管，其特征在于，所述氧化层的厚度1.5 4纳米。
全文摘要
本发明提供一种MOS晶体管及其制作方法，所述方法包括提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有栅极结构；对所述栅极结构两侧的半导体衬底进行碳离子注入，形成缺陷吸附区；进行氧化工艺，形成覆盖所述栅极结构的氧化层；在栅极结构两侧的半导体衬底中依次形成源/漏延伸区、包围所述源/漏延伸区的袋状注入区，所述袋状注入区沿沟道长度方向的尺寸小于等于所述缺陷吸附区的尺寸。本发明在氧化工艺前形成碳离子，利用碳离子吸附氧化工艺形成的缺陷，消除了氧化增强扩散效应和瞬态扩散增强效应，改善了短沟道效应和反短沟道效应。
文档编号H01L21/336GK102376581SQ201010267478
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月24日 优先权日2010年8月24日
发明者赵猛 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司