专利名称：半导体结构及其制造方法
技术领域：
本发明一般地涉及半导体制造技术领域，更具体地涉及包含一种半导体结构及其制造方法。
背景技术：
集成电路技术的一个重要发展方向是按比例缩小金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的尺寸，以提高集成度和降低制造成本。然而，随着MOSFET尺寸的减小会产生短沟道效应。众所周知的是，利用超陡后退阱(SSRW)，可以减小耗尽层的厚度，从而抑制短沟道效应。超陡后退阱是位于用于承载器件的半导体层的表面以下一定深度的离子注入区。超陡后退阱通常在形成栅极和源/漏区之前形成，且除了沟道区以外，所述超陡后退阱还存在于用以形成源/漏区的区域，因此，超陡后退阱中的掺杂剂会影响源/漏区的掺杂类型(如掺杂浓度)，从而难以获得更薄的耗尽层，进而难以获得更陡峭的突变结，即利用超陡后退阱减小短沟道效应的效果有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体结构及其制造方法，利于减少发生短沟道效应的可能性。根据本发明的一方面，提供一种半导体结构，包括栅叠层，所述栅叠层形成于半导体衬底上；超陡后退岛，所述超陡后退岛嵌于所述半导体衬底中且与所述栅叠层自对准；补偿注入区，所述补偿注入区嵌于所述超陡后退岛中，所述补偿注入区的掺杂类型与所述超陡后退岛的掺杂类型相反。采用本发明提供的方案，通过提供与所述栅叠层自对准的超陡后退岛(RRSI)，换言之，使提供超陡后退岛的掺杂剂只形成于器件的沟道区，而未形成于器件的源/漏区，利于减小所述掺杂剂对源/漏区的掺杂类型的影响，从而利于获得更薄的耗尽层，进而利于获得更陡峭的突变结，利于利用超陡后退岛进一步减小发生短沟道效应的可能性；通过在所述超陡后退岛中嵌入所述补偿注入区，且使所述补偿注入区的掺杂类型与所述超陡后退岛的掺杂类型相反，利于利用所述补偿注入区调节所述超陡后退岛的掺杂情况(如使所述超陡后退岛中与所述补偿注入区的重合部分的掺杂浓度降低)，利于灵活调节器件的阈值电压。根据本发明的另一方面，提供一种半导体结构的制造方法，包括在半导体衬底上形成假栅、侧墙和绝缘层，所述侧墙环绕所述假栅，所述绝缘层接于所述侧墙且暴露所述假栅；去除所述假栅，以形成开口 ；经由所述开口注入第一掺杂剂，以在所述半导体衬底中形成超陡后退岛；
在所述开口中形成辅助介质层，所述辅助介质层至少覆盖所述开口的侧壁；经由其中形成有所述辅助介质层的所述开口注入第二掺杂剂，所述第二掺杂剂与所述第一掺杂剂掺杂类型相反，其中，所述辅助介质层覆盖所述开口的侧壁而暴露所述开口的底壁时，所述第二掺杂剂在所述半导体衬底中形成第一补偿注入区；所述辅助介质层覆盖所述开口的侧壁和底壁时，所述第二掺杂剂被所述辅助介质层阻挡或在所述超陡后退岛中形成第二补偿注入区，所述第二补偿注入区的掺杂浓度小于所述第一补偿注入区的掺杂浓度。按照本发明提供的方法，在形成开口后，经由所述开口注入第一掺杂剂，S卩，以自对准的方式形成超陡后退岛(RRSI)，换言之，所述第一掺杂剂只形成于器件的沟道区，而未形成于器件的源/漏区，利于减小所述第一掺杂剂对源/漏区的掺杂类型的影响，从而利于获得更薄的耗尽层，进而利于获得更陡峭的突变结，利于利用超陡后退岛进一步减小发生短沟道效应的可能性；通过在所述开口中进一步形成至少覆盖所述开口的侧壁的所述辅助介质层，再经由其中形成有所述辅助介质层的所述开口注入与所述第一掺杂剂掺杂类型相反的第二掺杂剂，以形成补偿注入区，利于利用所述补偿注入区调节所述超陡后退岛的掺杂情况(如，在所述辅助介质层覆盖所述开口的侧壁而暴露所述开口的底壁时，形成的第一补偿注入区使所述超陡后退岛中与其中形成有所述辅助介质层的所述开口自对准的部分的掺杂浓度降低；而在所述辅助介质层覆盖所述开口的侧壁和底壁时，所述超陡后退岛的掺杂情况可以不变，也可以由于形成第二补偿注入区，而使所述超陡后退岛的掺杂浓度降低，只是降低的程度与暴露底壁时相比较轻)，利于灵活调节器件的阈值电压。
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中图1至10示意性地示出了根据本发明提供的半导体结构的制造方法实施例中在不同阶段形成的各种中间结构的剖示图。
具体实施例方式以下，通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。在各个附图中，为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下”或“下方”。如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在......上”或“在......上并与之邻接”的表述方式。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如半导体器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，半导体器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成。以下将参照图1-10来描述半导体结构的制造方法的实施例。图1示出了用以承载本发明提供的方法的初始结构。在前面的步骤(未示出)中，已经在半导体衬底11中形成了源/漏区1 和12b，在源/漏区之间的半导体衬底11的上方，已经形成了假栅叠层，本实施例中，所述假栅叠层可包括假栅14和假栅电介质层13(在其他实施例中，所述假栅叠层可以只包括假栅14)，而且，已经形成了围绕着假栅叠层的第一侧墙15。半导体衬底可以由任何适合的半导体衬底材料组成，例如IV族半导体(如Si、Ge、SiGe, SiC)、III-V族半导体(如GaAs、InP, GaN)。半导体衬底可以是体衬底，或者SOI晶片的顶部半导体层。根据半导体器件的设计要求(例如MOSFET的导电类型)，半导体衬底本身可以是掺杂的，并且可以包括可选的外延层，例如用于产生应力的应力层。所述假栅14可以是金属层、掺杂多晶硅层、或包括金属层和掺杂多晶硅层的叠层栅导体。所述假栅14还可以是非晶硅层以及掺杂或未掺杂的绝缘材料层，如掺杂或未掺杂的氧化硅层或氮化硅层。所述假栅电介质层可以由氧化硅或介电常数大于氧化硅的材料(如高k材料)构成，例如包括氧化物、氮化物、氧氮化物、硅酸盐、铝酸盐、钛酸盐，其中，氧化物例如包括氧化硅、铪基材料(如 Hf02、HfSiO、HfSiON、HfTaO, HfTiO 或 HfZrO)、ZrO2, A1203、TiO2, La2O3,氮化物例如包括氮化硅，硅酸盐例如包括HfSiOx，铝酸盐例如包括LaAW3,钛酸盐例如包括SrTiO3，氧氮化物例如包括SiON。并且，假栅电介质层13不仅可以由本领域的技术人员公知的材料形成，也可以采用将来开发的用于栅极电介质的材料。本实施例中，半导体衬底11例如是体硅衬底，假栅电介质层13例如由氧化硅组成，假栅14例如由掺杂的多晶硅组成，第一侧墙15例如由氮化硅组成(在其他实施例中，第一侧墙15可具有叠层结构，相邻层之间材料不同)。源/漏区1 和12b优选地包括延伸至假栅叠层下方的延伸区，如图1所示。延伸区在沟道区的两端减小了源/漏区结深，从而利于抑制短沟道效应。然后，通过沉积工艺，如PVD、CVD、原子层沉积、溅射等，在半导体结构的整个表面上形成辅助介质层16(例如，氮化硅层)，如图2所示。辅助介质层16的厚度可以为10nm_20nmo然后，通过上述沉积工艺，在半导体结构的整个表面上沉积层间介质层17 (例如，掺杂的氧化硅层，包括BSG、BPSG、PSG或FSG等)。层间介质层17填充了假栅叠层周围的凹部。对层间介质层17进行平坦化处理(如，化学机械研磨，CMP)，以获得平整的结构表面。在平坦化过程中，先前形成的辅助介质层16可作为停止层，从而去除了层间介质层17位于假栅叠层上方的部分，并暴露出辅助介质层16位于假栅叠层上方的相应部分，如图3所示。随后，以层间介质层17作为掩模，采用湿法蚀刻或干法蚀刻，选择性地去除辅助介质层16的暴露部分，并暴露出假栅14，如图4所示。再后，以层间介质层17和辅助介质层16作为掩模，采用湿法蚀刻或干法蚀刻，选择性地去除假栅14，并暴露出假栅电介质层13(在其他实施例中，也可以一并去除假栅电介质层13，保留所述假栅电介质层13，利于在后续的离子注入过程中，利用所述假栅电介质层13作为离子注入的阻挡层，以减少离子注入操作对半导体衬底11表面的损伤；在没有假栅电介质层13时，则暴露半导体衬底11)，从而形成了宽度表示为L的第一开口 18。然后，以第一开口 18作为窗口执行第一次离子注入(注入第一掺杂剂)，在第一开口 18 下方的一定深度(如，掺杂浓度为 IxiolVcm3^xio1Vcm3,5χ1016/οπι3,1χ1017/οπι3,2xl017/cm3,SxiolVcm3UxiolVcm3^xio1Vcm3 或 5xl018/Cm3 处与承载所述栅堆叠的所述半导体衬底表面的最近距离为包含所述超陡后退岛的器件的栅长的三分之一至二分之一处)形成孤立的超陡后退岛(SSRI) 19，如图5所示。SSRI 19的掺杂类型与包含此SSRI的器件的导电类型相反，对于η型器件，采用ρ型掺杂剂(例如B、中的一种或其组合，其中，采用组合式的掺杂剂，利于获得更陡峭的突变结)形成SSRI 19，而对于ρ型器件，采用η型掺杂剂(例如As、P、Sb中的一种或其组合，其中，采用组合式的掺杂剂，利于获得更陡峭的突变结)形成SSRI 19。SSRI 19的掺杂浓度例如为IxiolfVcm3-Ixio19Aim3tj此时，SSRI19与第一开口 18是自对准的，因而其宽度也大致为L。然后，通过上述沉积工艺，在半导体结构的整个表面上形成辅助掩模层20，所述辅助掩模层20可为非晶硅层，其厚度d可以为5nm-20nm。对于长栅长(相对而言；栅长L >2d)的器件，该辅助掩模层20覆盖第一开口 18的侧壁和底壁，接着，可以在不采用其他掩模的情况下，对辅助掩模层20进行各向异性蚀刻，即，不仅去除了辅助掩模层20位于第一开口 18外部的部分，也去除了辅助掩模层20位于第一开口 18的底壁上的部分。辅助掩模层20中剩余的位于第一开口 18的侧壁上的部分形成了第二侧墙，宽度为L的第一开口 18变为宽度为1的第二开口，大致满足1 = L-2d的关系，如图6所示。接着，以宽度减为1的第二开口作为窗口，执行第二次离子注入(注入第二掺杂剂)，在SSRI 19中形成补偿注入区21 (reverse implantedregion)，如图6所示，此时，所述补偿注入区21即嵌于所述超陡后退岛19中。通过控制离子注入的功率和剂量，可以使得第二次离子注入的深度与第一次离子注入相同。所述补偿注入区21的掺杂类型与器件的导电类型相同，对于η型器件，采用η型掺杂剂(例如As、P、Sb中的一种或其组合，其中，采用组合式的掺杂剂，利于获得更陡峭的突变结)，而对于P型器件，采用P型掺杂剂例如B、In中的一种或其组合，其中，采用组合式的掺杂剂，利于获得更陡峭的突变结)。形成补偿注入区21后，两次离子注入操作提供的相反掺杂类型的掺杂剂相互影响，使得先前形成的SSRI 19的有效掺杂浓度显著减小，换言之，在所述补偿注入区21所占据的区域内，对于η型器件，此区域仍表现为ρ型掺杂；对于ρ型器件，此区域仍表现为η型掺杂，只是此区域内的掺杂浓度低于超陡后退岛19中的掺杂浓度；甚至，出于器件设计的需要，在所述补偿注入区21所占据的区域可以形成反型状态，如，在此区域内，对于η型器件，此区域表现为η型掺杂；对于ρ型器件，此区域表现为ρ型掺杂。补偿注入区21与第二开口是自对准的，其宽度也大致为1。至此，SSRI19和补偿注入区21共同形成超陡后退晕环(SSRH)，在下文中表示为超陡后退晕环19’。利用所述补偿注入区调节所述超陡后退岛的掺杂情况，利于灵活调节器件的阈值电压。需说明的是，所述超陡后退岛是利用所述第一开口 18自对准而形成的，所述补偿注入区21是利用所述第二开口自对准而形成的，而所述第二开口与所述第一开口 18之间的间隔(即第二侧墙)又是对称分布的，因此，所述补偿注入区21是以中心重合的方式嵌于所述超陡后退岛中的，换言之，在平行于承载所述栅堆叠的所述半导体衬底11表面的任一平面上，所述补偿注入区21的边界与所述超陡后退岛的边界之间的距离是均勻的，本文件中，术语“均勻”意指二者的差值在工艺误差允许的范围内。接着，进行短时间的退火(例如激光退火、快速热退火)，以激活在SSRH 19’中注入的各种掺杂剂。然后，可采用湿法蚀刻，选择性地去除第二侧墙。接着，通过上述沉积工艺，在半导体结构的整个表面上，依次形成高k电介质层22(如，可为上述的用于假栅电介质层13的高k材料，例如前文所述的铪基材料、硅酸盐、铝酸盐等)和替代栅23 (如，可为上述的用于假栅14的金属材料)。高k电介质层22的厚度可以为lnm-3nm，而替代栅23的厚度应当足以填充第一开口 18。需说明的是，在形成所述替代栅23后，可以去除所述第一侧墙15，继而，可在去除所述第一侧墙15后形成的空腔内填充特定的介质材料，如可填充应力材料，利于调整器件沟道区的应力。接着，对高k电介质层22和替代栅23进行CMP，以获得平整的结构表面(本文件内，术语“平整”、“平坦”或“平齐”等意指平面内任意两点间的高度差在工艺误差允许的范围内)。在该CMP中，先前形成的层间介质层17可作为停止层，从而可完全去除高k电介质层22和替代栅23位于第一开口 18外的部分，如图7所示。然后，可选地，可通过上述沉积工艺，在已经平整化的半导体结构的整个表面上，形成钝化层24 (例如，氮化硅)，以保护下方的器件的各个部分(例如，替代栅23)。钝化层M和位于钝化层M下方的先前形成的层间介质层17在最终的半导体器件中作为层间电介质层(ILD)，随后，可采用本领域技术人员熟知的工艺在该层间电介质层中形成至源/漏区12a、12b的接触孔25，如图8所示。然后，通过上述沉积工艺，在通孔25暴露的源/漏区12a、12b的表面上形成薄金属层(例如NiPt)，进行热退火以使金属与源/漏区12a、12b中的Si反应而形成金属硅化物(例如NiPtSi)，从而将薄金属层的至少一部分转化为金属硅化物层沈，并去除未反应的金属，如图9所示。然后，通过常规的镶嵌工艺(damascene process)，形成用于提供源/漏区12a、12b与外部的电连接的接触塞27，如图10所示。例如，该镶嵌工艺包括在接触孔25中依次形成阻挡层(例如厚度约为lnm-7nm的TiN层，未示出)和填充接触孔25的接触金属(例如，W或W和Cu、Al、TiAl等构成的金属叠层)，对接触金属进行CMP以完全去除接触金属位于接触孔25外的部分。在完成图1-10所示的步骤之后，按照本领域公知的方法，在所得到的半导体结构上形成位于层间电介质层上表面的电极和布线，从而完成器件的其它部分。此外，对于短栅长(相对而言；栅长L < 2d)的器件，若在形成超陡后退岛19后，再形成所述辅助掩模层20以覆盖所述第一开口 18的侧壁和底壁后，由于所述辅助掩模层20的厚度为d，所述辅助掩模层20将填满所述第一开口 18，进而，无法通过去除覆盖所述第一开口 18的底壁的所述辅助掩模层20以形成第二开口，进而既可能因为所述辅助掩模层20的阻挡而无法使超陡后退岛19中的掺杂浓度获得补偿；也可能是仍可以在超陡后退岛19中形成次补偿注入区，而只是所述次补偿注入区的掺杂浓度小于所述补偿注入区21的掺杂浓度。随后，与前述长栅长器件实施例中描述的相同，对于短栅长的器件，在注入第二掺杂剂后，继续执行退火(以激活超陡后退岛19中注入的掺杂剂)、形成高k电介质层22和替代栅23、形成钝化层M、形成接触孔25、金属硅化物层沈和接触塞27等操作即可。此时，既利于利用超陡后退岛19减少发生短沟道效应的可能性，也有利于保持器件的阈值电压不被降至不期望的低值。本发明还提供了一种半导体结构，包括栅叠层，所述栅叠层形成于半导体衬底上；超陡后退岛，所述超陡后退岛嵌于所述半导体衬底中且与所述栅叠层自对准；补偿注入区，所述补偿注入区嵌于所述超陡后退岛中，所述补偿注入区的掺杂类型与所述超陡后退岛的掺杂类型相反。优选地，所述超陡后退岛的掺杂类型与包含所述超陡后退岛的器件的导电类型相反。优选地，所述补偿注入区与所述超陡后退岛中心重合。优选地，所述超陡后退岛的深度与所述补偿注入区的深度相同。优选地，所述超陡后退岛中掺杂浓度为lxlOVcn^JxlOVcn^SxlO^Vcm3、IxlO17/ατι^χΚ^/αΛδχΙΟ17/^3、IxIO1Vcm3JxIO18Aim3 或 5xl018/Cm3 处与承载所述栅堆叠的所述半导体衬底表面的最近距离为包含所述超陡后退岛的器件的栅长的三分之一至二分之一。优选地，所述超陡后退岛和所述补偿注入区中的掺杂元素分别为硼、铟、磷、砷、锑中的一种或其组合。其中，对半导体结构各实施例中各部分的结构组成、材料及形成方法等均可与前述半导体结构的制造方法实施例中描述的相同，不在赘述。以上描述只是为了示例说明和描述本发明，而非意图穷举和限制本发明。因此，本发明不局限于所描述的实施例。对于本领域的技术人员明显可知的变型或更改，均在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种半导体结构，包括栅叠层，所述栅叠层形成于半导体衬底上；超陡后退岛，所述超陡后退岛嵌于所述半导体衬底中且与所述栅叠层自对准；补偿注入区，所述补偿注入区嵌于所述超陡后退岛中，所述补偿注入区的掺杂类型与所述超陡后退岛的掺杂类型相反。
2.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于所述超陡后退岛的掺杂类型与包含所述超陡后退岛的器件的导电类型相反。
3.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于所述补偿注入区与所述超陡后退岛中心重合。
4.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于所述超陡后退岛的深度与所述补偿注入区的深度相同。
5.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于所述超陡后退岛中掺杂浓度为lxl01Vcm\2xl0Vcm\5xl01Vcm\ IxlO1Vcm3,2xl017/cm3,SxiolVcm3UxiolVcm3^xio1Vcm3或hl018/Cm3处与承载所述栅堆叠的所述半导体衬底表面的最近距离为包含所述超陡后退岛的器件的栅长的三分之一至二分之一。
6.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于所述超陡后退岛和所述补偿注入区中的掺杂元素分别为硼、铟、磷、砷、锑中的一种或其组合。
7.一种半导体结构的制造方法，包括在半导体衬底上形成假栅、侧墙和绝缘层，所述侧墙环绕所述假栅，所述绝缘层接于所述侧墙且暴露所述假栅；去除所述假栅，以形成开口 ；经由所述开口注入第一掺杂剂，以在所述半导体衬底中形成超陡后退岛；在所述开口中形成辅助掩模层，所述辅助掩模层至少覆盖所述开口的侧壁；经由其中形成有所述辅助掩模层的所述开口注入第二掺杂剂，所述第二掺杂剂与所述第一掺杂剂掺杂类型相反，其中，所述辅助掩模层覆盖所述开口的侧壁而暴露所述开口的底壁时，所述第二掺杂剂在所述半导体衬底中形成第一补偿注入区；所述辅助掩模层覆盖所述开口的侧壁和底壁时，所述第二掺杂剂被所述辅助掩模层阻挡或在所述超陡后退岛中形成第二补偿注入区，所述第二补偿注入区的掺杂浓度小于所述第一补偿注入区的掺杂浓度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述第一掺杂剂的掺杂类型与包含所述超陡后退岛的器件的导电类型相反。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述辅助掩模层覆盖所述开口的侧壁的步骤包括形成辅助掩模层，所述辅助掩模层覆盖所述开口的侧壁和底壁；去除覆盖所述开口的底壁的所述辅助掩模层，所述辅助掩模层材料异于所述绝缘层材料。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在注入第二掺杂剂后，还包括去除所述辅助掩模层，以恢复所述开口 ；在所述开口内形成替代栅。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述第二掺杂剂的注入深度与所述第一掺杂剂的注入深度相同。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述第一掺杂剂的掺杂浓度为IxlO16/cm'^xlO'Vcm'.SxlO'Vcm'axlO'Vcm'^xlO'Vcm3,SxiolVcm3UxiolVcm3^xio1Vcm3 或^d018/Cm3处与承载所述栅堆叠的所述半导体衬底表面的最近距离为包含所述超陡后退岛的器件的栅长的三分之一至二分之一。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述第一掺杂剂和所述第二掺杂剂分别为硼、铟、磷、砷、锑中的一种或其组合。
全文摘要
本申请公开了一种半导体结构及其制造方法，该半导体结构包括栅叠层，所述栅叠层形成于半导体衬底上；超陡后退岛，所述超陡后退岛嵌于所述半导体衬底中且与所述栅叠层自对准；补偿注入区，所述补偿注入区嵌于所述超陡后退岛中，所述补偿注入区的掺杂类型与所述超陡后退岛的掺杂类型相反。利于减少发生短沟道效应的可能性。
文档编号H01L29/06GK102593172SQ20111000800
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者吴彬能, 吴昊, 朱慧珑, 梁擎擎, 肖卫平 申请人:中国科学院微电子研究所