NMOS晶体管及其形成方法与流程

本发明涉及半导体集成电路领域，特别涉及一种掺杂区、nmos晶体管及其形成方法。

背景技术

nmos晶体管的掺杂区包括轻掺杂源/漏区和重掺杂源/漏区。当轻掺杂源/漏区包裹重掺杂源/漏区时，nmos晶体管具有高的源漏击穿电压。而在该结构中，源漏击穿电压对于轻掺杂源/漏区的离子注入操作和热处理极其敏感。其不管是在能量和剂量均相同的离子注入操作中离子束的电流和注入面积的微小变化，还是在温度相同的热处理中温度的细微变化，都会对nmos晶体管的源漏击穿电压造成影响，从而使得同一个晶圆上各nmos晶体管的源漏击穿电压差异较大，即，使得同一片晶圆上的不同芯片的源漏击穿电压的均匀性较差，进而影响了具有该nmos晶体管的半导体器件的工作特性。

因此，需要一种nmos晶体管的形成方法，以提高同一片晶圆上的不同芯片的源漏击穿电压的均匀性，从而降低了nmos晶体管的片间差异，进而降低了对具有该nmos晶体管的半导体器件的工作特性的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种nmos晶体管及其形成方法，以提高同一片晶圆上的不同芯片的源漏击穿电压的均匀性，从而降低了nmos晶体管的片间差异，进而降低了对具有该nmos晶体管的半导体器件的工作特性的影响。

本发明的另一目的在于提供一种掺杂区及其形成方法，以使得掺杂区中的磷离子在扩散工艺中可以均匀扩散。

为了实现上述目的，本发明提供了一种nmos晶体管的形成方法，包括以下步骤：

提供一半导体衬底，所述半导体衬底上形成有栅极结构；以所述栅极结构为掩模，对所述半导体衬底进行轻掺杂离子注入，形成未激活的轻掺杂源/漏区，所述轻掺杂离子为n型；在所述栅极结构的两侧形成侧墙；以所述侧墙为掩模，对所述半导体衬底进行重掺杂离子注入，形成未激活的重掺杂源/漏区，所述重掺杂离子为n型，所述轻掺杂离子注入或所述重掺杂离子注入包括碳元素注入，所述未激活的轻掺杂源/漏区包裹所述未激活的重掺杂源/漏区；以及对所述半导体衬底进行热处理，以激活所述轻掺杂源漏区和所述重掺杂源漏区，以形成轻掺杂源/漏区和重掺杂源/漏区。

可选的，所述轻掺杂离子注入包括碳元素注入和第一次磷离子注入。所述碳元素注入的能量为21kev～60kev，剂量为1e15～6e15cm²，所述碳元素注入时的入射角度为与所述半导体衬底的表面的垂线的夹角为0～15°。所述第一次磷离子注入的能量为50kev～80kev，剂量为1e13～1e14cm²，所述第一次磷离子注入时的入射角度为与所述半导体衬底的表面的垂直线的夹角呈15°～45°。

可选的，所述重掺杂离子注入包括砷离子注入和第二次磷离子注入。所述第二次磷离子注入的能量为20kev～50kev，剂量为5e13～1e15cm²，所述第二次磷离子注入时的入射角度为与所述半导体衬底的表面的垂直线的夹角呈15°～45°。所述砷离子注入的能量为20kev～50kev，剂量为2.5e15～6.0e15cm²，所述砷离子注入时的入射角度为与所述半导体衬底的表面的垂直线的夹角呈0～15°。

可选的，所述热处理采用快速热退火操作。

可选的，所述nmos晶体管属于高压器件。

本发明提供了一种nmos晶体管，采用上述所述的nmos晶体管的形成方法制备而成，所述nmos晶体管包括半导体衬底，栅极结构，所述栅极结构两侧的侧墙，以及位于所述栅极结构两侧且形成于所述半导体衬底中的轻掺杂源/漏区和重掺杂源/漏区，所述轻掺杂源/漏区或重掺杂源/漏区的掺杂离子包括碳元素。

本发明提供了一种掺杂区的形成方法，包括以下步骤：

提供一半导体衬底，在所述半导体衬底上确定掺杂的区域；对所述区域进行离子注入，所述离子注入包括磷离子注入和碳元素注入；清洁所述半导体衬底；以及对清洁后的所述半导体衬底进行热处理，以形成掺杂区。

可选的，所述碳元素注入的能量为21kev～60kev，剂量为1e15～6e15cm²，所述碳元素注入时的入射角度为与所述半导体衬底的表面的垂直线的夹角呈0～15°。

可选的，所述热处理采用快速热退火操作。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的一种nmos晶体管的形成方法，在现有的离子注入操作中，增加碳元素注入操作，使得碳元素分布于磷与硅衬底中的硅的结合物所沉积的晶体之间的缝隙中，以间隙原子存在于掺杂区，抑制磷离子在半导体衬底中的扩散，降低了掺杂区离子注入过程中的掺杂元素和电场分布对轻掺杂源/漏区和重掺杂源/漏区的掺杂操作和热处理的敏感度，从而提高同一片晶圆上的不同芯片的源漏击穿电压的均匀性，即，降低了nmos晶体管的片间差异，进而降低了对具有该nmos晶体管的半导体器件的工作特性的影响。

另外，本发明提供的一种掺杂区形成方法，通过在离子注入时增加以使得掺杂区中的磷离子在热处理时可以均匀扩散。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的掺杂区的形成方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例提供的nmos晶体管的形成方法的流程示意图；

图3为本发明一实施例的同一片晶圆的多个芯片的源漏击穿电压的示意图。

具体实施方式

发明人研究发现，在轻掺杂源/漏区包裹重掺杂源/漏区结构的nmos晶体管的形成过程中，其的源漏击穿电压对轻掺杂源/漏区和重掺杂源/漏区的掺杂操作和热处理极其敏感，例如：能量和剂量均相同的离子注入操作中，离子束的电流和注入面积的微小变化；热处理中温度的细微变化。其都会导致源/漏区中注入的磷离子扩散不均匀，导致源/漏极到半导体衬底的pn结的元素分布发生变化，影响了其中的电场分布，从而使得同一片晶圆上的不同芯片的源漏击穿电压的差异较大，即，同一晶圆上各芯片的源漏击穿电压的均匀性较差。

基于上述研究，本发明提供了一种掺杂区、nmos晶体管及其形成方法，其中，nmos晶体管及其形成方法是通过在轻掺杂离子注入或重掺杂离子注入操作时，增加碳元素注入操作，使得碳元素分布于磷与半导体衬底中的硅的结合物所沉积的晶体之间的缝隙中，以间隙原子存在于掺杂区，以抑制磷离子在半导体衬底中的扩散，降低了掺杂区离子注入过程中的掺杂元素和电场分布对轻掺杂源/漏区和重掺杂源/漏区的掺杂操作和热处理的敏感度，从而提高了同一片晶圆上的不同芯片的源漏击穿电压的均匀性，即，降低了nmos晶体管的片间差异，进而降低了对具有该nmos晶体管的半导体器件的工作特性的影响。

以下将对本发明的掺杂区、nmos晶体管及其形成方法作进一步的详细描述。

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，应该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，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。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。

本实施例所提供的一种掺杂区的形成方法。图1为本实施例提供的掺杂区的形成方法的流程示意图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤s11：提供一半导体衬底，在所述半导体衬底上确定掺杂的区域；

步骤s12：对所述区域进行离子注入，所述离子注入包括磷离子注入和碳元素注入；

步骤s13：清洁所述半导体衬底；以及

步骤s14：对清洁后的所述半导体衬底进行热处理，以形成掺杂区。

下面结合图1对本发明实施例所提供的掺杂区的形成方法进行详细介绍。

首先执行步骤s11，提供一半导体衬底，所述半导体衬底例如是单晶硅衬底，在所述半导体衬底上确定掺杂的区域。

在所述半导体衬底上确定掺杂区域的步骤包括：在所述半导体衬底上形成掩模层；图形化所述掩模层。所述掩模层包括抗蚀剂层(例如是光刻胶)和/或硬掩模层(例如是氧化硅层、氮氧化硅层或氮化硅层)。

对所述掺杂区域执行离子注入操作后形成轻掺杂区和重掺杂区。

接着执行步骤s12，对所述区域进行离子注入，所述离子注入包括磷离子注入和碳元素注入。

在本步骤中，在离子注入过程中增加了碳元素注入，使得碳元素分布于磷与半导体衬底中的硅的结合物所沉积的晶体之间的缝隙中，以间隙原子的形式存在。在后续热处理过程中，由于碳元素与磷元素都不容易失去或获得电子，降低了磷离子在硅衬底中的扩散速度，进而使得磷离子可以均匀扩散，即，磷离子的离子浓度从离子注入表面在沿离子扩散方向上均匀的减小。

在本实施例中，在所述碳元素注入时，所述碳元素注入的能量范围例如是21kev～60kev，所述碳元素注入的剂量例如是1e15～6e15cm²，所述碳元素注入时的入射角度为与所述半导体衬底的表面的垂直线的夹角例如是呈0～15°。在所述磷离子注入操作时，所述磷离子注入的能量范围例如是50kev～80kev，所述磷离子注入的剂量例如是1e13～1e14cm²，所述磷离子注入时的入射角度为与所述半导体衬底的表面的垂直线的夹角例如是呈15°～45°。所述磷离子注入和所述碳元素注入可以是同时执行，即同时执行磷离子注入和碳元素注入，可以先执行磷离子注入，再执行碳元素注入，也可以先执行碳元素注入，再执行磷离子注入。

在其他实施例中，在所述碳元素注入时，所述碳元素注入的能量、剂量以及入射角度的具体参数数值可以根据具体需求进行变换。

可选的，所述离子注入还包括其他离子注入，例如是砷离子、氮离子、锗离子等其他一种或多种离子注入。

接着执行步骤s13，清洁所述半导体衬底。

清洁所述半导体衬底的步骤包括：

步骤s13a：去除确定掺杂区域时引入的掩模层。

所述掩模层为光刻胶时，可采用氧气等离子体灰化工艺去除所述掩模层；所述掩模层为硬掩模时，可采用干法清洗工艺去除所述掩模层。干法清洗工艺可采用等离子体刻蚀工艺。

步骤s13b：清洁所述半导体衬底。

采用氧气等离子体灰化工艺或干法清洗工艺去除所述掩模层后，需采用湿法清洗工艺清洗所述半导体衬底，以去除所述半导体衬底表面残留的刻蚀副产物及表面沾污；湿法清洗工艺中，例如是可采用稀释的氢氟酸溶液、包含硫酸和双氧水的混合清洗溶液及/或包含氨水和双氧水的混合清洗溶液清洗所述半导体衬底。

接着执行步骤s14，对清洁后的所述半导体衬底进行热处理，以形成掺杂区。

所述热处理例如是采用快速热退火操作。

在本步骤的操作中，由于磷离子受热快速扩散的特性，使得磷离子快速的在半导体衬底中扩散，并使得其与衬底中的硅结合沉积形成si3p4结构的一个个的晶体，而碳元素与磷元素都不容易得到或失去离子，因此，碳元素以间隙原子存在于si3p4结构的各晶体之间的缝隙中，其抑制了磷离子在半导体衬底中的扩散，使得磷离子在半导体衬底中均匀扩散，即磷离子的离子浓度缓慢减小，例如离子浓度以e15降至e14，再降至e13，而非从e15直接跳跃式的降至e13。

本实施例还提供了一种掺杂区，其采用上述方法制备而成。该方法形成的掺杂区中的磷离子的离子浓度沿半导体深度方向缓慢减小。

本实施例所提供的一种nmos晶体管的形成方法，所述nmos晶体管例如是属于高压器件，即所述nmos晶体管例如是高压nmos晶体管。图2为本实施例提供的nmos晶体管的形成方法的流程示意图。如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤s21：提供一半导体衬底，所述半导体衬底上形成有栅极结构；

步骤s22：以所述栅极结构为掩模，对所述半导体衬底进行轻掺杂离子注入，形成未激活的轻掺杂源/漏区，所述轻掺杂离子为n型；

步骤s23：在所述栅极结构的两侧形成侧墙；

步骤s24：以所述侧墙为掩模，对所述半导体衬底进行重掺杂离子注入，形成未激活的重掺杂源/漏区，所述重掺杂离子为n型，所述轻掺杂离子注入或所述重掺杂离子注入包括碳元素注入，所述未激活的轻掺杂源/漏区的包裹所述未激活的重掺杂源/漏区；以及

步骤s25：对所述半导体衬底进行热处理，以激活所述轻掺杂源漏区和所述重掺杂源漏区，以形成轻掺杂源/漏区和重掺杂源/漏区。

下面结合图2对本发明实施例所提供的掺杂区的形成方法进行详细介绍。

首先执行步骤s21，提供一半导体衬底，所述半导体衬底上栅极结构。

所述半导体衬底可以是单晶硅，也可以是硅锗化合物，还可以是绝缘体上硅(soi，silicononinsulator)结构或硅上外延层结构，本实施例中所述半导体衬底优选为单晶硅。所述栅极结构包括栅介质层和栅极，所述栅介质层的材料例如是氧化硅，所述栅极的材料例如是多晶硅，所述栅介质层和栅极的形成方法例如是化学气相沉积(cvd)。

接着执行步骤s22：以所述栅极结构为掩模，对所述半导体衬底进行轻掺杂离子注入，形成未激活的所述轻掺杂源/漏区，所述轻掺杂离子为n型。

在本步骤中，对所述半导体衬底进行轻掺杂离子注入具体包括：

对所述半导体衬底进行碳元素注入和第一次磷离子注入，其中，所述碳元素注入的能量例如是21kev～60kev，所述碳元素注入的剂量例如是1e15～6e15cm²，所述碳元素注入时的入射角度为与所述半导体衬底的表面的垂直线的夹角例如是呈0～15°。所述第一次磷离子注入的能量例如是50kev～80kev，所述第一次磷离子注入的剂量例如是1e13～1e14cm²，所述第一次磷离子注入时的入射角度为与所述半导体衬底的表面的垂直线的夹角例如是呈15°～45°。所述第一次磷离子注入和所述碳元素注入可以是同时进行，即同时执行第一次磷离子注入和碳元素注入，可以先执行第一次磷离子注入，再执行碳元素注入，也可以先执行碳元素注入，再执行第一次磷离子注入。

由上可知，在本步骤中，在离子注入操作中增加了碳元素注入操作，使得碳元素分布于磷与半导体衬底中的硅的结合物所沉积的晶体之间的缝隙中，以间隙原子的形式存在。在后续热处理过程中，由于碳元素与磷元素都不容易失去或获得电子，其降低了磷离子在半导体衬底中的扩散速度，进而使得磷离子可以均匀扩散，即，磷离子的离子浓度从离子注入表面在沿离子注入方向可以均匀减小，降低了掺杂区注入过程中的掺杂元素和电场分布对轻掺杂源/漏区和重掺杂源/漏区的掺杂操作和热处理的敏感度，从而提高了同一片晶圆上的不同芯片的源漏击穿电压的均匀性，即，降低了nmos晶体管的片间差异，进而降低了对具有该nmos晶体管的半导体器件的工作特性的影响。

在其他实施例中，在所述碳元素注入时，所述碳元素注入的能量、剂量以及入射角度的具体参数数值可以根据具体需求进行变换。另外，轻掺杂离子注入还可以包括其他离子注入，例如砷离子、氮离子、锗离子等一种或几种n型离子注入。

接着执行步骤s23：在所述栅极结构的两侧形成侧墙。

所述侧墙的材料例如是氮化硅。

接着执行步骤s24：以所述侧墙为掩模，对所述半导体衬底进行重掺杂离子注入，所述重掺杂离子为n型，所述轻掺杂离子注入或所述重掺杂离子注入包括碳元素注入，所述未激活的轻掺杂源/漏区包裹所述未激活的重掺杂源/漏区。

在本步骤中，对所述半导体衬底进行重掺杂离子注入具体包括：

对所述半导体衬底进行砷离子注入和第二次磷离子注入，其中，所述第二次磷离子注入的能量例如是20kev～50kev，所述第二次磷离子注入的剂量例如是5e13～1e15cm²，所述第二次磷离子注入时的入射角度为与所述半导体衬底的表面的垂直线的夹角例如是呈15°～45°。所述砷离子注入的能量例如是20kev～50kev，所述砷离子注入的剂量例如是2.5e15～6.0e15cm²，所述砷离子注入时的入射角度为与所述半导体衬底的表面的垂直线的夹角例如是呈0～15°。

在其他实施例中，在所述碳元素注入时，所述碳元素注入的能量、剂量以及入射角度的具体参数数值可以根据具体需求进行变换。另外，在其他实施例中，对所述半导体衬底进行碳元素注入可以是在形成重掺杂源/漏区时进行。当然，根据实际工艺需求，碳元素注入可以在形成轻掺杂源/漏区和形成重掺杂源/漏区时都执行，且碳元素的注入剂量、能量以及角度根据实际工艺需求进行变化。

另外，在本步骤中，重掺杂离子注入还可以包括其他离子注入，例如氮离子、锗离子等一种或几种n型离子注入。

所述未激活的轻掺杂源/漏区的包裹所述未激活的重掺杂源/漏区，即，所述未激活的轻掺杂源/漏区的深度深于所述未激活的重掺杂源/漏区的深度，且所述未激活的轻掺杂源/漏区的区域大于所述未激活的重掺杂源/漏区的的区域。

接着执行步骤s25：对所述半导体衬底进行热处理，以激活所述轻掺杂源漏区和所述重掺杂源漏区，以形成轻掺杂源/漏区以及重掺杂源/漏区。

所述热处理例如是采用快速热退火操作。

在本步骤中，由于磷离子受热快速扩散的特性，使得磷离子快速的在半导体衬底中扩散，并使得其与硅结合沉积形成si3p4结构的一个个的晶体，而碳元素与磷元素都不容易得到或失去离子，因此，碳元素以间隙原子存在于si3p4结构的各晶体之间的缝隙中，其抑制了磷离子在半导体衬底中的扩散，使得磷离子在半导体衬底中均匀扩散，即磷离子的离子浓度缓慢减小，例如离子浓度以e15降至e14，再降至e13，而非从e15直接跳跃式的降至e13，从而提高了同一片晶圆上的不同芯片的源漏击穿电压的均匀性，即，降低了nmos晶体管的片间差异，进而降低了对具有该nmos晶体管的半导体器件的工作特性的影响。

本实施例还提供了一种nmos晶体管，其采用上述的nmos晶体管的形成方法制备而成，所述nmos晶体管包括半导体衬底，栅极结构，所述栅极结构的两侧的侧墙，以及位于所述栅极结构的两侧且形成于半导体衬底中的轻掺杂源/漏区和重掺杂源/漏区，所述轻掺杂源/漏区或重掺杂源/漏区的掺杂离子包括碳元素。

图3为本实施例的同一片晶圆的多个芯片的源漏击穿电压的示意图。如图3所示，在所述轻掺杂离子注入或所述重掺杂离子注入不包括碳元素注入(即条件a)时，晶圆上的各芯片的源漏击穿电压分布在一个较宽的范围内，即在8～11.7v之间。在所述轻掺杂离子注入或所述重掺杂离子注入包括碳元素注入(即条件b)时，晶圆上的各芯片的源漏击穿电压分布在一个较窄的范围内，即在10.8～11.3v之间。由上可知，包括碳元素注入与不包括碳元素注入操作相比，其降低了掺杂区注入过程中的掺杂元素和电场分布对轻掺杂源/漏区和重掺杂源/漏区的掺杂操作和热处理的敏感度，从而提高了同一片晶圆上的不同芯片的源漏击穿电压的均匀性，即，降低了nmos晶体管的片间差异。

综上可知，本发明通过在轻掺杂离子注入或重掺杂离子注入时增加了碳元素注入，使得碳元素分布于磷与硅衬底中的硅的结合物所沉积的晶体之间的缝隙中，以间隙原子的形式存在。在后续热处理过程中，降低了磷离子在半导体衬底中的扩散速度，进而使得磷离子可以均匀扩散，降低了掺杂区注入过程中的掺杂元素和电场分布对轻掺杂源/漏区和重掺杂源/漏区的掺杂操作和热处理的敏感度，从而提高了同一片晶圆上的不同芯片的源漏击穿电压的均匀性，即，降低了nmos晶体管的片间差异，进而降低对具有该nmos晶体管的半导体器件的工作特性的影响。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”的描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。