利用侧墙和多晶硅固相扩散制作纳米CMOS器件的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用侧墙和多晶硅固相扩散制作纳米ＣＭＯＳ器件的方法，属于超大规模集成电路技术领域。该方法依次包括以下步骤：设计单元版图；器件隔离、栅氧化和栅多晶硅淀积，此步骤之前根据需要制作阱；利用侧墙转移实现栅线条；淀积二氧化硅，随后反应离子刻蚀二氧化硅形成侧墙；利用多晶硅固相扩散实现互补ＣＭＯＳ　ＬＤＤ区；淀积二氧化硅，随后反应离子刻蚀二氧化硅形成最终器件的侧墙；采用常规后续工艺形成源漏，刻蚀接触孔，形成金属连线，完成器件之间的连接。本发明专利技术方法避免了极细栅线条和超浅结制作对半导体设备的苛刻要求，工艺简单易行，具有很大的优越性。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超大规模集成电路(ULSI)
中纳米CMOS器件和电路的制备方法，尤其是利用侧墙转移实现纳米级MOS晶体管栅线条和利用重掺杂多晶硅做固相扩散源实现CMOS LDD区超浅结，从而最终实现纳米级CMOS器件和电路的方法。目前，纳米级细栅线条制作方法主要有传统的光刻技术以及各种类光刻技术，如深紫外光刻、软X射线光刻、电子束直写等；以及各种图形转移技术，如等离子体灰化、侧墙转移等。目前应用比较多的光刻技术是KrF248nm光源和ArF193nm光源Stepper光刻技术，光刻尺寸为0.25～0.18μm，是工业界的主流生产技术，通过等离子体灰化(ashen)或者移相掩摸技术可以用于亚0.1μm栅长器件的生产。目前这种光刻机极其昂贵，而且对工作环境的要求极其苛刻。超深紫外光刻方法尚处于研究阶段，其采用13nm波长近X射线做光源，目前没有适宜的辐射源，多层薄膜光学透镜的制造也很困难，也没有合适的掩膜版制造技术。X射线光刻技术应用于亚0.1μm器件的研制，目前只在IBM公司有比较多的报道。电子束直写技术是目前实验室中制作纳米线条的主要手段，由于产出率低、成本高，所以应用到工业生产中的很少，制作50nm以下的线条也有一些困难。侧墙图形转移技术是目前应用最多的一种非光刻和非电子束直写制作纳米级栅线条的技术。目前报道的栅长度最小的MOS晶体管(Intel公司，栅长10nm)和栅长最小的线条(美国加州大学伯克力分校，栅线条长7nm)都由这种方法制成。这种方法对设备要求比较低，可以在常规工艺线上实现纳米级栅线条，成本较低，产出率很高，制备也比较方便。进入亚0.1μm后轻掺杂源漏区(LDD)或者源漏扩展区(SDE)的制作成为工艺技术迫切需要解决的另一个难题，器件性能对杂质的浓度(＞1E20cm-3)，LDD结深(栅长90nm器件，Xj＜45nm)，杂质浓度梯度(栅长90nm器件，＜7.2nm/dec)都提出了更高的要求以上数据来自ITRS公布的2001年Roadmap。目前超浅结主要通过低能离子注入+快速热处理(RTP)形成，常用杂质为B、BF2、P、As、Sb等，但是杂质激活率低，存在增强扩散，杂志浓度梯度小等问题。为了得到更浅的PN结深，人们试图利用重离子簇，例如BF2、B2H6和PH3注入来得到比较浅的PN结。BF2中的F在随后的RTP中会扩散到SiO2-Si界面，造成等效栅氧厚度增加和界面缺陷密度增加，影响器件的可靠性。B2H6和PH3离子注入目前尚在研究之中，而杂质吸附及激光退火，等离子浴掺杂(plasmashower)等方法进入实用阶段还有很多工作要作。固相扩散是器件研制过程中利用的比较多的一种的方法，常见的固相扩散源有PSG，BSG，低能离子注入SiO2+固相扩散，多晶硅等。固相扩散可以实现比较高的表面杂质浓度，以及很高的杂质激活率，主要缺点是固相扩散需要比较高的温度(通常＞1000℃)，工艺的均匀性和可重复性也有待改进。PSG，BSG等只能实现一种晶体管而不能同时实现CMOS，所以无法实现CMOS电路；低能离子注入SiO2+固相扩散工艺相对比较复杂，也需要超低能离子注入；多晶硅在MOS工艺中应用比较多的是用来做P+N结的固相扩散源以实现PMOS晶体管，目前尚未有用来同时实现P+N，N+P超浅结的报道。本专利技术的制作纳米级CMOS器件和电路的方法包括以下步骤(1)设计体硅或者SOI材料上的单元版图P阱，N阱(SOI不需要制作阱)，LOCOS隔离，有源区阈值电压调整注入(p-，n-)，源漏区注入(p+，n+)，接触孔，金属引线，钝化等的掩膜版同常规工艺版图完全一致，但是没有多晶硅栅这层掩膜版，多晶硅栅是通过侧墙线条转移形成的，多晶硅掩膜版的作用是引出侧墙形成的栅线条而不是形成栅。同常规工艺相比，增加了两张版，其一用于形成侧墙，其二用于刻蚀掉不必要的侧墙部分以避免形成不需要的栅线条；(2)根据阈值电压的要求完成阱的制作，随后进行器件隔离、阈值电压调整注入，栅氧化和栅多晶硅淀积；a.阱的制作，即P阱或N阱，或者双阱，将阱的杂质浓度调整到可以得到适宜的PMOS，NMOS阈值电压(SOI工艺一般不需要制作阱)；b.场区注入和器件隔离；c.牺牲SiO2生长(需要时进行阈值调整注入)和腐蚀，栅氧化层生长；d.淀积第一层多晶硅；(3)利用侧墙转移实现栅线条；优选的方法如下a.刻蚀部分多晶硅，以防止侧墙转移时形成不必要的环状的多晶硅栅线条；b.在多晶硅上淀积氮化硅；c.淀积第二层多晶硅；d.光刻第二层多晶硅，刻蚀第二层多晶硅，光刻该层多晶硅的目的是形成陡直的边缘以得到比较理想的侧墙边缘；e.淀积二氧化硅，随后反应离子刻蚀二氧化硅形成侧墙；f.再次刻蚀剩余的第二层多晶硅；g.刻蚀氮化硅；h.腐蚀侧墙二氧化硅；i.干法刻蚀多晶硅形成栅线条，优选的方法为反应离子刻蚀法；j.腐蚀氮化硅。(4)淀积二氧化硅，随后反应离子刻蚀(RIE)二氧化硅形成侧墙；(5)利用多晶硅固相扩散实现互补CMOS LDD区；优选的方法如下a.淀积多晶硅，随后光刻，利用光刻胶作掩蔽进行P+，N+型重掺杂；b.快速热处理形成晶体管源漏扩展区，优选的方法为在1000～1100℃条件下处理10～20秒；c.刻蚀掉多晶硅。(6)淀积二氧化硅，随后反应离子刻蚀二氧化硅形成最终器件的侧墙； (7)采用常规后续工艺形成源漏，刻蚀接触孔，形成金属连线，完成器件之间的连接。本专利技术在侧墙转移制作栅线条的步骤中，采用了多晶硅/氮化硅/多晶硅这样的三层结构，利用二氧化硅侧墙来形成栅线条，工艺相对于多晶硅/二氧化硅两层结构要复杂一些，主要是基于这样一些考虑首先，就一般的刻蚀气体而言，反应离子刻蚀(RIE)二氧化硅/多晶硅的选择比比较小，如果采用多晶硅/二氧化硅两层结构，则在刻蚀二氧化硅定义侧墙边缘时在过刻蚀时会损伤栅多晶硅层，而在刻蚀氮化硅形成侧墙时会进一步严重地刻蚀多晶硅，造成多晶硅表面粗糙，而且在侧墙两边多晶硅厚度会存在比较大的差别，并且最终导致栅线条非常不均匀，而且上述等离子体刻蚀都直接在栅多晶硅上进行，会对栅介质层造成严重损伤，而采用三层结构可以将定义侧墙边缘和侧墙刻蚀转移到栅多晶硅上的氮化硅层进行，有效地避免了上述问题。其次，利用多晶硅进行ICP刻蚀时可以得到非常陡峭的边缘，这样最终形成的栅线条要整齐一些。图3是一组利用侧墙转移最终形成的多晶硅栅线条的扫描电镜(SEM)照片(顶视图)，它们对应于不同的侧墙厚度，从中可以看出线条宽度分别为图3(a)84.6nm，图3(b)101.6nm，图3(c)118.5nm.。图4(a)对应的是一个栅长约50nm，栅宽84μm(已经单位化为微米)，分成两条的NMOS晶体管的输出特性曲线。漏源电压3V，栅源电压0～3V，500mV/级，硅衬底悬空。从曲线可以看出，饱和电流驱动能力大概是0.32mA/μm。鉴于器件没有采用硅化物工艺，这样的驱动能力是相当理想的。当然，器件的泄漏电流比较大，显示出比较严重的短沟效应，这是由于器件沟道区杂质浓度比较低(P型衬底，工艺过程中硼损失比较严重导致浓度没达到预期的1E18cm-3，而只有2E17cm-3)，而且没有采用沟道工程中所常用的一些方法如沟道σ掺杂、源漏区“hal本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用侧墙和多晶硅固相扩散制作ＣＭＯＳ器件的方法，依次包括以下步骤： （１）设计单元版图：同常规工艺版图相比，没有多晶硅栅这层掩膜版，另外增加了一层用于形成侧墙的掩膜版，增加一层用于刻蚀掉不必要的侧墙部分的掩膜版； （２）进行器件隔离、栅氧化和栅多晶硅淀积；此步骤之前如果需要制作阱，则根据阈值电压的要求完成阱的制作； （３）利用侧墙转移实现栅线条； （４）淀积二氧化硅，随后反应离子刻蚀二氧化硅形成侧墙； （５）利用多晶硅固相扩散实现互补ＣＭＯＳ ＬＤＤ区； （６）淀积二氧化硅，随后反应离子刻蚀二氧化硅形成最终器件的侧墙； （７）采用常规后续工艺形成源漏，刻蚀接触孔，形成金属连线，完成器件之间的连接。

【技术特征摘要】
1.利用侧墙和多晶硅固相扩散制作CMOS器件的方法，依次包括以下步骤(1)设计单元版图同常规工艺版图相比，没有多晶硅栅这层掩膜版，另外增加了一层用于形成侧墙的掩膜版，增加一层用于刻蚀掉不必要的侧墙部分的掩膜版；(2)进行器件隔离、栅氧化和栅多晶硅淀积；此步骤之前如果需要制作阱，则根据阈值电压的要求完成阱的制作；(3)利用侧墙转移实现栅线条；(4)淀积二氧化硅，随后反应离子刻蚀二氧化硅形成侧墙；(5)利用多晶硅固相扩散实现互补CMOS LDD区；(6)淀积二氧化硅，随后反应离子刻蚀二氧化硅形成最终器件的侧墙；(7)采用常规后续工艺形成源漏，刻蚀接触孔，形成金属连线，完成器件之间的连接。2.如权利要求1所述的制作CMOS器件的方法，其特征在于利用侧墙转移实现栅线条的方法依次包括以下步骤(1)刻蚀部分多晶硅；(2)在多晶硅上淀积氮化硅；(3)淀...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文安，刘金华，黄如，张兴，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]