具有改善的局部匹配与端末电阻的RX基电阻器的半导体装置

摘要

形成在紧密靠近的电阻器之间具有减少的变化性、具有经改善的端末电阻、和减少的随机掺杂剂不匹配的半导体装置。实施例包含以相当高剂量(例如大约4至大约6keV)、和相当低植入能量(例如大约1.5至大约2E15/cm

说明书

技术领域

本发明关于在主动区域上形成具有电阻器的微型化晶体管装置。本揭示内容尤其可以应用于用32奈米(nm)技术节点和更小者形成的半导体装置。

背景技术

典型地，于集成电路中的电阻器是以多晶硅栅极电极形成，尤其是在45nm产品的各种模拟应用。然而，当晶体管装置的尺寸继续缩小时，会发生各种问题，而对于能够制造具有高度可靠性和高电路速度的半导体装置的方法有增加的需求。较小的晶体管需要减少的特征尺寸。当用于晶体管的栅极宽度减少时，多晶硅厚度的减少，亦即，低于则会不利地影响电阻器的电阻。

多晶电阻器的一个具吸引力的替代方案为RX基电阻器(RX basedresister；亦即，形成在硅衬底的主动硅区域的电阻器)，因为主动硅区域不受晶体管的缩小以及所导致的多晶硅厚度的减少的影响。于32nm技术以及更先前的技术，晶体管典型用金属栅极和高k电介质形成，而多晶硅则用非晶硅(a-Si)取代。因为a-Si由于有较大的颗粒大小而具有较差的电阻温度系数(TCR)，因此会削弱由a-Si形成的电阻器。由于RX电阻器呈现了改善的TCR，故在预先非晶化植入时，RX电阻器已经证明其为具吸引力的替代方案。

藉由以硼(B)对硅进行植入而控制电阻器的电阻。为了于45nm技术中以硼(B)对多晶电阻器进行植入，所使用的能量典型为8keV，而剂量范围从2.6E15至6.5E15/cm²。使用相同的能量于目标RX电阻器时，相较于多晶/a-Si电阻器需要较低B剂量(例如，9E14/cm²)，以获得与多晶电阻器相同的薄片电阻(sheet resistance)。然而，低剂量的使用已发现到是有问题的。

首先，低的B剂量会减少在紧密靠近的电阻器之间的局部匹配。较低的剂量意味着较少的B原子，其会转变成较高的随机掺杂剂变动。因为藉由随机掺杂剂变动而驱策局部匹配，故局部不匹配系数是线性相依于B剂量。对于9E14的目标B剂量，期望局部不匹配为大约2.1％-μm，其大约为多晶电阻器的二倍。用来改善局部匹配的解决方案是增加电阻器的大小，由此减少随机掺杂剂变动。然而，增加电阻器大小导致设计面积的损失(penalty)。

于使用低B剂量时所伴随的另一个问题是较高的端末电阻(endresistance)，这是因为硅化物对硅的接触会变成萧特基接触(Schottky contact)而非欧姆接触。对于大约1.1E15的B剂量而言，端末电阻为大约60欧姆微米(ohms-μm)，其明显地高于45ohms-μm的规格上限。高裂隙(High Rend)亦影响电阻器的VCR。较低剂量(譬如目标9E14)会将端末电阻进一步提升至规格限制之上。用来改善端末电阻所提出的解决方案为在电阻器端末增加植入。然而，此方法对于现有的设计而言将需要不希望的屏蔽改变，以允许仅于电阻器端末进行额外的植入，由此减少制造产量并且增加成本。其亦将不利地影响小长度电阻器的薄片电阻。

因此，需要一种有效的方法，以便能够制造具有在紧密靠近电阻器之间的增加的局部匹配、改善的端末电阻、和减少的随机掺杂剂不匹配的RX电阻器的半导体装置。

发明内容

本揭示内容的一个态样为制造具有电阻器的半导体装置的方法，在紧密靠近的电阻器之间具有增加的局部匹配并具有改善的端末电阻。

本揭示内容的另一个态样为包括有电阻器的半导体装置，在紧密靠近的电阻器之间具有增加的局部匹配并具有改善的端末电阻。

于下列说明中将提出本揭示内容的额外的态样和其它的特征，而该说明的部分对于此技艺具有一般技术者依于下文的检验将是明显的，或者可以从本揭示内容的实作中学习。可如同特别于附加根据权利中指出的内容了解与获得本揭示内容的优点。

依照本揭示内容，藉由一种方法可以部分地达成一些技术效果，该方法包括：于衬底上形成主动区域；于该主动区域的部分上定义电阻结构，各电阻结构包括第一边缘和相对于该第一边缘的第二边缘；以及，以少于8keV的能量和大于或等于1.5E15/cm²的剂量将掺杂剂引入该电阻的结构。

本揭示内容的态样包含：以大约4至6keV的能量和大约1.E15/cm²(例如1.7E15/cm²)至2E15/cm²的剂量，离子植入硼(B)于电阻结构中。进一步的态样包含于硅或SOI衬底上形成主动区域，该衬底具有厚度大约700至另一个态样包含于电阻结构上形成电介质层，并且穿过接近该电阻的结构的第一和第二边缘的电介质层形成金属接点(contact)。另外的态样包含于形成电介质之前于各电阻的结构的中央部分之上形成硅化物阻障(block)，并且于电阻的结构的剩余部分上形成硅化物。另一个态样包含于二个主动区域之间的衬底上形成高k电介质层，并且于该高k栅极电介质层上形成金属栅极电极。进一步的态样包含于具有厚度小于的金属栅极电极上形成非晶硅层。

本揭示内容的另一个态样为半导体装置，包括：硅或SOI衬底；金属栅极电极，形成在该衬底上，该金属栅极电极具有第一和第二侧表面；主动区域，形成在该衬底中邻接该金属栅极电极的该第一和第二侧表面，部分的该主动区域为电阻结构，各电阻结构具有第一边缘和相对于该第一边缘的第二边缘，该电阻的结构以大于1.5E15/cm²的剂量(例如大于7E15/cm²)、和大约4至6keV的能量用掺杂剂进行离子植入。

态样包含电阻结构，该电阻结构以大约1.5E15/cm²至2E15/cm²(例如1.7E15/cm²至2E15/cm²)的剂量用B进行离子植入。另一个态样包含接近各第一边缘与各第二边缘的金属接点。另一个态样包含在该栅极电极下方的高k栅极电介质。进一步的态样包含在该金属栅极电极上的非晶硅层，其厚度小于另一个态样包含于各电阻的结构的中央部分之上的硅化物阻障，与于各电阻的结构的剩余部分上的硅化物层。

本揭示内容的另一个态样为制造半导体装置的方法，该方法包括下列步骤：于硅或SOI衬底上形成高k栅极电介质层；于该高k栅极电介质层上形成金属栅极电极，该金属栅极电极具有第一和第二侧表面；于邻接该金属栅极电极的该第一和第二侧表面的该衬底中形成主动区域；于该等主动区域的部分上定义电阻结构，各电阻结构包括第一边缘和相对于该第一边缘的第二边缘；以大约4至6keV的能量和大约1.5E15/cm²至2E15/cm²(例如1.7E15/cm²至2E15/cm²)的剂量，引入B掺杂剂于该电阻的结构中；于该电阻的组件上形成电介质层；以及，穿过接近该电阻结构的该第一和第二边缘的电介质层形成金属接点。进一步的态样包含形成非晶硅层于厚度小于的金属栅极电极上。另一个态样包含于形成电介质层之前于各电阻结构的中央部分之上形成硅化物阻障，并且于电阻的结构的剩余部分上形成硅化物。

由下列详细说明，本揭示内容的额外的态样和技术效果对于熟悉此项技术者而言将变得容易清楚，其中本揭示内容的实施例仅由例示构思实施本揭示内容的最佳模式的方式说明。将了解到，本揭示内容能够是其它的和不同的实施例，以及其数个细部能够以各种明显的方面修饰，所有的修饰均不会偏离本揭示内容。因此，图式和说明本质上有关例示说明，而非用来限制。

附图说明

本揭示内容是用举例方式，而非以限制方式说明，于所附图式中，其中相同的参考号码是参照相似的组件，以及其中：

图1示意地显示依照示范实施例的具有形成在主动硅区域上电阻器的半导体；

图2示意地显示依照示范实施例的形成在主动硅区域上电阻器的平面图；

图3示意地显示依照示范实施例的图2的电阻器的侧视图；

图4为依照示范实施例的制造具有电阻器的半导体装置的工艺的流程图；以及

图5为以图形方式显示局部不匹配系数与硼的剂量之间的关系。

具体实施方式

于下列说明中，为了解释的目的，提出许多特定的细部以便提供对示范实施例的完全了解。然而，很明显的，可以实作该等示范实施例而没有这些特定的细部，或者具有相等的配置。于其它的例子中，为了避免不必要地模糊了示范实施例，已熟知的结构和装置是以方块图的形式显示。

习知的实作包含于硅衬底上形成主动区域，于主动区域的部分上定义电阻的结构，各电阻的结构包括第一边缘和相对于该第一边缘的第二边缘，并且以植入能量8keV和剂量大约9E14/cm²将掺杂剂引入该电阻的结构中。然而，此种植入状况是有问题的，亦即，电阻器之间不良的局部匹配、电阻器的高端末电阻、和高随机掺杂剂变动的结果。

本揭示内容处理并且解决当二个电阻器彼此紧密靠近(例如于大约1至10μm范围的距离)地形成在硅衬底的主动区域时，电阻器之间局部不匹配、电阻器的过量端末电阻、和随机掺杂剂不匹配的该等问题。依照本揭示内容的实施例，藉由以相当高的掺杂剂剂量使用相当低的植入能量掺杂硅而形成电阻器结构。发现到藉由使用相当高的掺杂剂剂量，掺杂剂原子的数目会增加，由此减少随机掺杂剂变动，并且增加紧密靠近电阻器之间的局部匹配。亦发现到，使用相当低的植入能量以补偿较高的剂量，以维持薄片电阻于所希望的值，同时增加的剂量会改善端末电阻。

本揭示内容的实施例包含以低于8keV(例如于大约4keV和大约6keV之间)的植入能量、和以至少1.5E15/cm²(例如，于大约1.5E15/cm²和大约2E15/cm²之间)的剂量(例如大约1.7E15/cm²和大约2E15/cm²之间)，来离子植入(ion-implanting)掺杂剂。实施例进一步包含引入B作为掺杂剂。进一步的实施例包含于厚度大约700至大约的硅或SOI衬底上形成主动区域。实施例亦包含于各电阻的结构的中央部分之上形成硅化物阻障(silicide block)，并且于电阻的结构的剩余部分上形成硅化物。接着，电介质层形成在该电阻的结构上，以及以穿过该电介质层接近该电阻的结构的该第一和第二边缘的方式形成金属接点。其方法典型包含于二个主动区域之间的衬底上形成高k栅极电介质层，并且于该高k栅极电介质层上形成金属栅极电极。其方法亦包含于金属栅极电极上形成具有厚度小于的非晶硅层。

典形的半导体装置包括硅或SOI衬底、形成于该衬底上的金属栅极电极、形成于该衬底中而邻接该金属栅极电极的第一和第二侧表面的主动区域，该主动区域的部分为电阻的结构，各电阻的结构具有第一边缘和相对于该第一边缘的第二边缘。该电阻的结构典型包括掺杂剂(譬如B)以8keV的植入能量和大概9E14/cm²的掺杂剂剂量经离子植入于该电阻的结构。然而，发现到，此种植入状况增加电阻器之间的局部不匹配，并且增加端末电阻。依照本揭示内容的实施例，包括有彼此紧密靠近(例如，于大约1至10μm范围的距离)的硅形式的电阻器的半导体装置是藉由以相当高的剂量(例如，大于1.5E15/cm²，譬如大约1.5至2E15/cm²，例如大约1.7E15至2E15/cm²)，和藉由相当低的能量(譬如低于8keV，例如大约4至6keV)离子植入掺杂剂(例如B)而被制成具有明显减少的不匹配和端末电阻。电阻的结构典型包含接近各第一边缘和各第二边缘的金属接点。金属栅极电极典型覆盖高k栅极电介质，而具有少于的厚度的非晶硅层则覆盖该金属栅极电极。电阻的结构可以包含在各电阻的结构的中央部分之上的硅化物阻障，和于各电阻的结构的剩余部分上的硅化物层。

由下列详细说明，其它的态样、特征和技术效果对于熟悉此项技术者而言仍然将容易清楚，其中，仅由例示构思的最佳模式的方式显示和说明较佳实施例。将了解到，本揭示内容能够是其它的和不同的实施例，以及其数个细部能够以各种明显的方面修饰。因此，图式和说明本质上有关例示说明，而非用来限制。

依照本揭示内容的实施例的具有形成在主动硅区域中的电阻器的半导体示意地显示于图1中。主动硅区域101形成为邻接衬底105上的栅极103的相对侧表面。此衬底可以是硅晶圆或者绝缘体上覆硅(silicon-on-insulator，SOI)衬底，并且可以具有厚度大约700至栅极结构103显示为于高k电介质层111上具有多晶硅或a-Si层109的金属电极107。多晶硅或a-Si层109具有少于的厚度。电阻器结构(RX)113形成在主动区域101中。

如图2和3中所例示，RX 113包含具有第一边缘203和第二边缘205的主动硅区域101的部分201。部分201包含掺杂剂(譬如B)。于以下参照图4和5更详细说明将B引入硅区域201的方式。硅化物层301以下述方式形成：藉由用譬如镍的耐火金属(为了方便例示而未显示)覆盖硅201并且加热以反应金属与硅以形成硅化物层301。于形成电阻器期间，将使用硅化物阻障207(例如，光阻或氮化物)以防止于电阻器的主体的硅化作用。电介质层303形成在硅化物层301之上。以接近边缘203和205的方式穿过电介质层303形成孔(hole)，并且用导电材料填满以形成接点209，该接点209连接至以半导体的金属1样式(pattern)形成的金属带(metal strap)211。

形成RX 113的方法说明于图4中。于步骤401，例如晶体管源极或漏极的主动区域是形成在硅或SOI衬底中。于步骤403，于待形成电阻器之处，譬如B的掺杂剂如藉由离子植入被引入到硅中。用少于8keV、例如大约4至大约6keV的能量，和大于1.5E15/cm²、例如大约1.5E15至大约2E15/cm²、例如1.7E15/cm²至大约2E15/cm²的剂量，引入B掺杂剂。

于步骤405，硅化物阻障会形成在掺杂的硅的中央区域之上。于步骤407，譬如像是钴、镍、或钛的耐火金属以共形方式沉积在经掺杂的硅和硅化物阻障之上。于步骤409，当被加热时，金属与下方硅反应，以形成金属硅化物。硅化物阻障防止金属被沉积于经掺杂的硅的中央区域，由此防止硅化物形成于该区域中。

于步骤411，具有厚度范围从大约至大约的例如氧化硅的电介质材料的层形成在硅化物上。于步骤413，如藉由蚀刻，在电介质层中于电阻器结构的各端末形成开口(opening)。孔暴露硅化物层的终端部分。于步骤415，譬如钨或钛钨(titanium tungsten)的导电材料沉积在电介质层上和于孔中，接着藉由对于电介质层具有高选择性的化学机械研磨(CMP)而平坦化。被填满的孔用作为用于该电阻器的接点。于步骤417，在电介质层之上形成金属1样式以于接点之上形成金属带。

图5显示B剂量与局部不匹配系数之间的线性关系。如所示，当剂量从1.5E15减少至1.1E15时，局部不匹配系数增加。依给定的线性关系，当使用于多晶电阻器时(如前文所提及，多晶电阻器典型使用较高剂量，其是为何当与多晶电阻器相比较时RX电阻器的局部不匹配更糟)，若B剂量将减少至9E14，局部不匹配系数将预期持续增加至大约2.1％-μm。另一方面，当增加剂量时，局部不匹配系数以线性方式持续减少，直到达到饱和为止。如此一来，藉由减少植入能量同时增加B剂量大于大约1.5E15、譬如大约1.5E15至大约2E15、例如大约1.7E15至大约2E15，能够改善局部不匹配系数。

本揭示内容的实施例达成数种技术效果，包含减少紧密靠近电阻器之间的局部不匹配和改善端末电阻而不会增加各电阻器的面积或者要求额外的屏蔽步骤。本揭示内容于任何各种类型的高度集成半导体装置中享有工业可应用性。

于前述说明中，本揭示内容参照其特定示范实施例而作了说明。然而，很显然的，对于该等实施例可以作各种的修饰和改变而不会偏离于根据权利内所提出的本揭示内容的较广的精神和范围。因此，说明书和图式是有关例示说明而非用作限制。应该了解到本揭示内容能够使用各种其它的组合和实施例，并且如表现于本文中在本发明概念的范围内能够作任何的改变和修饰。