專利名稱：具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場(chǎng)效晶體管(field effect transistor，F(xiàn)ET)的制造方法，特別涉及一種具有伸張應(yīng)變的信道層(tensile-strained channellayer)的場(chǎng)效晶體管的制造方法。
利用應(yīng)力引發(fā)的能帶結(jié)構(gòu)變型來增加載子的遷移率，以增加場(chǎng)效晶體管的趨動(dòng)電流，可改善場(chǎng)效晶體管組件的效能，且此種方法已被應(yīng)用于各種組件中。這些組件的硅信道處于雙軸伸張應(yīng)變的情況。
傳統(tǒng)上，利用在松弛的(relaxed)硅鍺(SiGe)層或基底上磊晶成長硅信道層，以制備伸張應(yīng)變的硅層。然而，在成長伸張應(yīng)變的硅信道層的前，通常需于硅基上成長晶格逐漸變形的Si1-xGex層，其中鍺的比例x自0逐漸增加至0.2，以做為緩沖層，再接著于Si1-xGex緩沖層上成長一層松弛的SiGe層。此種方法有很多缺點(diǎn)，要成長不同莫耳比例的Si1-xGex層的制作過程相當(dāng)難控制，相當(dāng)費(fèi)時(shí)，且成本相對(duì)提高。而且當(dāng)Ge的莫耳比要增加時(shí)，所磊晶的Si1-xGex層的總厚度會(huì)隨的增加，因而產(chǎn)生許多的穿透性差排(threadingdislocation)。
因此，有人提出將碳原子合并至硅鍺層中，以利用碳原子來減少硅鍺的晶格常數(shù)，使得硅鍺的晶格常數(shù)更接近硅，藉此來減少應(yīng)變，并允許成長較厚的硅鍺層，以及降低硼的擴(kuò)散，如美國專利6,190,975B1。但此種方法，更增加了硅鍺緩沖層的制作過程困難度。
本發(fā)明提供一種具有伸張應(yīng)變的信道的場(chǎng)效晶體管的制造方法，該方法提供一單晶硅基底，之后于單晶硅基底上磊晶一伸張應(yīng)變的信道層，其中伸張應(yīng)變的信道層由將原子尺寸較硅小的元素導(dǎo)入單晶硅層中，以取代硅晶格中硅原子的位置而成，即伸張應(yīng)變的信道層由硅及原子尺寸較硅小的元素兩者所構(gòu)成。接著，于伸張應(yīng)變的信道層上形成一柵極絕緣層，以及于柵極絕緣層上形成一柵極電極，之后于柵極電極兩側(cè)形成源極/漏極。
本發(fā)明提供一種場(chǎng)效晶體管的制造方法，其方法如下于單晶硅基底上磊晶一Si1-yCy層，之后于Si1-yCy層上形成一柵極絕緣層，于柵極絕緣層上形成一柵極電極，并于柵極電極兩側(cè)的Si1-yCy層和單晶硅基底中形成一源極/漏極。
本發(fā)明并提供一種具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，適用于一單晶硅基底，包括一伸張應(yīng)變的Si1-yCy信道層，位于該單晶硅基底的主動(dòng)區(qū)上；一柵極絕緣層，位于該伸張應(yīng)變的Si1-yCy信道層上；一柵極電極，位于該柵極絕緣層上；以及一源極/漏極，位于該柵極電極兩側(cè)。
依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，上述的具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其中柵極絕緣層可為氧化硅層，再者，在氧化硅層和伸張應(yīng)變的Si1-yCy信道層之間還可包括一硅層。此外，上述的具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，還包括一金屬硅化物，位于源極/漏極中伸張應(yīng)變的Si1-yCy信道層上。
為讓本發(fā)明的上述目的、特征及優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。
圖2A至圖2B表示一種具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管的柵極絕緣層的形成方法。
圖3表示一種具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管的金屬硅化物層的形成方法。
圖4表示另一種具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管的金屬硅化物層的形成方法。
符號(hào)說明單晶硅基底10 硅層20、20a、32Si1-yCy層12間隙壁22
淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)14金屬硅化物層30柵極絕緣層(或氧化硅層)16源極S柵極電極18 漏極D
在上述的具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)中，其中柵極絕緣層16可為氧化硅層，再者，在氧化硅層和伸張應(yīng)變的Si1-yCy信道層12之間還可包括一硅層20a(參考圖2B)。此外，上述的具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，還包括一金屬硅化物30，位于源極S/漏極D中伸張應(yīng)變的Si1-yCy信道層12上。
本發(fā)明提供一種較簡單的方法來形成具有伸張應(yīng)變的信道的場(chǎng)效晶體管。而且，在本發(fā)明中將原子尺寸較硅小的元素(例如碳)導(dǎo)入單晶硅層中，以制作伸張應(yīng)變的信道層。以下將配合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的場(chǎng)效晶體管的制造方法。
請(qǐng)參照

圖1A，提供一單晶硅基底10，其中單晶硅基底10是以淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)(shallow trench isolation，STI)12定義主動(dòng)區(qū)，本發(fā)明可應(yīng)用于PMOS組件、NMOS組件及CMOS組件，在圖1中是以CMOS組件來舉例說明，所以圖式中更顯示出p-井(p-well)區(qū)域和n-井(n-well)區(qū)域。接著，于此單晶硅基底10上磊晶一層伸張應(yīng)變的信道層，例如Si1-yCy層12。其中Si1-yCy層12中的碳的莫耳分率y小于0.04，即碳的摻雜濃度要小于4％。
由于本發(fā)明使用原子體積比硅小的碳摻雜至硅層中，因此所磊晶的Si1-yCy層12的平衡晶格常數(shù)小于單晶硅。當(dāng)Si1-yCy層12磊晶于單晶硅基底10表面時(shí)，Si1-yCy層12的晶格與單晶硅晶格相較，會(huì)呈現(xiàn)雙軸張力(biaxial tension)(即水平拉伸垂直壓縮)的情況。在Si1-yCy層12中的碳的莫耳分率y小于0.02的情況下，Si1-yCy層12和單晶硅之間的晶格錯(cuò)配(lattice mismatch)比例約為1％。與現(xiàn)有的SiGe相較，若現(xiàn)有的SiGe的晶格要具有相同的晶格錯(cuò)配情況(即兩者之間的晶格錯(cuò)配比例約為1％)，則摻雜于Si中的Ge的比例要高達(dá)25％。
上述的Si1-yCy層12處于雙軸伸張應(yīng)變的情況，因此Si1-yCy層12的厚度需控制小于其自發(fā)性應(yīng)變松弛(spontaneous strain relaxation)的臨界值。以Si0.98C0.02為例，其自發(fā)性應(yīng)變松弛的臨界厚度約為10nm。
此外，用于定義主動(dòng)區(qū)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)(shallow trench isolation，STI)14可于單晶硅基底10上磊晶Si1-yCy層12的前，進(jìn)行淺溝槽隔離制作過程以于單晶硅基底10中形成，之后Si1-yCy層12利用選擇性磊晶法形成于單晶硅基底10的主動(dòng)區(qū)?；蛘撸蛇x擇于單晶硅基底10上磊晶Si1-yCy層12之后，于包含Si1-yCy層12的單晶硅基底10中形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)14，在此情況下，Si1-yCy層12可利用超高真空化學(xué)氣相沉積法(ultra-high-vacuum chemicalvapor deposition，UHVCVD)來形成。
接著，請(qǐng)參照第1B圖，于Si1-yCy層12上形成柵極絕緣層16。其中柵極絕緣層16例如為氧化硅層，其形成方法有下列三種可供選擇。
第一種柵極絕緣層16的形成方法，是利用化學(xué)氣相沉積法，于Si1-yCy層12上沉積氧化硅層、氮化硅層、氧化鉿層、氧化鋯層等。
第二種柵極絕緣層16的形成方法，是進(jìn)行氧化制作過程，使Si1-yCy層12表面氧化而形成氧化硅層(16)，此方法可參考K.Pressel et al.，“Oxidation of Si(1-y)C(y)(0＜y＜0.02)strained layers grown on Si(001)”，J.Vac.Sci.Tech.B，vol.16，no.3，pp.1757~1761，May/Jun.1998。為了氧化表層的Si1-yCy層12，氧化溫度不能過高，需低于800℃，以避免碳原子的損耗。
第三種柵極絕緣層16的形成方法，是于主動(dòng)區(qū)Si1-yCy層12上選擇性地成長硅層20，如圖2A所示，之后將此硅層20氧化，使硅層20的表層轉(zhuǎn)為氧化硅層(16)，剩下的硅層則標(biāo)示為20a，如圖2B所示。所成長的硅層20的厚度，決定于其最后剩余的厚度及熱氧化后氧化硅層(16)的厚度。通常，在熱氧化步驟后，氧化硅層(16)的厚度若為tox，則硅層20的厚度會(huì)耗損約0.46tox。假設(shè)，希望熱氧化步驟形成的氧化硅層(16)為10埃()，硅層20a的預(yù)定厚度為5埃，則在進(jìn)行熱氧化步驟前需成長9.6埃的硅層20。較佳的狀況是，熱氧化后的硅層20a的厚度約為2~6原子級(jí)層(atomic layers)，即約5~15埃左右。此硅層20提供了一個(gè)好的界面品質(zhì)，且可避免氧化硅層(16)直接成長在Si1-yCy層12表面，可確保硅層20a-氧化硅層(16)界面的碳濃度足夠低而使氧化硅層(16)有好的品質(zhì)。更重要的是，此硅層20a的存在可以確保電荷密度反轉(zhuǎn)層位在Si1-yCy層12內(nèi)，而使大部份的可動(dòng)載子(例如電子)位于Si1-yCy層12內(nèi)。因此，可以再提升晶體管的效能。
接著請(qǐng)參照?qǐng)D1C，于柵極絕緣層16上形成柵極電極18。并分別于柵極電極18兩側(cè)的p-井區(qū)域和n-井區(qū)域進(jìn)行n型和p型離子摻雜，以及于柵極電極18的側(cè)壁形成間隙壁22，并進(jìn)行快速熱回火制作過程(RTA)在不造成Si1-yCy層12應(yīng)變松弛的情況下活化n型和p型離子摻雜，以形成源極S/漏極D，以分別于p-井區(qū)域和n-井區(qū)域定義出PMOS組件及NMOS組件。
此外，并在源極S/漏極D表面形成金屬硅化物(silicide)層30。其形成方法有下列三種可供選擇。
第一種金屬硅化物層30的形成方法，使用傳統(tǒng)的方法，將源極S/漏極D中的Si1-yCy層12表層進(jìn)行金屬硅化反應(yīng)。意即，沉積一層金屬，例如鈦，接著利用高溫，使鈦金屬與Si1-yCy層12表層進(jìn)行金屬硅化反應(yīng)，最后將未反應(yīng)的鈦金屬利用濕式蝕刻法移除。
第二種金屬硅化物層30的形成方法，在進(jìn)行金屬硅化反應(yīng)前，移除暴露出的Si1-yCy層12，使形成的金屬硅化物層30中不含任何碳原子，如圖3所示。
第三種金屬硅化物層30的形成方法，在源極S/漏極D中的Si1-yCy層12的表面選擇性磊晶一層硅層32，使金屬硅化反應(yīng)發(fā)生在硅層32內(nèi)，而不會(huì)發(fā)生在Si1-yCy層12，如圖4所示。
接著進(jìn)行后續(xù)的半導(dǎo)體制作過程。
本發(fā)明雖以較佳實(shí)施例公開，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，一些等效的變化，應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管的制造方法，其特征在于，包括提供一單晶硅基底；于該單晶硅基底上磊晶一伸張應(yīng)變的信道層，其中該伸張應(yīng)變的信道層由將原子尺寸較硅小的元素導(dǎo)入單晶硅層中，以取代硅晶格中硅原子的位置而成，即伸張應(yīng)變的信道層由硅及原子尺寸較硅小的元素兩者所構(gòu)成；于該伸張應(yīng)變的信道層上形成一柵極絕緣層；于該柵極絕緣層上形成一柵極電極；以及于該柵極電極兩側(cè)形成一源極/漏極。
2.如權(quán)利要求1所述的具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管的制造方法，其特征在于，該伸張應(yīng)變的信道層為Si1-yCy層，其中y小于0.04。
3.如權(quán)利要求2所述的具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管的制造方法，其特征在于，該Si1-yCy層的組成物為Si0.98C0.02，該Si0.98C0.02層的臨界厚度為10nm。
4.如權(quán)利要求1所述的具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管的制造方法，其中該柵極絕緣層的形成方法包括利用化學(xué)氣相沉積法，于該伸張應(yīng)變的信道層上沉積一層擇自由氧化硅、氮化硅、氧化鉿和氧化鋯所組成的族群中。
5.如權(quán)利要求1所述的具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管的制造方法，其特征在于，該柵極絕緣層為一氧化硅層，該柵極絕緣層的形成方法包括進(jìn)行氧化制作過程，使該伸張應(yīng)變的信道層表面氧化而形成該氧化硅層。
6.如權(quán)利要求1所述的具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管的制造方法，其特征在于，該柵極絕緣層為一氧化硅層，該柵極絕緣層的形成方法包括于該伸張應(yīng)變的信道層上形成一硅層；以及氧化該硅層，使該硅層的表層轉(zhuǎn)為該氧化硅層。
7.一種具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，適用于一單晶硅基底，其特征在于，包括一伸張應(yīng)變的Si1-yCy信道層，位于該單晶硅基底的主動(dòng)區(qū)上；一柵極絕緣層，位于該伸張應(yīng)變的Si1-yCy信道層上；一柵極電極，位于該柵極絕緣層上；以及一源極/漏極，位于該柵極電極兩側(cè)。
8.如權(quán)利要求40所述的具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，該伸張應(yīng)變的Si1-yCy信道層中y小于0.04。
9.如權(quán)利要求41所述的具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，該伸張應(yīng)變的Si1-yCy信道層的組成物為Si0.98C0.02，該Si0.98C0.02層的臨界厚度為1nm。
10.如權(quán)利要求40所述的具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，該柵極絕緣層為一氧化硅層，該氧化硅層和該伸張應(yīng)變的Si1-yCy信道層之間還包括一硅層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有伸張應(yīng)變的信道層的場(chǎng)效晶體管的制造方法，是于單晶硅基底上磊晶一伸張應(yīng)變的信道層，其中伸張應(yīng)變的信道層由將原子尺寸較硅小的元素導(dǎo)入單晶硅層中，以取代硅晶格中硅原子的位置而成。接著，于伸張應(yīng)變的信道層上形成一柵極絕緣層，以及于柵極絕緣層上形成一柵極電極，之后于柵極電極兩側(cè)形成源極/漏極。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1466175SQ02140329
公開日2004年1月7日 申請(qǐng)日期2002年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月1日
發(fā)明者楊育佳, 楊富量, 胡正明 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司