專利名稱：具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是有關(guān)于一種半導(dǎo)體組件，特別是有關(guān)于一種制造具有多重柵極(multiple-gate)及應(yīng)變的溝道層(strained channel layer)的晶體管，且可應(yīng)用在25奈米(sub-nanometer)制程以下。
背景技術(shù)：
為了提高金氧半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductorfield effect transistors；MOSFET)的操作效能，傳統(tǒng)常見的方法為縮小金氧半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的尺寸，如此除了可改善組件的操作效能外，還能同時提高組件的密度和降低制造成本。然而，由于傳統(tǒng)塊金氧半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(bulk MOSFET)的柵極長度(gate length)的縮小，便容易由于源極與漏極與其間的溝道相互作用，而影響了柵極對于其溝道的開啟/關(guān)閉狀態(tài)的控制能力，而進一步引起的所謂的短溝道效應(yīng)(short channel effects；SCE)。
為了抑制所衍生的短溝道效應(yīng)的問題，傳統(tǒng)上，解決的方法有增加主體摻雜濃度、降低柵極氧化層的厚度、以及超淺源極/漏極接合面(ultra-shallow source/drain junction)等。
當(dāng)柵極長度縮小至25奈米級時，利用上述傳統(tǒng)的方法來解決傳統(tǒng)塊金氧半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的短溝道問題是相當(dāng)困難的。因此，有人提出雙柵極金氧半場效晶體管的結(jié)構(gòu)來解決上述的問題，所謂雙柵極金氧半場效晶體管的結(jié)構(gòu)是為在溝道區(qū)的兩側(cè)設(shè)置柵極，使得溝道區(qū)可以由其兩側(cè)的柵極獲得控制，以降低短溝道效應(yīng)。此外，當(dāng)此雙柵極金氧半場效晶體管組件開啟時，會形成兩個反轉(zhuǎn)層(inversion layers)，以允許更多的電流流通。同時，此種雙柵極金氧半場效晶體管的結(jié)構(gòu)還可以進一步提高組件的積集度。
另一種改善晶體管的效能的方法為利用應(yīng)力來提高溝道區(qū)的載子的遷移率(mobility)。如圖1所示，借由在松弛的硅鍺層(relaxed SiGelayer)14上磊晶成長一硅層16，以制備出具有應(yīng)變的溝道層的晶體管18。而松弛的硅鍺層14是形成于硅基底10上的厚度厚且具有濃度梯度的硅鍺緩沖層12表面而得。與松弛的硅相較，松弛的硅鍺層14具有較大的晶格常數(shù)(lattice constant)，因此，在松弛的硅鍺層14上磊晶成長出的薄硅層16會處于雙軸拉伸應(yīng)變(biaxial tensile strain)。在此情況下，電洞和電子載子兩者在處于雙軸拉伸應(yīng)變的硅層16中的遷移速率會增加。
圖1所示的具有應(yīng)變的溝道層的晶體管18的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的金氧半晶體管的結(jié)構(gòu)類似，然而兩者的載子的遷移率相差甚多。通常，在松弛的硅鍺層14上磊晶成長一硅層16后，利用傳統(tǒng)的0.18微米的金氧半晶體管制程，可以制備出相當(dāng)于正常晶格的硅塊材上的0.13微米的金氧半場效晶體管組件的效能。雖然具有應(yīng)變的溝道層的晶體管18可以有效地提高組件的操作效能，然而，這樣的結(jié)構(gòu)無法有效達到提高組件積集度的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，用以同時借由提高載子的遷移率來提高組件的效能，以及同時提高組件的積集度。
因此，本實用新型提供一種具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管。垂直型鰭形半導(dǎo)體層位于基底上，其具有源極、漏極以及位于源極和漏極之間的溝道區(qū)，且垂直型鰭形半導(dǎo)體層中具有一應(yīng)變。柵極絕緣層位于垂直型鰭形半導(dǎo)體層的溝道區(qū)表面。柵極電極位于柵極絕緣層上，并包覆對應(yīng)于溝道區(qū)的垂直型鰭形半導(dǎo)體層的兩側(cè)壁和一頂面。
本實用新型并提供另一種具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管。垂直型鰭形半導(dǎo)體層位于基底上，其具有源極、漏極以及位于源極和漏極之間的溝道區(qū)。柵極絕緣層位于垂直型鰭形半導(dǎo)體層的溝道區(qū)表面。柵極電極位于柵極絕緣層上，并包覆垂直型鰭形半導(dǎo)體層的兩側(cè)壁和一頂面的溝道區(qū)。應(yīng)力膜層位于源極和漏極上，借以將應(yīng)力導(dǎo)入垂直型鰭形半導(dǎo)體層中，使垂直型鰭形半導(dǎo)體層具有一應(yīng)變。
在上述具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管中，垂直型鰭形半導(dǎo)體層中的應(yīng)變可為拉伸應(yīng)變或壓縮應(yīng)變。若為拉伸應(yīng)變，其拉伸應(yīng)變強度約為0.01％至2％，應(yīng)力膜層的熱膨脹系數(shù)大于垂直型鰭形半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)。若為壓縮應(yīng)變，其壓縮應(yīng)變強度約為0.01％至2％，應(yīng)力膜層的熱膨脹系數(shù)小于垂直型鰭形半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)。


圖1是表示傳統(tǒng)借由硅鍺緩沖層的使用而制備出的具有應(yīng)變溝道層的晶體管的剖面示意圖；圖2A至圖2G是表示本實用新型的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管的制造流程圖；圖3是表示經(jīng)過源極/漏極的淡摻雜制程和濃摻雜制程后所形成的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管的上視圖。
符號說明硅基底10
硅鍺緩沖層12松弛的硅鍺層14硅層16晶體管18硅層/氧化硅層迭置型基底20硅基底22埋入式氧化硅層24硅層26鰭形硅層26a罩幕層28柵極介電層30柵極電極32圖案化罩幕層34間隙壁36導(dǎo)電層38應(yīng)力膜層40具體實施方式
為讓本實用新型的上述目的、特征及優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。
以下將配合圖2A至圖2G詳細說明本實用新型的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管的制造方法。
請參照圖2A，首先提供半導(dǎo)體層/絕緣層迭置型基底，例如為硅層/氧化硅層迭置型基底(silicon on insulator substrate；SOI substrate)20，其包括硅基底22、埋入式氧化硅層24和硅層26，在此實施例中是以該種型式的基底為例。當(dāng)然半導(dǎo)體層的材質(zhì)和絕緣層的材質(zhì)并不限定于此，例如硅鍺亦可做為半導(dǎo)體層。
接著請參照圖2B，于硅層26中定義出鰭形硅層(silicon fins)26a，以做為溝道層之用。其中鰭形硅層26a的寬度約為50埃至500埃左右，高度約為200埃以上。
定義鰭形硅層26a的方法例如是于硅層26上形成一罩幕層28，并以該罩幕層28為蝕刻罩幕，以將該罩幕層28的圖案轉(zhuǎn)移至其下方的硅層26中。此罩幕層28可為光阻層(photoresist layer)、能量敏感層(energysensitive layer)、氧化硅層、氮化硅層、或其它材質(zhì)的罩幕層。
接著，對鰭形硅層26a進行側(cè)表面平滑化處理，以降低鰭形硅層26a側(cè)表面的粗糙度。側(cè)表面平滑化處理的方法為犧牲性氧化處理和側(cè)壁處理，其中側(cè)壁處理的方法例如是在1000℃含氫(H2)的環(huán)境下進行高溫回火。當(dāng)鰭形硅層26a的側(cè)表面經(jīng)犧牲性氧化處理時，會于表面氧化生成一層氧化硅，借此修復(fù)表面于蝕刻過程中所受到的傷害，并將上部邊角圓滑化，再將氧化硅移除。表面平滑化的目的在于使組件具有好的載子遷移率，以及利于后續(xù)形成可靠度佳的柵極絕緣層。
接著如圖2C所示，將具有干凈且平整表面的鰭形硅層26a上方的罩幕層28移除。移除的方法可為電漿蝕刻或濕蝕刻，濕蝕刻所使用的蝕刻劑可為稀釋的氫氟酸(DHF)。在此蝕刻過程中，硅層26a底部可能發(fā)生底切(undercut)或凹槽(notch)。
接著，于鰭形硅層26a表面形成一層?xùn)艠O介電層30，其形成方法例如是熱氧化法、化學(xué)氣相沉積法、濺鍍等。通常，鰭形硅層26a的側(cè)壁和頂部的柵極介電層30具有不同的厚度，通常是頂部的柵極介電層30的厚度較側(cè)壁為厚。其材質(zhì)可為氧化硅、或氮氧化硅，其厚度約為3埃至100埃，較佳的是10埃以下，頂部部份的厚度較佳的是20埃以下；或者為高介電常數(shù)的材質(zhì)，例如氧化鋁(Al2O5)、氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、或其它類似此性質(zhì)者，其等效氧化層厚度(equivalent oxidethickness)約為3至100埃。
接著，形成一層導(dǎo)電層于柵極介電層30上，其材質(zhì)可為多晶硅、多晶硅鍺、耐火金屬(refractory metal)、類金屬化合物、或其它導(dǎo)電材質(zhì)，其中耐火金屬可為鉬(Mo)、鎢(W)等，類金屬化合物可為氮化鈦。
接著于導(dǎo)電層上覆蓋一圖案化罩幕層34，并借由蝕刻，將圖案化罩幕層34的圖案轉(zhuǎn)移至導(dǎo)電層中，以形成柵極電極32，如圖2D所示。以材質(zhì)為多晶硅的導(dǎo)電層以及材質(zhì)為氮氧化硅的柵極介電層30為例，其蝕刻條件例如是含氯和溴的蝕刻氣體進行電漿蝕刻，其多晶硅對氮氧化硅的蝕刻選擇比超過2000。
在完成柵極電極32的定義后，則移除其上方的圖案化罩幕層34。
接著，進行源極/漏極的淡摻雜制程，其形成方法例是以離子植入、電漿侵入式離子植入(plasma immersion ion implantation，PIII)、或是其它的技術(shù)來進行。
接著，借由沉積以及選擇性非等向性地蝕刻介電材質(zhì)，以于柵極電極32以及鰭形硅層26a的側(cè)壁形成間隙壁36，間隙壁36的材質(zhì)可為氮化硅或氧化硅。位于鰭形硅層26a側(cè)壁的間隙壁可以利用另外的蝕刻制程加以移除，如圖2E所示。之后進行源極/漏極的濃摻雜制程，其形成方法例是以離子植入、電漿侵入式離子植入、固體源擴散(solid sourcediffusion)、或是其它的技術(shù)。在此步驟中，亦可以根據(jù)需要，同時將離子摻雜入柵極電極26a，借此提高其導(dǎo)電性。任何植入的傷害或非晶化可借由后續(xù)高溫回火制程而獲得改善。
經(jīng)過上述的源極/漏極的淡摻雜制程和濃摻雜制程后，于柵極電極26a兩側(cè)的鰭形硅層26a中形成具有淺摻雜漏極結(jié)構(gòu)(lightly dopeddrain)LDD的源極/漏極S/D，如圖3的上視圖所示。
接著請參照圖2F，為了降低源極/漏極S/D的片電阻，因此在源極/漏極S/D表面形成一層導(dǎo)電層38，意即，此導(dǎo)電層38形成于鰭形硅層的頂部和側(cè)壁。導(dǎo)電層38的材質(zhì)例如是以自動對準金屬硅化物制程(self-aligned silicide process，salicide process)形成的金屬硅化物，例如硅化鈷。該材質(zhì)亦可為金屬、多晶硅、或是磊晶硅。
之后，沉積一層高應(yīng)力膜層40覆蓋于柵極電極32上和導(dǎo)電層38上，其厚度約為50～1000埃，如圖2G所示。由于鰭形硅層26a和高應(yīng)力膜層40兩者之間的熱膨脹系數(shù)(thermal expansion coefficient)及楊氏系數(shù)(Young’s modulus)有很大的差異(見表一)，使得在經(jīng)過半導(dǎo)體制程中所需的高溫沉積或熱回火制程后，高應(yīng)力膜層40自高溫降溫時的收縮速度和鰭形硅層26a的收縮速度會有很大的差異，因此會將應(yīng)力導(dǎo)入鰭形硅層26a的溝道區(qū)中，產(chǎn)生的應(yīng)力可能是數(shù)百MPa甚至超過1GPa。
表一 可以選擇用于制備高應(yīng)力膜層40的絕緣材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)及楊氏系數(shù)熱膨脹系數(shù) 楊氏系數(shù)α(K-1)E(GPa)氧化鋯(zirconium oxide)1.11×10-5200塊滑石(steatite；MgOSiO2) 8.0×10-6-氧化鋁(aluminum oxide) 7.7×10-6390氮化鋁(aluminum nitride) 5.1×10-6380碳化硅(silicon carbide)4.3×10-6400氮化硅(silicon nitride)2.8×10-6～3.6×10-6306硅(silicon)2.0×10-6 156氧化硅(silicon oxide) 5.0×10-7-如果高應(yīng)力膜層40的熱膨脹系數(shù)小于鰭形硅層26a，則鰭形硅層26a會感受到壓縮應(yīng)變(compressive strain)。若高應(yīng)力膜層40施與溝道區(qū)的應(yīng)變?yōu)閴嚎s應(yīng)變，則電洞載子的遷移率可獲得提升。因此，覆蓋于高應(yīng)力膜層40下方的柵極電極36和源極/漏極S/D構(gòu)成的晶體管為PMOS晶體管。上述的應(yīng)變是指沿源極至漏極方向的壓縮應(yīng)變，鰭形硅層26a中的壓縮應(yīng)變強度為0.01％至2％，較佳的是0.1％至2％，更佳的是1％至2％。
如果高應(yīng)力膜層40的熱膨脹系數(shù)大于鰭形硅層26a，則鰭形硅層26a會感受到拉伸應(yīng)變(tensile strain)。若高應(yīng)力膜層40施與溝道區(qū)的應(yīng)變?yōu)槔鞈?yīng)變，則電子和電洞載子兩者的遷移率均可獲得提升。因此，覆蓋于高應(yīng)力膜層40下方的柵極電極36和源極/漏極S/D構(gòu)成的晶體管可為PMOS晶體管和NMOS晶體管。上述的應(yīng)變是指沿源極至漏極方向的拉伸應(yīng)變，鰭形硅層26a中的拉伸應(yīng)變強度為0.01％至2％，較佳的是0.1％至2％，更佳的是1％至2％。
就高應(yīng)力膜層40而言，借由控制形成的條件，可以調(diào)整所形成的膜層的應(yīng)力大小，根據(jù)研究，可控制應(yīng)力的因素有溫度、壓力或制程氣體的流速比。舉例而言，利用電漿增強型化學(xué)氣相沉積的氮化硅(plasma-enhanced chemical vapor deposited silicon nitride)可以導(dǎo)入至溝道區(qū)中的應(yīng)力可為拉伸應(yīng)力或壓縮應(yīng)力，端視沉積的條件而定。此外，若選擇氧化硅制備高應(yīng)力膜層40，還可以借由改變摻雜的物質(zhì)及摻雜的濃度來改變其熱膨脹系數(shù)及楊氏系數(shù)，可以摻雜的物質(zhì)例如是鍺(Ga)、氮(N)或耐火的金屬(refractory metal)。
如上所述，本實用新型的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，借由其垂直型的結(jié)構(gòu)，使晶體管的積集度可以有效地提升；并借由應(yīng)力膜層的覆蓋，使應(yīng)力導(dǎo)入溝道區(qū)中而引發(fā)拉伸應(yīng)變或壓縮應(yīng)變，以提高載子的遷移率，進而提升組件的操作效能。
本實用新型的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，可視為三個并聯(lián)的晶體管，分別位于鰭形硅層兩側(cè)及頂面。該結(jié)構(gòu)可有效提高組件的電流量。
權(quán)利要求1.一種具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于所述晶體管包括一基底；一垂直型鰭形半導(dǎo)體層位于該基底上，該垂直型鰭形半導(dǎo)體層具有一源極、一漏極以及位于該源極和該漏極之間的一溝道區(qū)，且該垂直型鰭形半導(dǎo)體層中具有一應(yīng)變；一柵極絕緣層位于該垂直型鰭形半導(dǎo)體層的該溝道區(qū)表面；以及一柵極電極位于該柵極絕緣層上，并包覆對應(yīng)于該溝道區(qū)的該垂直型鰭形半導(dǎo)體層的兩側(cè)壁和一頂面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該應(yīng)變?yōu)檠卦撛礃O至該漏極方向的拉伸應(yīng)變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該垂直型鰭形半導(dǎo)體層中的該拉伸應(yīng)變強度為0.01％至2％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于更包括一應(yīng)力膜層位于該源極和該漏極上，該應(yīng)力膜層的熱膨脹系數(shù)大于該垂直型鰭形半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該應(yīng)變?yōu)檠卦撛礃O至該漏極方向的壓縮應(yīng)變。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該垂直型鰭形半導(dǎo)體層具有圓滑化的上部邊角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該垂直型鰭形半導(dǎo)體層底部具有底切或凹槽的次結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該柵極絕緣層的材質(zhì)為氧化硅、氮氧化硅、或相對電容率大于5的介電材質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該柵極絕緣層的等效氧化層厚度為3～100埃。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該垂直型鰭形半導(dǎo)體層的側(cè)壁的該柵極絕緣層的厚度不同于頂部的厚度。
11.一種具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于所述晶體管包括一基底；一垂直型鰭形半導(dǎo)體層位于該基底上，該垂直型鰭形半導(dǎo)體層具有一源極、一漏極以及位于該源極和該漏極之間的一溝道區(qū)；一柵極絕緣層位于該垂直型鰭形半導(dǎo)體層的該溝道區(qū)表面；一柵極電極位于該柵極絕緣層上，并包覆該垂直型鰭形半導(dǎo)體層的兩側(cè)壁和一頂面的該溝道區(qū)；以及一應(yīng)力膜層位于該源極和該漏極上，借以將應(yīng)力導(dǎo)入該垂直型鰭形半導(dǎo)體層中，使該垂直型鰭形半導(dǎo)體層具有一應(yīng)變。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該應(yīng)變?yōu)檠卦撛礃O至該漏極方向的拉伸應(yīng)變。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該垂直型鰭形半導(dǎo)體層中的該拉伸應(yīng)變強度為0.01％至2％。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于更包括該應(yīng)力膜層的熱膨脹系數(shù)大于該垂直型鰭形半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該應(yīng)變?yōu)檠卦撛礃O至該漏極方向的壓縮應(yīng)變。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該垂直型鰭形半導(dǎo)體層具有圓滑化的上部邊角。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該垂直型鰭形半導(dǎo)體層底部具有底切或凹槽的次結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該柵極絕緣層的材質(zhì)為氧化硅、氮氧化硅、或相對電容率大于5的介電材質(zhì)。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該柵極絕緣層的等效氧化層厚度為3～100埃。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管，其特征在于該垂直型鰭形半導(dǎo)體層的側(cè)壁的該柵極絕緣層的厚度不同于頂部的厚度。
專利摘要一種具有多重柵極及應(yīng)變的溝道層的晶體管的結(jié)構(gòu)包括由垂直型半導(dǎo)體層構(gòu)成的源極、漏極和溝道區(qū)所構(gòu)成的晶體管，以及用以使溝道區(qū)中具有一應(yīng)變的應(yīng)力層。其中，柵極絕緣層位于垂直型鰭形半導(dǎo)體層的溝道區(qū)表面，柵極電極位于柵極絕緣層上，并包覆對應(yīng)于溝道區(qū)的垂直型鰭形半導(dǎo)體層的兩側(cè)壁和一頂面。
文檔編號H01L29/66GK2699480SQ20042004994
公開日2005年5月11日 申請日期2004年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月9日
發(fā)明者楊育佳, 楊富量, 胡正明 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司