專利名稱：利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法以及半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種半導(dǎo)體裝置，特別是有關(guān)于一種通過在半導(dǎo)體裝置中加入應(yīng)變硅來改善載流子遷移率的方法。
背景技術(shù)：
金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)為集成電路(ICs)中的常見元件。在柵極氧化層厚度以及柵極晶體管長度不斷減小的趨勢下，半導(dǎo)體制作已可于每18～24個月內(nèi)倍增晶體管的切換速率，此即熟知的莫爾定律(Moore’s Law)現(xiàn)象。過去常通過減小柵極氧化層厚度以及源/漏極長度的技巧來達成莫爾定律，然而該技術(shù)并無法滿足加速切換速率的市場需求。因此，業(yè)界另外發(fā)展出新的策略，例如轉(zhuǎn)換新的晶體管基板材料，以及加入新的制程方法，以有效發(fā)揮這些設(shè)計以及應(yīng)用的新材料。
增加MOSFET功能的其中一種方法是增進硅的載流子遷移率，借此減少電阻及能量消耗，并增加驅(qū)動電流、頻率以及操作速率。目前增進載流子遷移率的方法已集中在提供拉伸應(yīng)力的硅材料的使用上。“應(yīng)變”硅可通過在硅鍺基板上成長一層硅來形成。該硅鍺晶格的空間由于具有較大的鍺原子于晶格中，因此通常比純硅的晶格大。由于硅晶格原子與廣泛分布的硅鍺晶格排列，因此會在硅層中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。換句話說，硅原子會與另一硅原子拉開。而提供于硅晶格的拉伸應(yīng)力會隨硅鍺晶格中的鍺比例而增加。
松弛硅具有6個等價帶，而具有伸張應(yīng)力的硅晶格會產(chǎn)生4個能量增加的價帶，以及2個能量減少的價帶。由于量子效應(yīng)，當(dāng)電子通過較低能帶時，其有效重量百分比會降低30％，因此較低能帶可提供較低電阻的電流。此外，自硅原子核的電子會遇到較低的振動能，因此使其分散速率低于在松弛硅中的500～1000倍。相對于松弛硅，應(yīng)變硅中的載流子遷移率則大幅增加，其中電子遷移率可增加80％或更多，空穴遷移率可增加20％或更多。通過遷移率的增加，可維持電場在每公分高于1.5百萬伏特，因此元件速度可在不減小裝置大小下增加35％，或在不降低功能下減少25％的能量消耗。
源極以及漏極延伸區(qū)的陡峭是應(yīng)變硅技術(shù)的關(guān)鍵。該技術(shù)的困難之處在于，應(yīng)變硅中摻雜物的擴散速度比硅中快，因此會使漏極延伸至柵極底部并增加?xùn)艠O至漏極的電容，此外，鍺擴散穿過硅鍺至硅邊界會釋放應(yīng)力而減少應(yīng)變硅層中的遷移率。
在100納米時代的裝置中，漏極延伸區(qū)深度應(yīng)低于20～35納米，源/漏極接面深度應(yīng)降至35～75納米。
因此，業(yè)界亟需一種減少注入能量以及回火時間的半導(dǎo)體技術(shù)，以達到與淺接面相同的高載流子遷移率。

發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，本發(fā)明的目的在于提供一種改良的熱回火制程，以形成應(yīng)變硅裝置。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明提供一種利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該方法包括形成具有第一晶格常數(shù)的第一基板材料于裝置基板上；形成具有第二晶格常數(shù)的第二基板材料于第一基板材料上；定義一通道，利用第一以及第二基板材料形成場效應(yīng)晶體管的源/漏極區(qū)；注入一或多種雜質(zhì)材料于源/漏極區(qū)。最后，利用鎢鹵素?zé)糁獾钠渌焖偌訜嵩椿鼗鹁w管。其中，該通道的通道晶格距離大于5埃。
本發(fā)明所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該加熱源是一惰性氣體燈。
本發(fā)明所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該加熱源是一直流電水墻氬燈。
本發(fā)明所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該加熱源是一交流電氙燈。
本發(fā)明所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該氙燈的波長為1.4～5微米。
本發(fā)明所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該加熱源是一氯化氙準分子激光。
本發(fā)明所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該回火提供每10納米距離，濃度即變化10倍。
本發(fā)明所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該回火的最高溫時間不大于10毫秒。
本發(fā)明所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該回火的升溫速率每秒不小于250℃。
本發(fā)明所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該第一基板材料是硅鍺。
本發(fā)明所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該第二基板材料是一外延應(yīng)變硅。
本發(fā)明所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該通道區(qū)以該第二基板材料形成。
本發(fā)明所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該源極以及漏極區(qū)具有不同的晶格常數(shù)。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體裝置，包括一應(yīng)變硅基板具有第一以及第二基板材料，其中該第一以及第二基板材料具有不同的晶格常數(shù)；一通道區(qū)定義于基板上，其中該通道區(qū)的通道晶格距離大于5埃；以及一場效應(yīng)晶體管的一源極以及一漏極區(qū)定義于該基板上，其中該基板以一或多種雜質(zhì)摻雜，且每10納米距離，濃度即變化10倍。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體裝置，利用加熱源回火該晶體管，該回火的升溫速率不小于每秒250℃。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體裝置，該第一基板材料是硅鍺。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體裝置，該第二基板材料是外延應(yīng)變硅。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體裝置，該源極以及漏極區(qū)具有不同的晶格常數(shù)。


圖1示出傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的具有兩層基底的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
圖3是不同加熱源的加熱時間表。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的具有第二半導(dǎo)體材料于源/漏極區(qū)的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的具有一層基底的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下本發(fā)明提供不同設(shè)計的實施例，以表示加入一應(yīng)變通道以及一改良熱回火制程來改善晶體管的功能。
請參照圖1，其顯示傳統(tǒng)MOSFET的剖面圖100。該MOSFET包括一柵極電極102，該電極通過第一柵極絕緣層108與基板106中的通道104分隔，其中該柵極絕緣層108可為氧化硅或氧化-氮化-氧化層(ONO)。該柵極電極102一般由摻雜的半導(dǎo)體材料(例如多晶硅)形成。
該MOSFET的源極以及漏極相對地形成于柵極電極102兩側(cè)，以作為深源/漏極區(qū)110。源/漏極硅化物接觸112形成于源極以及漏極區(qū)110上。該典型的硅化物包括半導(dǎo)體基板材料以及一金屬(例如鈷、鎳或鈦)，其用以減少源極以及漏極區(qū)110的接觸電阻。該源/漏極區(qū)110的深度足以延伸并超過該源/漏極接觸112的深度。形成間隔物114于柵極電極102旁，再對該源極以及漏極區(qū)110進行注入。利用間隔物114作為注入掩膜，以定義相對于柵極下方通道區(qū)104兩側(cè)位置的源/漏極區(qū)110。
同樣地，在柵極電極102上表面形成硅化物柵極接觸116。該柵極結(jié)構(gòu)包括一多晶硅材料以及一硅化物覆蓋層以作為多晶硅柵極。
該MOSFET的源極以及漏極更包括淺源極以及漏極延伸區(qū)118。當(dāng)MOSFET尺寸減小時，因源/漏極間的距離縮短，因此會產(chǎn)生短通道效應(yīng)，進而使MOSFET的功能變差。利用淺源/漏極延伸區(qū)118(而非接近通道區(qū)104兩端的深源/漏極)，減少短通道效應(yīng)以及裝置元件電容的超過。淺源/漏極延伸區(qū)118先于間隔物114形成前注入形成，再經(jīng)由后續(xù)的回火使摻雜物擴散并少量延伸至柵極電極下方，以產(chǎn)生源極以及漏極延伸區(qū)118。
請參照圖2，其顯示根據(jù)本發(fā)明第一實施例所形成的具有兩層基板的MOSFET剖面圖。其中形成MOSFET結(jié)構(gòu)的基板202一般為硅基板。于硅基板202上設(shè)置一硅鍺層204，再于該硅鍺層204上形成一應(yīng)變硅的外延層206，其中硅鍺層204與硅外延層206的晶格常數(shù)不同。MOSFET可為傳統(tǒng)的MOSFET結(jié)構(gòu)，包括深源/漏極110、淺源/漏極延伸區(qū)118、柵極氧化層108、于間隔物114間的柵極電極102、源/漏極接觸硅化物112以及柵極接觸硅化物116。MOSFET通道區(qū)104包括應(yīng)變硅材料以增進源極以及漏極間的載流子遷移率。由于應(yīng)變硅的形成，因此通道晶格距離可大于5埃。
在注入摻雜物后，進行一回火步驟以活化摻雜物。在此，回火步驟的快速熱源使用惰性氣體燈來取代典型的鎢汞燈，以改善回火效果。該加熱源可提供每秒升高250度(℃)的熱源。在回火過程中，須控制高溫加熱時間以免過熱。一般而言，上述建議的加熱源的最高溫加熱不超過10毫秒。
在第一實施例中，該加熱燈可為直流電水墻氬燈(DCwater-wall argon)或一交流電氙燈。這些燈可提供低于0.8毫秒以及高于1.5毫秒的閃切時間，而典型的氙燈波長為1.4～5微米。使用這些燈進行半導(dǎo)體回火可避免因過量鍺擴散而造成通道遷移率的降低。于第一實施例中，使用任一建議的高速加熱源來形成具有每10納米距離，濃度即變化10倍的MOSFETs，如圖2所示。
在另一實施例中，可利用氯化氙準分子激光(XeCl excimerlaser)為回火加熱源，以提供90毫秒的最短加熱時間。請參照圖3顯示的不同加熱源的加熱時間。
請參照圖4，其顯示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的MOSFET的剖面圖400。在此實施例中，設(shè)置于柵極兩側(cè)的源極以及漏極區(qū)402由不同材料組成，因此具有不同晶格常數(shù)。此外，該MOSFET結(jié)構(gòu)可與圖2相同，且其也可于通道區(qū)中形成應(yīng)變硅層404。在此，可利用傳統(tǒng)的黃光掩膜以及蝕刻技術(shù)形成不同材料的源極以及漏極。在實施例中，可移除部分源極或漏極的半導(dǎo)體材料(一般為硅鍺)。接著，沉積半導(dǎo)體材料以形成源極以及漏極區(qū)，當(dāng)形成于源極以及漏極區(qū)的材料的晶格常數(shù)不同時，可利用回火步驟來形成較佳的結(jié)果。利用表300中的改良回火加熱源，可得到一改良裝置，該裝置具有每10納米距離，濃度即變化10倍的特性。因此，也可用于減少鍺以及注入摻雜物擴散的改善。
請參照圖5，其顯示根據(jù)本發(fā)明第三實施例制作具有單層基板的MOSFET的剖面圖500。于硅基板504上形成一應(yīng)變硅層502(一般為硅鍺層)以制作通道晶格距離大于5.43埃的裝置于基板504上。利用表300的改良回火加熱源，可形成具有每10納米距離，濃度即變化10倍的特性的裝置。
雖然本發(fā)明已通過較佳實施例說明如上，但該較佳實施例并非用以限定本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應(yīng)有能力對該較佳實施例做出各種更改和補充，因此本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求書的范圍為準。
附圖中符號的簡單說明如下100傳統(tǒng)MOSFET的剖面 202基板102柵極電極 204硅鍺層104通道 206外延層106基板 300不同加熱源的加熱時間表108第一柵極絕緣層400本發(fā)明的MOSFET圖110深源極以及漏極區(qū) 402源極以及漏極區(qū)112源極以及漏極接觸 404應(yīng)變硅層114間隔物500本發(fā)明的MOSFET圖116柵極接觸硅化物502應(yīng)變硅層118淺源極以及漏極延伸區(qū) 504硅基板200本發(fā)明MOSFET的剖面圖
權(quán)利要求
1.一種利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，該方法包括下列步驟形成一具有第一晶格常數(shù)的第一基板材料于一裝置基板上；形成一具有第二晶格常數(shù)的第二基板材料于該第一基板材料上；利用該第一、第二基板材料定義場效應(yīng)晶體管的通道、源極以及漏極區(qū)；注入一或多種雜質(zhì)材料于源極以及漏極區(qū)；以及利用鎢鹵素?zé)糁獾钠渌焖偌訜嵩椿鼗鹪摼w管，其中該通道的通道晶格距離大于5埃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，其特征在于該加熱源是一惰性氣體燈。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，其特征在于該加熱源是一直流電水墻氬燈。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，其特征在于該加熱源是一交流電氙燈。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，其特征在于該氙燈的波長為1.4～5微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，其特征在于該加熱源是一氯化氙準分子激光。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，其特征在于該回火提供每10納米距離，濃度即變化10倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，其特征在于該回火的最高溫時間不大于10毫秒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，其特征在于該回火的升溫速率每秒不小于250℃。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，其特征在于該第一基板材料是硅鍺。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，其特征在于該第二基板材料是一外延應(yīng)變硅。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，其特征在于該通道區(qū)以該第二基板材料形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，其特征在于該源極以及漏極區(qū)具有不同的晶格常數(shù)。
14.一種半導(dǎo)體裝置，該半導(dǎo)體裝置包括一應(yīng)變硅基板具有第一以及第二基板材料，其中該第一以及第二基板材料具有不同的晶格常數(shù)；一通道區(qū)定義于基板上，其中該通道區(qū)的通道晶格距離大于5埃；以及一場效應(yīng)晶體管的一源極以及一漏極區(qū)定義于該基板上，其中該基板以一或多種雜質(zhì)摻雜，且每10納米距離，濃度即變化10倍。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于利用加熱源回火該晶體管，該回火的升溫速率不小于每秒250℃。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于該第一基板材料是硅鍺。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于該第二基板材料是一外延應(yīng)變硅。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于該源極以及漏極區(qū)具有不同的晶格常數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法以及半導(dǎo)體裝置。該方法包括形成具有第一晶格常數(shù)的第一基板材料于裝置基板上，再形成具有第二晶格常數(shù)的第二基板材料于第一基板材料上。利用第一、第二基板材料定義場效應(yīng)晶體管的通道、源極以及漏極區(qū)，接著注入一或多種雜質(zhì)材料于源極以及漏極區(qū)。最后，利用鎢鹵素?zé)糁獾钠渌焖偌訜嵩椿鼗鹪摼w管。本發(fā)明提供的利用應(yīng)變硅形成半導(dǎo)體裝置的方法，改良了熱回火制程，實現(xiàn)了高載流子遷移率。
文檔編號H01L29/10GK1702844SQ200510069548
公開日2005年11月30日 申請日期2005年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月13日
發(fā)明者葛崇祜, 李文欽, 胡正明 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司