專利名稱：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及制造鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)的物理應(yīng)力。更具體而言，本發(fā)明涉及包括至少一個(gè)finFET(鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)的物理應(yīng)力誘發(fā)的電荷載流子遷移率的變化。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和開發(fā)的最新進(jìn)展包括將外加物理應(yīng)力引入到半導(dǎo)體器件組件中。外加物理應(yīng)力經(jīng)常引起載流子遷移率的變化。具體而言，電荷載流子遷移率提高通常帶來半導(dǎo)體器件性能的提高。
有很多證實(shí)應(yīng)力在半導(dǎo)體器件內(nèi)引起性能增強(qiáng)的例子。例如，Chidambarrao等人在美國(guó)公開文本No.2005/0130358提出了一種在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成互補(bǔ)應(yīng)力水平的互補(bǔ)finFET器件的方法，。所述方法在所述互補(bǔ)finFET器件中采用單獨(dú)的基體材料作為形成硅外延鰭側(cè)壁溝道層(finsidewall channel layer)的襯底。
此外，通過半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部各個(gè)不同位置處的壓縮應(yīng)力或伸張應(yīng)力提供載流子遷移率變化的其他例子也是已知的。典型地，n-FET和p-FET器件不同地對(duì)壓縮和伸張應(yīng)力做出響應(yīng)，因?yàn)閴鹤柘禂?shù)通常作為幾個(gè)變量的函數(shù)而不同，所述變量包括但不限于半導(dǎo)體襯底摻雜和晶體取向。因此，經(jīng)常需要對(duì)n-FET和p-FET器件內(nèi)的受應(yīng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和開發(fā)的趨勢(shì)在于以更小的尺寸實(shí)現(xiàn)持續(xù)增強(qiáng)的性能。因此，對(duì)相應(yīng)地提供具有增強(qiáng)的性能的半導(dǎo)體器件的新結(jié)構(gòu)和新方法的需求將持續(xù)存在。出于這一原因，半導(dǎo)體器件內(nèi)的有物理應(yīng)力的結(jié)構(gòu)的使用很可能持續(xù)下去。有利地利用物理應(yīng)力來增強(qiáng)半導(dǎo)體器件性能的新型半導(dǎo)體器件和制造方法是合乎需要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有增強(qiáng)性能的finFET結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供了一種制造所述結(jié)構(gòu)的方法。
根據(jù)本發(fā)明，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括襯底，所述襯底包括至少一個(gè)半導(dǎo)體鰭，所述半導(dǎo)體鰭具有一晶體學(xué)取向和軸向特定壓阻系數(shù)。所述結(jié)構(gòu)還包括覆蓋所述半導(dǎo)體鰭內(nèi)的溝道區(qū)的柵電極。在所述結(jié)構(gòu)之內(nèi)，所述柵電極和溝道區(qū)具有與所述軸向特定壓阻系數(shù)相關(guān)的特定應(yīng)力。
仍然根據(jù)本發(fā)明，所述方法首先提供了一種其上設(shè)有至少一個(gè)半導(dǎo)體鰭的襯底。所述方法還提供了在所述半導(dǎo)體鰭內(nèi)的溝道區(qū)上形成柵電極。在所述方法中，形成具有固有應(yīng)力的柵電極，通過確定所述固有應(yīng)力影響溝道區(qū)內(nèi)的載流子遷移率。
本發(fā)明的實(shí)施例所指的半導(dǎo)體鰭是從具有(001)方向的硅表面蝕刻得到的硅半導(dǎo)體鰭。由此得到了具有下述晶體取向的硅半導(dǎo)體鰭縱向(110)、橫向(001)、垂直方向(1-10)。根據(jù)這些硅結(jié)晶取向的固有壓阻系數(shù)，本發(fā)明提供了根據(jù)需要形成具有大約500到大約1500兆帕(MPa)，更優(yōu)選為大約1200到1500MPa的固有伸張應(yīng)力的柵電極。這樣的固有伸張應(yīng)力優(yōu)化了半導(dǎo)體鰭溝道區(qū)內(nèi)的電荷載流子遷移率。
本發(fā)明不局限于所公開的實(shí)施例。相反，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地試驗(yàn)出半導(dǎo)體鰭的可選晶體學(xué)取向和半導(dǎo)體材料組分，以確定壓阻系數(shù)。在這些壓阻系數(shù)的基礎(chǔ)上，可以導(dǎo)出具體的固有柵極應(yīng)力，以優(yōu)化半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體鰭溝道區(qū)內(nèi)的載流子遷移率。所述半導(dǎo)體器件可以是finFET器件，但是本發(fā)明不限于此。


圖1到圖4是說明形成根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的finFET的漸進(jìn)階段的結(jié)果的一系列示意性橫截面圖。
圖5是對(duì)應(yīng)于圖4的示意性橫截面圖的示意性平面圖。
圖6和圖7示出了finFET器件內(nèi)由形成固有伸張應(yīng)力為1500MPa的帶有柵電極的finFET器件而產(chǎn)生的垂直應(yīng)力和橫向應(yīng)力的一對(duì)應(yīng)力拓?fù)淝€圖。
圖8示出了finFET器件中的半導(dǎo)體鰭內(nèi)部的橫向應(yīng)力和垂直應(yīng)力的曲線圖，其作用在于總結(jié)圖6和圖7中給出的信息。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種finFET結(jié)構(gòu)及其制造方法。所述結(jié)構(gòu)和方法采用由具有固有應(yīng)力的材料形成的柵電極，通過確定所述固有應(yīng)力來影響(最好是優(yōu)化)finFET結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體鰭溝道區(qū)內(nèi)的載流子遷移率。載流子遷移率的確定涉及對(duì)針對(duì)半導(dǎo)體鰭的具體晶體取向的軸向特定固有壓阻系數(shù)的量值和范圍(dimensions)的分析。固有應(yīng)力產(chǎn)生軸向特定應(yīng)力(在柵電極和溝道區(qū)內(nèi))，所述軸向特定應(yīng)力與軸向特定(axially specific)壓阻系數(shù)相關(guān)(優(yōu)選對(duì)其予以補(bǔ)償)。
從下述實(shí)施例和實(shí)例可以看到，對(duì)于由(001)單晶硅表面形成的半導(dǎo)體鰭而言，希望得到具有大約500到大約1500MPa的固有伸張應(yīng)力的柵電極。在利用柵電極內(nèi)的此類固有伸張應(yīng)力時(shí)，半導(dǎo)體鰭溝道區(qū)具有由柵電極在其內(nèi)誘發(fā)的增強(qiáng)的伸張垂直應(yīng)力和增強(qiáng)的壓縮橫向應(yīng)力。溝道區(qū)內(nèi)的上述類型的誘發(fā)應(yīng)力(即伸張和壓縮應(yīng)力)對(duì)n-finFET都是有益的。增強(qiáng)的伸張垂直應(yīng)力對(duì)p-finFET也是有益的，但是p-finFET幾乎不受增強(qiáng)的壓縮橫向應(yīng)力的影響。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明中采用的半導(dǎo)體“鰭”是指在襯底上沿邊緣(edgewise)設(shè)置的比較窄(即，大約0.01到大約0.30微米，優(yōu)選為大約0.01到大約0.03微米)的半導(dǎo)體材料層。所述鰭可以具有任選的介電帽蓋層，所述介電帽蓋層也可以增強(qiáng)其物理穩(wěn)定性。
在“finFET”器件內(nèi)，至少采用半導(dǎo)體鰭的側(cè)壁，有時(shí)也采用半導(dǎo)體鰭的頂部作為溝道區(qū)。溝道區(qū)通常被跨在半導(dǎo)體鰭上的“n”字形柵電極覆蓋，但是，finFET柵電極并不限于這一具體形狀。
就finFET提供了優(yōu)異的由雙柵極效應(yīng)引起的短溝道效應(yīng)這一方面而言，finFET較常規(guī)平面場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有優(yōu)勢(shì)。FinFET還提供了垂直側(cè)壁溝道區(qū)，而常規(guī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管通常只能提供平面水平溝道區(qū)。通過提高形成于襯底上的半導(dǎo)體鰭的高度，可以在不犧牲finFET器件的空間密度(aerialdensity)的情況下，提供具有提高的溝道尺寸的finFET器件。而憑借常規(guī)平面場(chǎng)效應(yīng)晶體管則無法實(shí)現(xiàn)類似的優(yōu)點(diǎn)。通常，半導(dǎo)體鰭的溝道長(zhǎng)度(縱向，由柵極線寬界定)和溝道寬度(橫向，由鰭高界定，也有可能由厚度界定)每者均比最小鰭線寬(垂直方向)大得多。
下述實(shí)施例以finFET為背景對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了舉例說明，所述finFET采用的絕緣體上硅半導(dǎo)體襯底提供了特定硅半導(dǎo)體鰭晶體學(xué)取向。但是本發(fā)明不限于此。本發(fā)明還適用于位于塊體半導(dǎo)體襯底，以及其他絕緣體上半導(dǎo)體襯底上的finFET器件。本發(fā)明還適用于由諸如但不限于硅-鍺合金的其他半導(dǎo)體材料和化合物半導(dǎo)體材料形成的finFET，所述材料顯示出了與晶軸相關(guān)的壓阻效應(yīng)(piezoresistance effect)。
圖1到圖4是說明制造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的finFET結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)階段的結(jié)果的一系列示意性橫截面圖。
圖1示出了半導(dǎo)體襯底10。掩埋絕緣體層12位于半導(dǎo)體襯底10上。掩埋絕緣體層12可以是晶態(tài)或非晶態(tài)氧化物或氮化物，氧化物是高度優(yōu)選的。半導(dǎo)體表面層14位于掩埋絕緣體層12上。半導(dǎo)體表面層14通常為硅半導(dǎo)體表面層。作為總體，上述三個(gè)層構(gòu)成了絕緣體上硅半導(dǎo)體襯底。其可以采用諸如離子注入和退火(即SIMOX工藝)的常規(guī)工藝或通過層轉(zhuǎn)移工藝形成。半導(dǎo)體襯底10通常為硅半導(dǎo)體襯底，但是本發(fā)明對(duì)其不作要求。此外，掩埋絕緣體層12通常為掩埋的氧化硅層。半導(dǎo)體表面層14通常具有大約500到大約2000埃的厚度，所述厚度可以是制造襯底的過程中所采用的工藝的直接結(jié)果，也可以是采用諸如氧化和蝕刻的減薄步驟得到的。
圖1還示出了位于半導(dǎo)體表面層14上的焊盤介電層16和與焊盤介電層16對(duì)準(zhǔn)的硬掩模層18。
典型地，焊盤介電層16具有大約25到大約150埃的厚度。其可以包括氧化硅材料。當(dāng)半導(dǎo)體表面層14包括硅材料時(shí)，這樣的氧化硅材料通常是由半導(dǎo)體表面層14的熱氧化附帶得到的。盡管在形成焊盤介電層14的過程中可以采用熱氧化，但是也可以采用諸如CVD、PECVD或蒸鍍法的常規(guī)淀積工藝。典型地，硬掩模層18包括諸如氮化硅或氮氧化硅的硬掩模材料。也可以采用其他硬掩模材料。其通常具有大約500到大約1000埃的厚度。
圖2示出了被稱為“側(cè)壁鏡像轉(zhuǎn)移(sidewall image transfer)”的一般常規(guī)處理的結(jié)果，其提供了對(duì)半導(dǎo)體表面層14的各向異性蝕刻，以形成半導(dǎo)體鰭14a。將硬掩模層18和焊盤介電層16用作掩模，將掩埋絕緣體層12用作蝕刻停止層。典型地，通過采用含有蝕刻劑氣體組分的氯氣的等離子體蝕刻劑進(jìn)行蝕刻。盡管特別提及了等離子蝕刻，但是也可以利用諸如反應(yīng)離子蝕刻或離子束蝕刻的干法蝕刻形成半導(dǎo)體鰭14a。
圖3示出了位于半導(dǎo)體鰭14a的相對(duì)側(cè)壁上的一對(duì)柵極介電層20。典型地，柵極介電層20包括熱氧化硅材料。當(dāng)半導(dǎo)體鰭14a包括硅時(shí)，柵極介電層20可以由半導(dǎo)體鰭14a的熱氧化附帶形成(be formed incident to thermaloxidation)。盡管，特別提及了以熱氧化硅作為柵極絕緣材料，但是本發(fā)明還可以嘗試采用通過本領(lǐng)域公知的熱和/或淀積技術(shù)形成的氧化物、氮化物、氮氧化物或其組合。優(yōu)選地，采用具有大于等于4.0左右的在真空測(cè)量的介電常數(shù)的氧化物作為絕緣材料。典型地，所述一對(duì)柵極介電層20中的每一個(gè)具有大約10到大約70埃的厚度。
圖4示出了位于圖3所示的finFET結(jié)構(gòu)上的柵電極22。柵電極22具有跨在半導(dǎo)體鰭14a上的變體的“n”字形。柵電極22通常包括高度摻雜的多晶硅材料(即，每立方厘米1e20到1e21個(gè)摻雜劑原子)。其具有大約1000到大約2000埃的厚度。除了摻雜多晶硅外，本發(fā)明還可以嘗試采用其他導(dǎo)電材料作為柵電極22的材料，例如摻雜多晶SiGe、元素金屬(elementalmetal)、元素金屬的合金、金屬硅化物、金屬氮化物或其組合。根據(jù)本發(fā)明，柵電極22具有在半導(dǎo)體鰭14a的溝道區(qū)內(nèi)提供載流子遷移率影響(優(yōu)選為增強(qiáng)或優(yōu)化)的固有應(yīng)力。半導(dǎo)體鰭14a的溝道區(qū)是被柵電極22覆蓋的半導(dǎo)體鰭14a的部分。在圖5中對(duì)其進(jìn)行了更為詳細(xì)的圖示，在下文中將對(duì)其予以更為詳細(xì)的討論。
在半導(dǎo)體制造工藝中，有幾個(gè)變量影響包括但不限于多晶硅膜的淀積膜內(nèi)的固有應(yīng)力，這是公知的。在下述文獻(xiàn)中指出了具體的變量(1)Heuer等人的美國(guó)專利No.6479166(具有伸張應(yīng)力的圓柱形多晶硅膜和具有壓縮應(yīng)力的反玻璃化(devitrified)多晶硅膜)；以及(2)Yamazaki等人的美國(guó)專利No.6645826(具有取決于淀積速率的可變應(yīng)力的氮化硅膜)。影響淀積膜應(yīng)力的通用薄膜淀積參數(shù)可能包括但不限于淀積溫度(即由襯底和淀積膜熱膨脹系數(shù)的失配而產(chǎn)生應(yīng)力)、淀積膜起始材料、淀積膜結(jié)晶度、淀積膜組分和淀積速率。其他薄膜淀積參數(shù)也可能影響淀積層應(yīng)力。
圖4還示出了用于半導(dǎo)體鰭14a的參考坐標(biāo)軸。它們不同于針對(duì)形成于平面半導(dǎo)體襯底上的標(biāo)準(zhǔn)FET的參考坐標(biāo)軸。垂直軸從半導(dǎo)體鰭14a的側(cè)壁的平面發(fā)出。橫軸從半導(dǎo)體鰭14a的頂部平面發(fā)出?？v軸從如圖4的截面所示的半導(dǎo)體鰭14a的正面平面發(fā)出。
圖5是對(duì)應(yīng)于圖4的示意性橫截面圖的示意性平面圖。圖5示出了用于所公開的實(shí)施例的finFET器件的掩埋絕緣體層12的暴露部分。還示出了包圍在硬掩模層18之下對(duì)準(zhǔn)的半導(dǎo)體鰭14a的柵極介電層20的輪廓。半導(dǎo)體鰭14a具有狗骨頭形狀(即，具有軸向中央部分和線寬大于所述軸向中央部分的凸出(lobed)端部的結(jié)構(gòu))。柵電極22在所述狗骨頭形狀的凸出端之間在與半導(dǎo)體鰭14a的中心與其垂直交叉。半導(dǎo)體鰭14a的溝道區(qū)位于柵電極22之下。采用未被柵電極22覆蓋的半導(dǎo)體鰭14a的一對(duì)對(duì)立端部作為一對(duì)源極區(qū)/漏極區(qū)。通常，有可能在從其上有選擇地蝕刻硬掩模層18的覆蓋部分之后，采用柵電極22作為掩模對(duì)它們進(jìn)行額外的離子注入。也可以采用大角度傾斜注入法在源極區(qū)/漏極區(qū)內(nèi)提供更為均勻的摻雜劑分布曲線。
盡管沒有采用額外的附圖進(jìn)行具體說明，但是本發(fā)明的該實(shí)施例將對(duì)圖5的finFET結(jié)構(gòu)進(jìn)行額外的處理，從而實(shí)現(xiàn)其與特定電路的集成。例如，可以將柵極介電層20從未被柵電極22覆蓋的半導(dǎo)體鰭14a的部分剝離，從而允許與半導(dǎo)體鰭14a相鄰形成分隔體。此外，將本實(shí)施例的finFET完全集成到必需的特定電路當(dāng)中也必然需要接觸結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例考慮了上述額外的處理和額外的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的實(shí)施例的重點(diǎn)在于半導(dǎo)體鰭14a，其可以由體硅半導(dǎo)體襯底或絕緣體上硅半導(dǎo)體襯底內(nèi)的硅表面層形成，每者均具有(001)表面取向。每者均提供具有單一半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體鰭14a。根據(jù)圖4，如此形成的半導(dǎo)體鰭14a的晶體取向?yàn)榭v向(110)、橫向(001)、垂直方向(1-10)。
對(duì)于n型硅和p型硅二者而言，具有上述晶體取向的硅半導(dǎo)體鰭的固有壓阻系數(shù)如下(單位是e-11/帕斯卡)對(duì)于n型硅而言，縱向、垂直和橫向壓阻系數(shù)為-31.6、-17.6和53.4。對(duì)于p型硅而言，縱向、垂直和橫向壓阻系數(shù)為71.8、-66.3和-1.1。
因此，施加到具有上述晶體取向和摻雜的硅半導(dǎo)體鰭14a上，以取得最大載流子遷移率益處的軸向應(yīng)力如下。對(duì)于n型硅而言，壓縮橫向應(yīng)力提供最大優(yōu)勢(shì)，其次是伸張縱向應(yīng)力，最后是伸張垂直應(yīng)力。對(duì)于p型硅而言，壓縮縱向應(yīng)力和伸張垂直應(yīng)力是最合適的。對(duì)p型硅半導(dǎo)體鰭而言，橫向幾乎不存在壓阻效應(yīng)。
所公開的實(shí)施例的目的在于優(yōu)化finFET器件內(nèi)的半導(dǎo)體鰭溝道區(qū)內(nèi)的應(yīng)力(由此優(yōu)化載流子遷移率)。這一目的是通過在上述壓阻系數(shù)的背景下，通過適當(dāng)改變finFET器件的柵電極內(nèi)的固有應(yīng)力而在所淀積的柵電極內(nèi)提供合乎要求的軸向特定應(yīng)力而實(shí)現(xiàn)的。柵電極內(nèi)的軸向特定應(yīng)力轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體鰭溝道區(qū)內(nèi)。為了獲得這一結(jié)果，選擇柵電極固有應(yīng)力，從而為所淀積的柵電極提供與半導(dǎo)體鰭溝道區(qū)內(nèi)的壓阻系數(shù)相關(guān)的，最好對(duì)其予以補(bǔ)償?shù)膽?yīng)力。
在本實(shí)施例內(nèi)，n型硅和p型硅的縱向壓阻系數(shù)符號(hào)相反。因此，如果所淀積的柵電極(gate electrode as deposited)向半導(dǎo)體鰭施加縱向壓縮應(yīng)力和縱向拉伸應(yīng)力之一，那么在溝道區(qū)的縱向內(nèi)必然產(chǎn)生電子遷移率效應(yīng)和空穴遷移率效應(yīng)的抵消(offset)。因此，本實(shí)施例未考慮縱向電荷載流子遷移率增強(qiáng)。由于對(duì)于n型硅和p型硅而言，垂直壓阻系數(shù)均為負(fù)值，因此在n-finFET和p-finFET器件內(nèi)伸張垂直應(yīng)力均有助于垂直載流子遷移率增強(qiáng)。由于對(duì)于n型硅而言橫向壓阻系數(shù)為高正值，而對(duì)于p型硅而言其大約為零，壓縮橫向應(yīng)力將提高n-finFET器件內(nèi)的電子電荷載流子遷移率，而幾乎不會(huì)對(duì)p-finFET器件內(nèi)的載流子遷移率造成影響。
對(duì)于具有上述硅半導(dǎo)體鰭14a晶體取向的本實(shí)施例而言，本發(fā)明提供了通過淀積帶有大約500到大約1500MPa，更為優(yōu)選帶有大約1200到大約1500MPa的固有伸張應(yīng)力的柵電極22，其有助于在柵電極22和半導(dǎo)體鰭14a內(nèi)提供上述合乎需要的軸向誘發(fā)的應(yīng)力。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的finFET器件內(nèi)的垂直應(yīng)力的計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)力拓?fù)淝€圖。圖6示出了具有焊盤介電層16和在其上垂直對(duì)準(zhǔn)的硬掩模層18的半導(dǎo)體鰭14a。柵極介電層20位于半導(dǎo)體鰭14a的側(cè)壁上。柵電極22覆蓋硬掩模層18、焊盤介電層16、半導(dǎo)體鰭14a和柵極介電層20。圖6的垂直應(yīng)力拓?fù)鋱D假設(shè)finFET器件的所有其他組件具有常規(guī)模量，并且沒有固有應(yīng)力，但是柵電極22經(jīng)淀積具有1500MPa的固定固有伸張應(yīng)力。
如圖6所示，有幾個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)變量影響計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)力拓?fù)淝€圖。這樣的變量包括但不限于包括半導(dǎo)體鰭和柵電極的組件的尺寸、模量和固有應(yīng)力。每一變量的差異和變化預(yù)計(jì)對(duì)應(yīng)力等值線形狀造成的影響如圖6和圖7所示。
圖6中的附圖標(biāo)記25是指柵電極22內(nèi)的零應(yīng)力線。零應(yīng)力線之上是柵電極22的物理邊界。零應(yīng)力線之下是以200MPa的增幅增大的伸張應(yīng)力等值線。盡管圖6明顯受上文假定的材料特性(即尺寸、模量和應(yīng)力)的限制，但是圖6也明確地示出了可以將伸張垂直應(yīng)力從經(jīng)淀積具有大約1500MPa的固有伸張應(yīng)力的柵電極22誘發(fā)到半導(dǎo)體鰭14a中。
圖7示出了與圖6的應(yīng)力拓?fù)淝€圖類似的應(yīng)力拓?fù)淝€圖，但是其應(yīng)力處于橫向不是垂直方向。如圖7所示的finFET組件與圖6所示的finFET組件相同。仍然假設(shè)所述組件沒有固有應(yīng)力，并且具有常規(guī)模量。仍然將柵電極22形成為具有大約1500MPa的固有伸張應(yīng)力。
圖7內(nèi)的參考數(shù)字25示出了界定小零應(yīng)力區(qū)(small zero stress region)的一對(duì)零應(yīng)力線。零應(yīng)力線之下的其余線為壓縮應(yīng)力線，也將其定義為每壓縮應(yīng)力拓?fù)渚€遞增200MPa。圖7明確地示出了在其上淀積具有大約1500MPa的固有伸張應(yīng)力的柵電極時(shí)，將相當(dāng)大的橫向壓縮應(yīng)力導(dǎo)入了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體鰭14a溝道區(qū)內(nèi)。
圖8示出了對(duì)圖6和圖7的應(yīng)力拓?fù)鋽?shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和放大的應(yīng)力拓?fù)淝€圖。
圖8示出了作為SOI襯底層的一部分的掩埋絕緣體層12。半導(dǎo)體鰭14a位于掩埋絕緣體層12上。焊盤介電層16位于半導(dǎo)體鰭14a上，硬掩模層18位于焊盤介電層16上。
附圖標(biāo)記26表示穿過半導(dǎo)體鰭14a的高度的垂直應(yīng)力剖面線(profileline)。其具有處于大約300到大約1200MPa的范圍內(nèi)，并且通常平均為900MPa左右的伸張應(yīng)力。附圖標(biāo)記27表示穿過半導(dǎo)體鰭14a的高度的相應(yīng)橫向應(yīng)力曲線。其具有處于大約-500到大約-1500MPa，并且通常平均為-1150MPa左右的壓縮應(yīng)力。
計(jì)算作為縱向、橫向和垂直方向的晶面內(nèi)外加應(yīng)力(單位可以是帕斯卡)乘以所述晶面的壓阻系數(shù)(單位可以是l/帕斯卡)的乘積之和的負(fù)值的載流子遷移率增強(qiáng)(作為相對(duì)于基準(zhǔn)線(baseline)的百分比)。等式如下dμ/μ＝-(πl(wèi)σl+πvσv+πtσt)dμ/μ等于載流子遷移率增強(qiáng)。πl(wèi)、πv和πt是l、v和t方向的壓阻系數(shù)。σl、σv和σt是l、v和t方向的軸向特定應(yīng)力水平。
對(duì)于針對(duì)n-finFET公開的實(shí)施例而言，考慮垂直和橫向應(yīng)力的計(jì)算如下-(-17.6e-11*900e6+53.4e-11*-1150e6)＝77％對(duì)于針對(duì)p-finFET公開的實(shí)施例而言，僅考慮垂直應(yīng)力(因?yàn)闄M向壓阻系數(shù)可忽略)的計(jì)算如下-(-66.3e-11*900e6)＝60％
上述計(jì)算表明在n-finFET和p-finFET內(nèi)均產(chǎn)生了顯著的載流子遷移率增強(qiáng)，這與所公開的實(shí)施例一致。遷移率增強(qiáng)歸因于柵電極在finFET的半導(dǎo)體鰭溝道區(qū)內(nèi)誘發(fā)的適當(dāng)?shù)膽?yīng)力。
如上所述，本發(fā)明不限于公開了特定的硅半導(dǎo)體鰭晶體取向和摻雜的上述實(shí)施例。相反，本發(fā)明可以采用有其他晶體學(xué)取向和材料成分形成的其他半導(dǎo)體鰭。此類其他半導(dǎo)體鰭將具有可以依照本發(fā)明估計(jì)的軸向特定固有壓阻系數(shù)。通過這樣的估計(jì)，可以確定柵電極的固有應(yīng)力，從而在固有壓阻系數(shù)的背景下影響和優(yōu)化載流子遷移率。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例意在對(duì)本發(fā)明舉例說明而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限定。在根據(jù)本發(fā)明再次提供實(shí)施例，以及進(jìn)一步根據(jù)權(quán)利要求提供實(shí)施例的過程中，可以對(duì)根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的方法、材料、結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括包括至少一個(gè)半導(dǎo)體鰭的襯底，所述半導(dǎo)體鰭具有一晶體學(xué)取向和軸向特定壓阻系數(shù)；以及覆蓋所述半導(dǎo)體鰭內(nèi)的溝道區(qū)的柵電極，其中，所述柵電極和所述溝道區(qū)具有與所述軸向特定壓阻系數(shù)相關(guān)的軸向特定應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述襯底包括體半導(dǎo)體襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述襯底包括絕緣體上半導(dǎo)體半導(dǎo)體襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述軸向特定應(yīng)力補(bǔ)償所述軸向特定壓阻系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體鰭包括硅半導(dǎo)體鰭。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體鰭包括單一硅半導(dǎo)體材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述晶體學(xué)取向?yàn)榭v向(110)、橫向(001)和垂直方向(1-10)。
8.一種制造鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的方法，包括提供包括至少一個(gè)半導(dǎo)體鰭的襯底；以及在所述半導(dǎo)體鰭內(nèi)的溝道區(qū)上形成柵電極，其中，所述柵電極具有固有應(yīng)力，通過確定所述固有應(yīng)力影響所述溝道區(qū)內(nèi)的電荷載流子遷移率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，通過確定所述固有應(yīng)力提高所述溝道區(qū)內(nèi)的載流子遷移率。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體鰭包括單晶半導(dǎo)體材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體鰭包括硅半導(dǎo)體材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體鰭包括硅-鍺合金半導(dǎo)體材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體鰭形成于體硅半導(dǎo)體襯底中。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體鰭形成于絕緣體上硅半導(dǎo)體襯底中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體鰭位于所述絕緣體上硅半導(dǎo)體襯底的掩埋絕緣體層上。
16.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管為n-鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
17.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管為p-鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
18.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體鰭包括具有縱向(110)、橫向(001)和垂直方向(1-10)的晶體學(xué)取向的硅半導(dǎo)體鰭。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述柵極內(nèi)的固有應(yīng)力是大約500到大約1500MPa的伸張應(yīng)力。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述柵極內(nèi)的固有應(yīng)力是大約1200到大約1500MPa的伸張應(yīng)力。
全文摘要
FinFET及其制造方法包括在半導(dǎo)體鰭的溝道區(qū)上形成的柵電極。所述半導(dǎo)體鰭具有一晶體取向和軸向特定壓阻系數(shù)。在所述方法中，形成具有固有應(yīng)力的柵電極，通過確定所述固有應(yīng)力影響并且優(yōu)選優(yōu)化溝道區(qū)內(nèi)的載流子遷移率。為了達(dá)到這一目的，所述固有應(yīng)力優(yōu)選在所述柵電極和所述半導(dǎo)體鰭溝道區(qū)內(nèi)提供補(bǔ)償所述軸向特定壓阻系數(shù)的誘發(fā)軸向應(yīng)力。
文檔編號(hào)H01L21/336GK1960003SQ20061014255
公開日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日
發(fā)明者杜雷賽蒂·奇達(dá)姆巴拉奧 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司