專利名稱：應(yīng)變soi襯底的制造方法和在其上制造cmos器件的方法
應(yīng)變SOI襯底的制造方法和 在其上制造CMOS器件的方法技術(shù)領(lǐng)域0001本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，更具體而言，本發(fā)明涉及 一種應(yīng)變絕緣體上半導(dǎo)體襯底(SSOI)的制造方法。同時(shí)本發(fā)明也提 供了在該SSOI襯底上制造半導(dǎo)體器件的方法。背景技木0002通過(guò)在金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的 半導(dǎo)體溝道中引入應(yīng)變，可以使器件的性能得到改善。這一點(diǎn)是半導(dǎo) 體工業(yè)中眾所周知的。例如可以通過(guò)在松l&的SiGe材料上外延沉淀Si來(lái)制造應(yīng)變半導(dǎo)體溝道。這種應(yīng)變是由于Si和SiGe的晶格間距不 同而產(chǎn)生的。00031傳統(tǒng)的應(yīng)變Si典型地是用較厚的SiGe層(其厚度約為 500nm量級(jí)或更大)對(duì)較薄的Si層(其厚度約為20nm量級(jí)或更小) 的頂層施加應(yīng)變。較大的Ge原子拉伸或拉緊Si的上部晶格從而顯著 改善晶體管的性能。但是，SiGe層的存在給材料和工藝整合造成挑戰(zhàn)。 為得到高性能互補(bǔ)金屬氣化物半導(dǎo)體(CMOS)需要使Si層和SiGe 層做得更薄，這一要求使得在SiGe層上形成晶體管的過(guò)程過(guò)于困難。[OOO引應(yīng)變絕緣體上直接半導(dǎo)體(SSDOI或SSOI)結(jié)構(gòu)取消了 SiGe層，從而在消除了材料和工藝整合的問(wèn)題的同時(shí)，改善了器件的 性能。00051現(xiàn)有技術(shù)中，SSOI通常利用層轉(zhuǎn)移工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)'在該工 藝中，首先在松他的SiGe層上外延形成(即一層一層地生長(zhǎng))超薄 的Si層(約為30nm量級(jí)或更薄)。然后，在應(yīng)變Si的超薄層上形 成氧化層。在將氬離子注入到SiGe層中之后，將晶片倒裝結(jié)合在操作襯底上。高溫(800°C或更高)工藝將初始晶片的大部分分離，在 氧化層上留下應(yīng)變Si層和SiGe層?；蛘?，也可以在低溫(約200°C~ 約 400°C ) 下使用化學(xué)表面活化法來(lái)分離晶片。SiGe層被完全去除， 在剩下的超薄應(yīng)變Si上制作晶體管。
為了使本發(fā)明的敘述更充分易懂，以下將對(duì)諸多具體細(xì) 節(jié)做出說(shuō)明，例如具體結(jié)構(gòu)、成分、材料、尺寸、工藝過(guò)程和技術(shù)。 但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解，本發(fā)明也許可以通過(guò)其他可行的方法 來(lái)實(shí)現(xiàn)，并不一定嚴(yán)格按照上述具體細(xì)節(jié)。為了避免影響本發(fā)明的闡 述，對(duì)眾所周知的結(jié)構(gòu)或方法步驟，本申請(qǐng)中并沒(méi)有做出詳細(xì)的說(shuō)明。
頂部半導(dǎo)體層16和底部半導(dǎo)體層12可以包含相同的半 導(dǎo)體材料，也可以包含各自不同的半導(dǎo)體材料，但優(yōu)選包含相同的半 導(dǎo)體材料?？梢杂米鱏OI襯底10的頂部和底部半導(dǎo)體層的合適的材 料包括但不限于Si、 Ge、 SiGe、 SiC、 SiGeC、 Ga、 GaAs、 InAs、 InP 和所有其他III/V族化合物的半導(dǎo)體。典型地，SOI襯底10的頂部和 底部半導(dǎo)體層是由含Si的半導(dǎo)體材料制成的，最優(yōu)選Si。
在本申請(qǐng)的一些實(shí)施方案中(并未示出)，在進(jìn)行離子 注入之前可以先在頂部半導(dǎo)體層16頂上形成氧化物。該氧化物可以 通過(guò)熱氧化工藝或傳統(tǒng)的沉積工藝，例如化學(xué)氣相沉積(CVD)、等 離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)、原子層沉積(ALD)和化學(xué)溶液沉積等工藝來(lái)形成。當(dāng)在SOI襯底10的頂部半導(dǎo)體層16上具有氧化 物時(shí)，該氧化物的厚度通常約為約2nm 約100nm，其中以厚度約 5nm 約20nm更為典型。每個(gè)FET使用常規(guī)的CMOS工藝形成。其中一種方法包 括形成分層的堆疊，該分層的堆疊包括在應(yīng)變半導(dǎo)體層26上的柵電 介質(zhì)和柵導(dǎo)體。柵電介質(zhì)可以通過(guò)例如氧化工藝的熱處理、諸如化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)CVD、蒸鍍、原子層沉積等常規(guī) 沉積方法來(lái)形成。柵導(dǎo)體可通過(guò)CVD、 PECVD、濺射、鍍敷、蒸鍍、 原子層沉積或其他常規(guī)沉積方法形成。如使用多晶硅柵或多晶SiGe 柵，導(dǎo)電材料可以被原地(in-situ)摻雜，或者在沉積后通過(guò)離子注 入實(shí)現(xiàn)摻雜。注入掩模和離子注入被用于形成不同導(dǎo)電性的FET。在 形成分層的堆疊之后，利用光刻和蝕刻技術(shù)至少將柵導(dǎo)體(以及可選 地，柵電介質(zhì))圖案化。然后可以使用熱處理工藝來(lái)形成鈍化層。此 后，利用離子注入和退火形成S/D延伸區(qū)。然后在利用沉積和蝕刻方 法形成側(cè)壁間隔件之后，再利用離子注入和退火形成S/D區(qū)。用于激 活S/D延伸區(qū)的退火步驟可以被省略，其激活可以在S/D區(qū)的激活過(guò) 程中實(shí)現(xiàn)。
[0045另一種形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法包括取代柵工藝。利用 取代柵工藝提供了可形成溝道長(zhǎng)度很短(約為0.5微米量級(jí)或更小) 的FET的手段。該取代柵工藝包括在應(yīng)變半導(dǎo)體層上形成偽柵區(qū)， 同時(shí)在包含該偽柵區(qū)的應(yīng)變半導(dǎo)體層上再形成平坦化電介質(zhì)，對(duì)該結(jié) 構(gòu)做平坦化處理以露出偽柵區(qū)的上部，去除該偽柵區(qū)，在暴露的平坦
化的電介質(zhì)的側(cè)壁上形成間隔件，然后形成柵電介質(zhì)和柵導(dǎo)體。
0046柵電介質(zhì)、柵導(dǎo)體和間隔件的材料均為本領(lǐng)域的技術(shù)人 員所熟悉的通用材料。例如，柵電介質(zhì)可以是氧化物、氮化物、氮氧 化物或它們的化合物及多層。柵導(dǎo)體可包含摻雜多晶硅、摻雜SiGe、 單質(zhì)金屬、包含至少一種單質(zhì)金屬的合金、金屬硅化物、金屬氮化物 或它們的多層。還可以設(shè)置將多層的導(dǎo)電堆疊隔離的擴(kuò)散阻擋層。間 隔件可以包括絕緣氧化物、氮化物或氮氧化物。
0047雖然上述的實(shí)施方案中說(shuō)明了應(yīng)力膜24形成于SOI襯底 的頂部的情況，但本發(fā)明也適用于應(yīng)力膜形成于SOI襯底的底部、或 者在SOI襯底的頂部和底部均形成應(yīng)力膜的情況。在非晶化層的形成 過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整離子注入的能量和劑量來(lái)調(diào)整應(yīng)變珪f層的位 置。
[0048雖然本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明和描述均基于優(yōu)選實(shí)施方案，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解，上述和其他形式和細(xì)節(jié)的變化并不會(huì)偏離 本發(fā)明的本質(zhì)和范圍。因此，本發(fā)明并不嚴(yán)格局限于本申請(qǐng)所闡述的 具體形式，而是落在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 應(yīng)變絕緣體上半導(dǎo)體的制造方法，包括以下步驟在絕緣體上半導(dǎo)體的頂部半導(dǎo)體層的上表面形成非晶化層；在該非晶化層上形成高應(yīng)力膜；進(jìn)行再結(jié)晶退火，其中將所述頂部半導(dǎo)體層和所述非晶化退火再結(jié)晶為具有與應(yīng)力膜相同的應(yīng)變極性的應(yīng)變半導(dǎo)體層；以及去除應(yīng)力膜。
2、 權(quán)利要求l所述的方法，其中，形成非晶化層的步驟包括從 元素周期表的第IV族元素中選擇的至少一種離子的離子注入。
3、 權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第IV族離子包括Si、 Ge、 C或它們的任意組合。
4、 權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述離子注入所使用的離子 劑量為約5E14至約5E15原子/立方厘米，所使用的能量為約5至約 50keV。
5、 權(quán)利要求l所述的方法，還包括在形成非晶化層之前，在所 述頂部半導(dǎo)體層上形成氧化層的步驟。
6、 權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述形成高應(yīng)力膜的步驟包 括低壓CVD (LPCVD)、等離子體增強(qiáng)CVD ( PECVD )、快速熱 CVD ( RTCVD )或基于BTBAS的(與氨反應(yīng)的C8H22N2Si) CVD， 其中BTBAS是一種現(xiàn)代金屬有機(jī)前驅(qū)物。
7、 權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述高應(yīng)力膜具有壓縮應(yīng)變 或拉伸應(yīng)變。
8、 權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述形成高應(yīng)力膜的步驟包 括在非晶化層的選定區(qū)域上沉積第 一應(yīng)變極性材料，在非晶化層的其 他區(qū)域上形成第二應(yīng)變極性材料，所述第 一應(yīng)變極性與所述第二應(yīng)變 極性不同。
9、 權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述退火步驟是在約60(TC 至約IOO(TC的溫度下進(jìn)行的。
10、 在應(yīng)變絕緣體上半導(dǎo)體上制造CMOS器件的方法，包括以 下步驟在絕緣體上半導(dǎo)體的頂部半導(dǎo)體層的上表面形成非晶化層； 在該非晶化層上形成高應(yīng)力膜；進(jìn)行再結(jié)晶退火，其中將所述頂部半導(dǎo)體層和所述非晶化退火再 結(jié)晶為具有與應(yīng)力膜相同的應(yīng)變極性的應(yīng)變半導(dǎo)體層； 去除應(yīng)力膜；以及在該應(yīng)變半導(dǎo)體層上形成至少一個(gè)CMOS器件。
11、 權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述形成非晶化層的步驟 包括從元素周期表的第IV族元素中選擇的至少一種離子的離子注入。
12、 權(quán)利要求ll所述的方法，其中，所述第IV族離子包括Si、 Ge、 C或它們的任意組合。
13、 權(quán)利要求ll所述的方法，其中，所述離子注入所使用的離 子劑量為約5E14至約5E15原子/立方厘米，所使用的能量為約5至 約50keV。
14、 權(quán)利要求10所述的方法，還包括在形成非晶化層之前，在 所述頂部半導(dǎo)體層上形成氧化層。
15、 權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述形成高應(yīng)力膜的步驟 包括低壓CVD (LPCVD)、等離子體增強(qiáng)CVD (PECVD )、快速 熱CVD ( RTCVD )或基于BTBAS的(與氨反應(yīng)的C8H22N2Si) CVD, 其中BTBAS是一種現(xiàn)代金屬有機(jī)前驅(qū)物。
16、 權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述形成高應(yīng)力膜的步驟 包括在非晶化層的選定區(qū)域上沉積第一應(yīng)變極性材料，在非晶化層的 其他區(qū)域上沉積第二應(yīng)變極性材料，所述第一應(yīng)變極性與所述第二應(yīng) 變極性不同。
17、 權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述退火是在約600'C至 約IOO(TC的溫度下進(jìn)行的。
18、 權(quán)利要求16所述的方法，其中所述第一應(yīng)力極性是壓縮的， 第二應(yīng)力極性是拉伸的。
19、 權(quán)利要求18所述的方法，其中，在拉伸應(yīng)力區(qū)形成nFET， 在壓縮應(yīng)力區(qū)形成pFET。
20、 應(yīng)變絕緣體上半導(dǎo)體的制造方法，包括以下步驟 在絕緣體上半導(dǎo)體的半導(dǎo)體層的至少一個(gè)暴露表面上形成非晶化層；在該非晶化層上形成高應(yīng)力膜；進(jìn)行再結(jié)晶退火，其中將所述半導(dǎo)體層和所述非晶化退火再結(jié)晶 為具有與應(yīng)力膜相同的應(yīng)變極性的應(yīng)變半導(dǎo)體層；以及 去除應(yīng)力膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種有成本效益、簡(jiǎn)單的制造應(yīng)變絕緣體上半導(dǎo)體(SSOI)結(jié)構(gòu)的方法，該方法無(wú)需外延生長(zhǎng)和后續(xù)的晶片結(jié)合工藝步驟。依據(jù)本發(fā)明，應(yīng)變記憶技術(shù)被用于在SOI襯底上形成應(yīng)變半導(dǎo)體區(qū)域。由于Si區(qū)是應(yīng)變的，在應(yīng)變半導(dǎo)體區(qū)域上形成的晶體管具有更高的載流子遷移率。本發(fā)明方法包括(i)進(jìn)行離子注入以形成薄的非晶化層，(ii)在該非晶化層上沉積高應(yīng)力膜，(iii)進(jìn)行熱退火以使非晶化層再結(jié)晶，(iv)去除應(yīng)力膜。由于SOI襯底在再結(jié)晶過(guò)程中處于應(yīng)力作用下，所以最終的半導(dǎo)體層也處于應(yīng)力作用下。應(yīng)力的大小及其極性(拉伸或壓縮)可由應(yīng)力膜的類型和厚度控制。
文檔編號(hào)H01L21/20GK101256949SQ200810002269
公開日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2008年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月12日
發(fā)明者安娜·W.·托普爾, 小道格拉斯·C.·拉·圖里佩, 師利仁, 楊美基, 詹姆斯·維奇孔蒂, 阿爾伯特·M.·楊 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司