專利名稱：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體設(shè)計及制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種溝道區(qū)下方填充有稀土氧化物的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體基本元件金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的特征尺寸的不斷縮小，當(dāng)特征尺寸進(jìn)入深亞微米乃至納米量級時，原來大尺寸下并不存在或者并不顯著的不利于器件性能的一系列效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)出來。例如亞閾值電壓降低、漏致勢壘降低和漏電流過大等效應(yīng)。為解決上述問題，一種方案是根據(jù)器件類型不同對器件的特定區(qū)域引入相應(yīng)的應(yīng)力，從而提高器件的載流子遷移率，進(jìn)而提升器件性能。在深亞微米和納米級器件中，合適 的應(yīng)力對提升器件性能是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的應(yīng)力引入方式包括在源漏區(qū)摻入替位式元素以改變晶格常數(shù)，或者在形成器件結(jié)構(gòu)之后另外生長應(yīng)力帽層等。這些傳統(tǒng)的應(yīng)力引入方式最主要的缺陷之一在于應(yīng)力類型難以調(diào)節(jié)，工藝復(fù)雜。并且，隨著器件特征尺寸的進(jìn)一步縮小，傳統(tǒng)的應(yīng)力引入方式將難以形成有效的應(yīng)力，從而難以達(dá)到顯著提高半導(dǎo)體器件性能的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是解決現(xiàn)有技術(shù)中小尺寸器件漏電嚴(yán)重以及應(yīng)力引入困難、工藝復(fù)雜和應(yīng)力效果不理想的缺陷。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底；形成在所述半導(dǎo)體襯底中的凹槽，所述凹槽中填充有稀土氧化物；部分或全部位于所述稀土氧化物上溝道區(qū)；和位于所述溝道區(qū)兩側(cè)的源區(qū)和漏區(qū)。其中，所述稀土氧化物的晶格常數(shù)a與所述溝道區(qū)和或所述源區(qū)和漏區(qū)的半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)b的關(guān)系為a=(n±c)b，其中n為整數(shù)，c為晶格常數(shù)失配率，0〈c ( 15%。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述凹槽的深度不小于5nm。為了保證凹槽中所填充的稀土氧化物的表層附近的晶格常數(shù)不被襯底影響，以及保證能夠引入較大的應(yīng)力，凹槽的深度不宜過小。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述稀土氧化物包括(GdhErx) 203、(Gd1^xNdx) 203、(EivxNdx) 203、(EivxLax)2O3' (PivxLax)2O3' (PivxNdx)2O3' (PivxGdx) 203 中的一種或多種的組合，其中X的取值范圍為0-1。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述稀土氧化物通過外延生長形成。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述源區(qū)和漏區(qū)以及所述溝道區(qū)通過晶體生長的方式形成，從而有利于得到高質(zhì)量低缺陷的晶體。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度等于或大于所述凹槽的深度。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度小于所述凹槽的深度。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，當(dāng)所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度小于所述凹槽的深度時，所述凹槽中填充有所述稀土氧化物的部分側(cè)壁形成有阻擋層。本發(fā)明另一方面還提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，包括以下步驟S01 :提供半導(dǎo)體襯底；S02 :在所述半導(dǎo)體襯底中形成凹槽；S03 :在所述凹槽中填充稀土氧化物；S04 在所述稀土氧化物上形成溝道區(qū)，以及在所述溝道區(qū)兩側(cè)形成源區(qū)和漏區(qū)。其中，所述稀土氧化物的晶格常數(shù)a與所述溝道區(qū)和或所述源區(qū)和漏區(qū)的半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)b的關(guān)系為a=(n±c)b,其中n為整數(shù)，c為晶格常數(shù)失配率，0〈c ( 15%。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述凹槽的深度不小于5nm。為了保證凹槽中所填充的稀土氧化物的表層附近的晶格常數(shù)不被襯底影響，以及保證能夠引入較大的應(yīng)力，凹槽的深度不宜過小。 在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述稀土氧化物包括(GdhErx) 203、(Gd1^xNdx) 203、(EivxNdx)2O3' (EivxLax)2O3' (PivxLax)2O3' (Prl-xNdx) 203、(Pr1^xGdx)2O3 中的一種或多種的組合，其中X的取值范圍為0-1。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述稀土氧化物通過外延生長形成。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，步驟S03中在所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度等于或大于所述凹槽的深度。。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，步驟S04包括在所述稀土氧化物上，以及在所述溝道區(qū)兩側(cè)分別生長晶體以形成所述溝道區(qū)、所述源區(qū)和漏區(qū)。通過晶體生長的方式形成源漏區(qū)和溝道區(qū)，從而有利于得到高質(zhì)量低缺陷的晶體。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，步驟S03中在所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度小于所述凹槽的深度。則在一個可選的實(shí)施例中，通過控制所述稀土氧化物的生長條件，使所述稀土氧化物從所述凹槽底部縱向優(yōu)先生長，從而使生長完成后所述凹槽內(nèi)部不會形成孔洞。對于難以實(shí)現(xiàn)縱向優(yōu)先生長的襯底材料，可選地，步驟S0 3可以進(jìn)一步包括S031 :在所述凹槽中形成阻擋層；S032 :去除形成在所述凹槽底部的所述阻擋層，保留形成在所述凹槽側(cè)壁的所述阻擋層；S033 :在所述凹槽中生長所述稀土氧化物；S034:去除所述凹槽側(cè)壁上未被所述稀土氧化物覆蓋的所述阻擋層。本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法，通過在半導(dǎo)體器件的溝道區(qū)下方形成稀土氧化物層，在一些特定晶向上稀土氧化物的晶格常數(shù)一般約為常見半導(dǎo)體材料如Si、Ge、III-V族化合物半導(dǎo)體材料的兩倍左右，通過調(diào)整稀土氧化物的成分，可以方便地調(diào)整其晶格常數(shù)，使其比溝道區(qū)材料和或源漏區(qū)材料的晶格常數(shù)的整數(shù)倍稍大或者稍小，通過晶格常數(shù)的差異，在外延的過程中向CMOS器件的溝道區(qū)和或源漏區(qū)引入應(yīng)力。本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在(I)由于稀土氧化物的晶格常數(shù)隨稀土氧化物中稀土元素的種類和含量而變化，故可以根據(jù)源漏區(qū)和溝道區(qū)的材料的晶格常數(shù)，通過調(diào)節(jié)稀土氧化物的種類和組分，在源漏區(qū)和溝道區(qū)引入所需類型和大小的應(yīng)力；(2)由于作為應(yīng)力源的稀土氧化物為晶體生長所得，因此相對于傳統(tǒng)的應(yīng)力引入方式，對溝道區(qū)引入的應(yīng)力更大，對器件遷移率的提升更為顯著和有效；(3)利用稀土氧化物的晶體特性，以晶體生長取代傳統(tǒng)的源漏區(qū)摻入替位式元素或生長應(yīng)力帽層的應(yīng)力引入方式，極大地簡化了工藝流程。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為本發(fā)明實(shí)施例一的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例二的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例三的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4-6為本發(fā)明實(shí)施例一的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的中間步驟的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例二的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的中間步驟的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8-11為本發(fā)明實(shí)施例三的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的中間步驟的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。圖I所示為本發(fā)明實(shí)施例一的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖I所示，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底100 ;形成在半導(dǎo)體襯底100中的凹槽200，凹槽200中填充有稀土氧化物300 ;溝道區(qū)400，溝道區(qū)400部分或全部位于凹槽200的稀土氧化物300上；以及形成在溝道區(qū)400兩側(cè)的源區(qū)500和漏區(qū)600。圖I所示為溝道區(qū)400全部位于凹槽200的稀土氧化物300上的情況。需指出的是，可選地，溝道區(qū)400可以部分位于凹槽200的稀土氧化物300上，即溝道區(qū)400的長度大于凹槽的長度。在本發(fā)明實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底100的材料包括單晶Si、單晶Ge、任意組分的SiGe、III-V族化合物半導(dǎo)體材料、SOI (絕緣體上硅)、GeOI (絕緣體上鍺)或其他半導(dǎo)體襯底材料。為了保證凹槽200中所填充的稀土氧化物的表層附近的晶格常數(shù)不被襯底100影響，以及保證能夠引入較大的應(yīng)力，凹槽200的深度不宜過小。在本發(fā)明實(shí)施例中，凹槽200的深度不小于5nm。當(dāng)稀土氧化物300的晶格常數(shù)與溝道區(qū)400內(nèi)晶體的晶體常數(shù)的整數(shù) 倍相差較大時，即晶格常數(shù)失配率相差較大時，比如10-15%時，很淺的凹槽200內(nèi)填充了很薄的稀土氧化物300也可以引起足夠的應(yīng)力，而當(dāng)晶格常數(shù)失配率較小時，比如0. 1-1%時，就需要較深的凹槽200并生長較厚的稀土氧化物300，才能保證在溝道區(qū)400內(nèi)引入較大的應(yīng)力。本發(fā)明通過在半導(dǎo)體器件的溝道區(qū)下方形成稀土氧化物層，從而向CMOS器件的溝道區(qū)和源漏區(qū)引入應(yīng)力。在本發(fā)明實(shí)施例中，稀土氧化物300具體包括各種稀土元素的氧化物及其組合，例如(GdhErx)2O^ (GdhNdx)2Op (EivxNdx)2O3' (EivxLax) 203 中、(PiVxLax)2Oy (PivxNdx)2Op (Pr1^xGdx)2O3的一種或多種的組合，其中x的取值范圍為0_1。例如具體可以包括Er203、Gd203、Nd2O3> Pr2O3> La2O3等。由于稀土氧化物的晶格常數(shù)隨稀土氧化物中稀土元素的種類和含量而變化，故可以根據(jù)溝道區(qū)和源漏區(qū)的材料的晶格常數(shù)，通過調(diào)節(jié)稀土氧化物的種類和組分，調(diào)節(jié)填充在溝道區(qū)下方的稀土氧化物的晶格常數(shù)，使之與溝道區(qū)和源漏區(qū)材料的晶格常數(shù)匹配，從而在溝道區(qū)和源漏區(qū)引入所需類型和大小的應(yīng)力。其中，本發(fā)明各實(shí)施例中所謂匹配的含義是設(shè)稀土氧化物300的晶格常數(shù)為a，源區(qū)500和漏區(qū)600和或溝道區(qū)400的半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)為b，滿足a=(n±c)b，其中n為整數(shù)，c為晶格常數(shù)失配率，0〈c < 15%。例如，在一個實(shí)施例中，溝道區(qū)和源漏區(qū)的材料為Si或Ge，可以調(diào)節(jié)稀土氧化物的組分以達(dá)到其晶格常數(shù)為Si或Ge的晶格常數(shù)的兩倍略多或略少。因?yàn)槿绻鸻恰好為b的整數(shù)倍，則不能在溝道區(qū)400引入應(yīng)力；如果a比b的整數(shù)倍稍大，則在溝道區(qū)400引入張應(yīng)力，以提升溝道區(qū)域的電子載流子遷移率；反之，如果a比b的整數(shù)倍稍小，則在溝道區(qū)400引入壓應(yīng)力，以提升溝道區(qū)域的空穴載流子遷移率。通常將晶格常數(shù)的適配率控制在15%以內(nèi)。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，稀土氧化物300通過外延生長形成，例如通過UHVCVD(超高真空化學(xué)氣相沉積)、MOCVD (金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積)、MBE (分子束外延)等外延生長的方法形成，由于作為應(yīng)力源的稀土氧化物300通過晶體生長的方式形成，相對于傳統(tǒng)的應(yīng)力引入方式，對溝道區(qū)引入的應(yīng)力更大，對器件遷移率的提升更為顯著和有效。在本發(fā)明實(shí)施例中，凹槽200中填充的稀土氧化物300的厚度基本等于凹槽200的深度。源區(qū)500、漏區(qū)600以及溝道區(qū)400的材料可以包括單晶Si、單晶Ge、任意組分的SiGe、III-V族半導(dǎo)體材料、II-VI族半導(dǎo)體材料。優(yōu)選地，源區(qū)500、漏區(qū)600以及溝道區(qū)400均通過晶體生長的方式形成，從而有利于得到高質(zhì)量低缺陷的晶體。需指出的是，源區(qū)500、漏區(qū)600以及溝道區(qū)400的厚度不宜過大，否則稀土氧化物300提供的應(yīng)力難以作用到溝道區(qū)域，也不利于低阻源漏的形成，造成器件性能下降。需指出的是，本發(fā)明對源漏區(qū)以及溝道區(qū)的具體結(jié)構(gòu)不作限定，任何現(xiàn)有的和將來可能出現(xiàn)的源漏區(qū)和溝道區(qū)結(jié)構(gòu)均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)?？蛇x地，源區(qū)500和漏區(qū)600的材料還可以為金屬。采用金屬源漏，有利于減小源漏區(qū)的串聯(lián)電阻，配合應(yīng)力在溝道中的作用，有利于進(jìn)一步提高器件的驅(qū)動電流。圖2為本發(fā)明實(shí)施例二的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖，與圖I所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相比，其區(qū)別在于凹槽200中填充的稀土氧化物300的厚度小于凹槽200的深度；凹槽200中形成有稀土氧化物晶體，以縱向優(yōu)先生長的方式生長，從而使稀土氧化物的生長完成后凹槽中不會形成孔洞。需指出的是，在本實(shí)施例中，溝道區(qū)300形成在凹槽200中的部分稀土氧化物300上，源區(qū)500和漏區(qū)600分別位于溝道區(qū)300兩側(cè)的稀土氧化物300上，如圖2所 示?？蛇x地，溝道區(qū)300形成在凹槽200中的全部稀土氧化物300上，源區(qū)500和漏區(qū)600分別位于溝道區(qū)300兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底100區(qū)域。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例三的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖，與圖2所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相比，其區(qū)別在于凹槽200填充有稀土氧化物300的部分側(cè)壁分別形成有阻擋層700，源500和漏600分別形成在凹槽200的稀土氧化物300以及阻擋層700上。與實(shí)施例二的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)類似，在本實(shí)施例中，溝道區(qū)300形成在凹槽200中的部分稀土氧化物300上，源區(qū)500和漏區(qū)600位于溝道區(qū)300兩側(cè)的稀土氧化物300和阻擋層700上，如圖3所示?？蛇x地，溝道區(qū)300形成在凹槽200中的全部稀土氧化物300上，源區(qū)500和漏區(qū)600分別位于溝道區(qū)300兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底100區(qū)域。本發(fā)明另一方面提供一種上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，圖4-6所示為本發(fā)明實(shí)施例一的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的中間步驟的結(jié)構(gòu)示意圖，該方法包括以下步驟步驟SlOl :提供半導(dǎo)體襯底100，如圖4所示。在本發(fā)明實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底100的材料包括單晶Si、單晶Ge、任意組分的SiGe、III-V族半導(dǎo)體材料、SOI (絕緣體上硅)、GeOI (絕緣體上鍺)或其他半導(dǎo)體襯底材料。 步驟S102 :在半導(dǎo)體襯底100中形成凹槽200，如圖5所示。在本發(fā)明實(shí)施例中，在半導(dǎo)體襯底100上定義稀土氧化物材料填充區(qū)域，使用常規(guī)工藝(例如濕法刻蝕法)刻蝕半導(dǎo)體襯底100，形成凹槽200。為了保證凹槽200中所填充的稀土氧化物的表層附近的晶格常數(shù)不被襯底影響，以及保證能夠引入較大的應(yīng)力，凹槽的深度不宜過小。在本實(shí)施例中，凹槽200的深度不小于5nm。步驟S103 :在凹槽200中填充稀土氧化物300，如圖6所示。在本發(fā)明實(shí)施例中，稀土氧化物300具體包括各種稀土元素的氧化物及其組合，例如(GdhErx)2Op (GdhNdx)203、(EivxNdx)2O3' (EivxLax)2O3' (PivxLax)2O3' (PivxNdx)2O3' (PivxGdx) 203 中的一種或多種組合，其中X的取值為0-1，具體可以包括Er203、Gd203、Nd2O3> Pr2O3> La2O3等。優(yōu)選地，稀土氧化物300通過外延生長得到，生長方法包括超高真空化學(xué)氣相沉積(UHVCVD)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其他生長方法。由于作為應(yīng)力源的稀土氧化物300通過晶體生長的方式形成，相對于傳統(tǒng)的應(yīng)力引入方式，對溝道區(qū)引入的應(yīng)力更大，對器件遷移率的提升更為顯著和有效?？蛇x地，在凹槽200內(nèi)完全填充稀土氧化物材料后，可以對器件表面進(jìn)行拋光，例如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，以得到平坦表面。步驟S104 :在稀土氧化物300上形成溝道區(qū)400，以及在溝道區(qū)400兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底100上形成源區(qū)500和漏區(qū)600，如圖I所示。在本發(fā)明實(shí)施例中，源區(qū)500、漏區(qū)600以及溝道區(qū)400的材料包括單晶Si、單晶Ge、任意組分的SiGe、III-V族半導(dǎo)體材料、II-VI族半導(dǎo)體材料。優(yōu)選地，源區(qū)500、漏區(qū)600以及溝道區(qū)400均通過晶體生長的方式形成，從而有利于得到高質(zhì)量低缺陷的晶體。需指出的是，源區(qū)500、漏區(qū)600以及溝道區(qū)400的厚度不宜過大，否則稀土氧化物300提供的應(yīng)力難以作用到溝道區(qū)域，也不利于低阻源漏的形成，造成器件性能下降。另外，需指出的是，本發(fā)明對源漏區(qū)以及溝道區(qū)的結(jié)構(gòu)和形成工藝不作限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以采取現(xiàn)有的及將來可能出現(xiàn)的工藝形成源漏區(qū)以及溝道區(qū)。由于稀土氧化物的晶格常數(shù)隨稀土氧化物中稀土元素的種類和含量而變化，故可以根據(jù)源漏區(qū)和溝道區(qū)的材料的晶格常數(shù)，通過調(diào)節(jié)稀土氧化物的種類和組分，調(diào)節(jié)填充在源區(qū)500和漏區(qū)600下方的稀土氧化物300的晶格常數(shù)，使之與溝道區(qū)400和源區(qū)500、漏區(qū)600材料的晶格常數(shù)匹配，即稀土氧化物的晶格常數(shù)比源漏和或溝道區(qū)材料的晶格常數(shù)的整數(shù)倍略大或者略小，通過晶格常數(shù)的差異，在溝道區(qū)400和源區(qū)500、漏區(qū)600引入所需類型和大小的應(yīng)力可選地，步驟S104可以包括在溝道區(qū)400兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底100上分別形成金屬源區(qū)500和金屬漏區(qū)600。采用金屬源漏，有利于減小源漏區(qū)的串聯(lián)電阻，配合應(yīng)力在溝道中的作用，有利于進(jìn)一步提高器件的驅(qū)動電流。下面以一個實(shí)施例具體描述通過MOCVD的晶體生長方式形成本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。步驟S101’ 提供半導(dǎo)體襯底。在本發(fā)明實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底的材料為Si。步驟S102’ 在半導(dǎo)體襯底上定義稀土氧化物材料填充區(qū)域，使用常規(guī)工藝(例如濕法刻蝕法)刻蝕襯底，在所定義的區(qū)域形成矩形的凹槽，凹槽的深度為30nm。步驟S103’ 采用MOCVD在凹槽中進(jìn)行稀土氧化物填充。例如制作NMOS器件，可以以Nd(thd)3(三(2，2，6，6-四甲基-3，5-庚二酮酸)釹)作為金屬前驅(qū)物，O2作為氧源，在850° C條件下進(jìn)行MOCVD生長，得到30nm厚的Nd203。然后使用CMP對器件表面進(jìn)行平坦化處理。步驟S104’ 在凹槽的稀土氧化物上外延生長溝道區(qū)材料，以及在溝道區(qū)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底上生長源區(qū)和漏區(qū)材料。由于稀土氧化物Nd2O3的晶格常數(shù)大于Si的晶格常數(shù)的兩倍，因此可以在Si襯底上制作的溝道區(qū)域中引入張應(yīng)力，從而提升溝道區(qū)域的載流子遷移率。形成源漏區(qū)和溝道區(qū)之后，繼續(xù)完成后續(xù)工藝，例如形成柵堆疊和側(cè)墻，源漏注入激活以及層間隔離電極等制作，最終形成溝道區(qū)下方具有稀土氧化物層的晶體管。圖7所示為本發(fā)明實(shí)施例二的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的中間步驟的結(jié)構(gòu)示意圖，為簡明起見，以下僅描述與實(shí)施例一的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的各步驟不同的部分。該方法包括以下步驟步驟S201和S202與步驟SlOl和S102基本相同。步驟S203 :在凹槽200中填充稀土氧化物300，其中，凹槽200中填充的稀土氧化物300的厚度小于凹槽200的深度，如圖7所示。在本發(fā)明實(shí)施例中，稀土氧化物300具體可以包括各種稀土元素的氧化物及其組合，例如(GdhErx)2O^ (GdhNdx)2Op (EivxNdx)2O3'(PiVxLax)203、(PivxNdx)203、(PivxGdx)203、(Er1^xLax)2O3 中的一種或多種組合，其中 x 的取值為0-1，具體可以包括Er2O3、Gd2O3、Nd2O3、Pr2O3、La2O3等。優(yōu)選地，稀土氧化物300通過外延生長得到，生長方法包括超高真空化學(xué)氣相沉積UHVCVD、金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積M0CVD、分子束外延MBE或其他生長方法。并且，通過控制稀土氧化物300的晶體生長條件(例如壓強(qiáng)、溫度)，使其從凹槽底部縱向優(yōu)先生長，即稀土氧化物300優(yōu)先從凹槽200底部縱向生長，而很少在凹槽200的側(cè)壁橫向生長，從而避免在凹槽200中形成孔洞。進(jìn)一步地，通過控制稀土氧化物300的生長時間，使稀土氧化物300不完全填充凹槽200。由于作為應(yīng)力源的稀土氧化物300通過晶體生長的方式形成，相對于傳統(tǒng)的應(yīng)力引入方式，對溝道區(qū)引入的應(yīng)力更大，對器件遷移率的提升更為顯著和有效。步驟S204 :在稀土氧化物300上形成溝道區(qū)400，以及在溝道區(qū)400兩側(cè)的稀土氧化物300上形成源區(qū)500和漏區(qū)600，如圖2所示。在本實(shí)施例中，溝道區(qū)400、源區(qū)500和漏區(qū)600的材料包括單晶Si、單晶Ge、任意組分的SiGe、III-V族化合物半導(dǎo)體、II-VI族化合物半導(dǎo)體。優(yōu)選地，通過選擇性外延生長的方式形成溝道區(qū)400、源區(qū)500和漏區(qū)600，、從而有利于得到高質(zhì)量低缺陷的晶體。需指出的是，源500、漏600以及溝道區(qū)300的厚度不宜過大，否則稀土氧化物300提供的應(yīng)力難以作用到溝道區(qū)域，也不利于低阻源漏的形成，造成器件性能下降。可選地，本步驟可以包括在凹槽200的全部稀土氧化物300上形成溝道區(qū)400，以及對溝道區(qū)400兩側(cè)半導(dǎo)體襯底100進(jìn)行摻雜以形成源區(qū)500和漏區(qū)600。下面以一個實(shí)施例具體描述通過MOCVD的晶體生長方式形成本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。步驟S201’ 提供半導(dǎo)體襯底。在本發(fā)明實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底的材料可以為Si。步驟S202’ 在半導(dǎo)體襯底上定義稀土氧化物材料填充區(qū)域，使用常規(guī)工藝(例如濕法刻蝕法)刻蝕襯底，在所定義的區(qū)域形成矩形的凹槽，凹槽的深度為30nm。步驟S203’:采用MOCVD在凹槽中進(jìn)行稀土氧化物填充。所填充的稀土氧化物的厚度小于凹槽的深度。例如，選用La[N(SiMe3)2]3作為稀土元素源，O2作為反應(yīng)物，在800° C條件下進(jìn)行MOCVD生長，在凹槽200底部得到厚度為15nm的稀土氧化物L(fēng)a203。步驟S204’ 在稀土氧化物上生長溝道區(qū)，以及在溝道區(qū)兩側(cè)的稀土氧化物上形成源區(qū)和漏區(qū)。在本實(shí)施例中，溝道區(qū)的材料可以是Ge，由于稀土氧化物L(fēng)a2O3的晶格常數(shù)略大于Ge的晶格常數(shù)的2倍，因此可以在溝道區(qū)中引入沿溝道長度方向的拉應(yīng)力。除了利用縱向優(yōu)先生長的外延工藝外，還可以采用通過阻擋層阻擋稀土氧化物材料在凹槽側(cè)壁的生長的方法，從而形成本發(fā)明實(shí)施例三的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖8-11所示為本發(fā)明實(shí)施例三的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的中間步驟的結(jié)構(gòu)示意圖。為簡明起見，以下僅描述 與實(shí)施例一的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的各步驟不同的部分。該方法包括以下步驟步驟S301和S302與步驟SlOl和S102的基本相同。步驟S303具體可以包括以下步驟S3031 :在凹槽200中形成阻擋層700，如圖8所示。阻擋層700的材料可以是SiN、SiO2等常見的隔離介質(zhì)。S3032 :去除形成在凹槽200底部的阻擋層700，保留形成在凹槽200側(cè)壁的阻擋層700，如圖9所示。具體地，可以對阻擋層700進(jìn)行各向異性刻蝕，通過控制刻蝕工藝，暴露凹槽200的底部，而保留其側(cè)壁的阻擋層。S3033 :在凹槽200中生長稀土氧化物300，凹槽200中填充的稀土氧化物300的厚度小于凹槽200的深度，如圖10所示。由于兩凹槽的側(cè)壁均被阻擋層700保護(hù)，因此稀土氧化物300僅從凹槽底部向上生長。S3034 :去除凹槽200側(cè)壁上未被稀土氧化物300覆蓋的阻擋層700，如圖11所示。例如通過選擇性刻蝕去除暴露的阻擋層700。通過步驟S303在凹槽200中形成稀土氧化物300，由于作為應(yīng)力源的稀土氧化物300通過晶體生長的方式形成，相對于傳統(tǒng)的應(yīng)力引入方式，對溝道區(qū)引入的應(yīng)力更大，對器件遷移率的提升更為顯著和有效。步驟S304 :在部分稀土氧化物300上形成溝道區(qū)300，在溝道區(qū)300兩側(cè)的稀土氧化物300和阻擋層700上形成源區(qū)500和漏區(qū)600，如圖3所示。在本實(shí)施例中，源區(qū)500、漏區(qū)600的材料包括單晶Si、單晶Ge、任意組分的SiGe、III-V族化合物半導(dǎo)體、II-VI族化合物半導(dǎo)體。優(yōu)選地，通過選擇性外延生長的方式形成溝道區(qū)300、源區(qū)500和漏區(qū)600，從而有利于得到高質(zhì)量低缺陷的晶體。需指出的是，源500、漏600以及溝道區(qū)300的厚度不宜過大，否則稀土氧化物300提供的應(yīng)力難以作用到溝道區(qū)域，也不利于低阻源漏的形成，造成器件性能下降?？蛇x地，本步驟可以包括在凹槽200的全部稀土氧化物300和阻擋層700上形成溝道區(qū)400，以及對溝道區(qū)400兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底100進(jìn)行摻雜以形成源區(qū)500和漏區(qū)600。本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法，通過在半導(dǎo)體器件的溝道區(qū)下方形成稀土氧化物層，通過調(diào)整稀土氧化物層的成分以調(diào)整其晶格常數(shù)，進(jìn)而利用稀土氧化物層和溝道區(qū)材料和或源漏區(qū)材料的晶格常數(shù)的差異，在外延的過程中向CMOS器件的溝道區(qū)和或源漏區(qū)引入類型和大小可調(diào)的應(yīng)力，顯著提升半導(dǎo)體器件的遷移率，并且，利用稀土氧化物的晶體特性，以晶體生長取代傳統(tǒng)的源漏區(qū)摻雜或生長帽層的應(yīng)力引入方式，極大地簡化了工藝流程。在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特 點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個或多個實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括 半導(dǎo)體襯底； 形成在所述半導(dǎo)體襯底中的凹槽，所述凹槽中填充有稀土氧化物； 部分或全部位于所述稀土氧化物上的溝道區(qū)；和 位于所述溝道區(qū)兩側(cè)的源區(qū)和漏區(qū)； 其中，所述稀土氧化物的晶格常數(shù)a與所述溝道區(qū)和或所述源區(qū)和漏區(qū)的半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)b的關(guān)系為a=(n土c)b,其中η為整數(shù)，c為晶格常數(shù)失配率,0〈c彡15%。
2.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述凹槽的深度不小于5nm。
3.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述稀土氧化物包括(GdhErx)2O3.(GdhNdx)2O3' (EivxNdx)2O3' (Er1^xLax) 203> (PivxLax)2O3' (Pr1^xNdx) 203> (Pr1^xGdx) 203 中的ー種或多種的組合，其中X的取值范圍為0-1。
4.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述稀土氧化物通過外延生長形成。
5.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述源區(qū)和漏區(qū)以及所述溝道區(qū)通過晶體生長的方式形成。
6.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度等于或大于所述凹槽的深度。
7.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度小于所述凹槽的深度。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述凹槽中填充有所述稀土氧化物的部分側(cè)壁形成有阻擋層。
9.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，包括以下步驟 501:提供半導(dǎo)體襯底； 502:在所述半導(dǎo)體襯底中形成凹槽； 503:在所述凹槽中填充稀土氧化物； 504:在所述稀土氧化物上形成溝道區(qū)，以及在所述溝道區(qū)兩側(cè)形成源區(qū)和漏區(qū)； 其中，所述稀土氧化物的晶格常數(shù)a與所述溝道區(qū)和或所述源區(qū)和漏區(qū)的半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)b的關(guān)系為a=(n土c)b,其中η為整數(shù)，c為晶格常數(shù)失配率,0〈c彡15%。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述凹槽的深度不小于5nm。
11.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述稀土氧化物包括(GdhErx) 203、(GdhNdx) 203、(Er1^xNdx) 203> (Er1^xLax) 203> (Pr1^xLax) 203> (Pr1^xNdx) 203>(Pr1^xGdx)2O3中的一種或多種的組合，其中X的取值范圍為0-1。
12.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述稀土氧化物通過外延生長形成。
13.如權(quán)利要求9-12任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，步驟S03中在所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度等于或大于所述凹槽的深度。
14.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，步驟S04包括在所述稀土氧化物上，以晶體生長的方式形成所述溝道區(qū)、以及在所述溝道區(qū)兩側(cè)所述源區(qū)和漏區(qū)。
15.如權(quán)利要求9-12任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，步驟S03中在所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度小于所述凹槽的深度。
16.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，步驟S03進(jìn)ー步包括 5031:在所述凹槽中形成阻擋層；5032:去除形成在所述凹槽底部的所述阻擋層，保留形成在所述凹槽側(cè)壁的所述阻擋層； 5033:在所述凹槽中生長所述稀土氧化物； S034:去除所述凹槽側(cè)壁上未被所述稀土氧化物覆蓋的所述阻擋層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底；形成在所述半導(dǎo)體襯底中的凹槽，所述凹槽中填充有稀土氧化物；部分或全部位于所述稀土氧化物上溝道區(qū)；和位于所述溝道區(qū)兩側(cè)的源區(qū)和漏區(qū)。通過在半導(dǎo)體器件的源區(qū)和漏區(qū)下方形成稀土氧化物層，從而向CMOS器件的源漏區(qū)和溝道區(qū)引入類型和大小可調(diào)的應(yīng)力，顯著提升半導(dǎo)體器件的遷移率，并且，利用稀土氧化物的晶體特性，以晶體生長的方式形成應(yīng)力源，極大地簡化了工藝流程。
文檔編號H01L21/336GK102683388SQ20121017575
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者王巍, 王敬, 郭磊 申請人:清華大學(xué)