半導體器件及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半導體器件，包括襯底、襯底上的柵極堆疊結構、柵極堆疊結構兩側襯底中的源漏區(qū)、襯底中源漏區(qū)之間的溝道區(qū)，其特征在于：源漏區(qū)中至少一個包括GeSn合金。依照本發(fā)明的半導體器件及其制造方法，通過注入前驅物然后激光快速退火，形成了高Sn含量的GeSn應力源漏區(qū)，有效提高了溝道區(qū)器件載流子遷移率并進一步提高了器件驅動能力。
【專利說明】半導體器件及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體集成電路制造領域，更具體地，涉及一種具有GeSn應力源漏區(qū)的MOSFET及其制造方法。
【背景技術】
[0002]隨著集成電路工藝持續(xù)發(fā)展，特別是器件尺寸不斷等比例縮減，器件的各個關鍵參數(shù)例如閾值電壓等也隨之減小，功耗減小、集成度提高這些優(yōu)點促進了器件整體性能提高。然而與此同時，器件的驅動能力卻受制于傳統(tǒng)的硅材料工藝的限制，載流子遷移率較低，面臨了器件驅動能力相比而言不足的問題。因此，高遷移率溝道器件在未來具有重要應用背景。
[0003]現(xiàn)有的高遷移率溝道器件通常是采用SihGex或SihCx來作為應力源漏區(qū)向Si的溝道區(qū)施加應力，或者直接采用這些材料作為襯底和溝道區(qū)。在SihGex中引入壓應變能夠進一步提高空穴的遷移率，相應地在在SihCx中引入張應變能夠進一步提高電子的遷移率。然而，這兩種材料晶格常數(shù)與Si差別仍不夠大，能夠提供的應變有限，難以應用在需要更高驅動能力的器件中。
[0004]一種可選的替代材料是GeSn合金，該薄膜具有很高的載流子遷移率，并且可以通過調節(jié)Sn的含量調節(jié)合金的能帶結構，因此廣泛應用于先進的CMOS器件和光電子器件中。
[0005]然而傳統(tǒng)的GeSn合金需要用分子束外延或者CVD，目前仍不成熟或者與CMOS不兼容。此外，由于Sn在Ge中的平衡固溶度非常的低，因此用常規(guī)的方法很難得到Sn的含量大于 I % 的 Ge1^SnxO
[0006]此外，其他高遷移率材料，諸如GaAs、InSb等也存在類似問題，難以與Si基的CMOS
工藝兼容。`

【發(fā)明內容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有GeSn應力源漏區(qū)的MOSFET及其制造方法，克服上述傳統(tǒng)工藝的缺陷，有效提高器件溝道區(qū)載流子遷移率。
[0008]實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，是通過提供一種半導體器件，包括襯底、襯底上的柵極堆疊結構、柵極堆疊結構兩側襯底中的源漏區(qū)、襯底中源漏區(qū)之間的溝道區(qū)，其特征在于:源漏區(qū)中至少一個包括GeSn合金。
[0009]其中，溝道區(qū)包括Si和/或SiGe。
[0010]其中，GeSn合金中Sn含量大于O并且小于30%。
[0011]其中，源漏區(qū)上還包括材質相同的提升源漏區(qū)。
[0012]其中，源漏區(qū)上還包括金屬化源漏接觸層。
[0013]本發(fā)明還提供了一種半導體器件制造方法，包括:在襯底上形成柵極堆疊結構；在柵極堆疊結構至少一側的襯底中注入前驅物；激光快速退火，使得前驅物反應形成GeSn合金，構成源漏區(qū)。[0014]其中，GeSn合金中Sn含量大于O并且小于30%。
[0015]其中，注入前驅物的步驟進一步包括:執(zhí)行非晶化離子注入，在襯底中形成非晶化區(qū)；在非晶化區(qū)中注入Sn。
[0016]其中，非晶化離子注入的離子包括Ge、B、Ga、In及其組合。
[0017]其中，Sn的注入劑量為5 X IO15?IXlO1W20
[0018]其中，在注入前驅物之后、在激光快速退火之前，在前驅物上形成保護層。
[0019]其中，在激光快速退火工藝中，激光處理的脈沖個數(shù)為I?100，能量密度為100mJ/cm2?lj/cm2,激光波長為157nm?10.6 μ m,脈沖時間寬度為Ins?10 μ S。
[0020]依照本發(fā)明的半導體器件及其制造方法，通過注入前驅物然后激光快速退火，形成了高Sn含量的GeSn應力源漏區(qū)，有效提高了溝道區(qū)器件載流子遷移率并進一步提高了器件驅動能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]以下參照附圖來詳細說明本發(fā)明的技術方案，其中:
[0022]圖1至圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體器件制造方法各步驟的剖面示意圖；
[0023]以及圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體器件的剖視圖。
【具體實施方式】
[0024]以下參照附圖并結合示意性的實施例來詳細說明本發(fā)明技術方案的特征及其技術效果。需要指出的是，類似的附圖標記表示類似的結構，本申請中所用的術語“第一”、“第二”、“上”、“下”、“厚”、“薄”等等可用于修飾各種器件結構。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾器件結構的空間、次序或層級關系。
[0025]根據(jù)本發(fā)明實施例，參照圖1至圖3，形成了具有GeSn應力源漏區(qū)的常規(guī)MOSFET器件結構。
[0026]首先參照圖1，在襯底I上形成柵極堆疊結構2和柵極側墻3。
[0027]提供襯底1，其可以是體3丨、501、體66、6601、5丨66、66513，也可以是II1-V族或者I1-VI族化合物半導體襯底，例如GaAs、GaN、InP、InSb等等。此外，也可以是玻璃、塑料、樹脂等透明基板。為了與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容以應用于大規(guī)模數(shù)字集成電路制造，襯底I優(yōu)選地為體Si (單晶娃晶片)、SOI晶片。
[0028]在襯底I中先刻蝕形成淺溝槽，然后采用快速熱氧化(RTO)、LPCVD、PECVD、HDPCVD等常規(guī)方法，在淺溝槽中沉積填充氧化物(例如氧化硅)從而形成淺溝槽隔離(STI)IAt5STIIA包圍的襯底區(qū)域即構成器件的有源區(qū)。
[0029]優(yōu)選地，在STI IA包圍的有源區(qū)內形成埋層(未示出)，埋層用于增強源漏區(qū)向溝道區(qū)施加的應力或者增強溝道區(qū)自身的應力，從而進一步提高載流子遷移率。埋層材質是晶格常數(shù)介于襯底Si與稍后的源漏區(qū)GeSn之間的材料，例如是SiGe。形成埋層的方法可以是可選地在襯底I上沉積緩沖層、在襯底/緩沖層上外延生長SiGe埋層、以及可選地在埋層上再外延生長Si或者Ge頂層。此外，形成埋層的方法還可以是將Ge離子注入到Si襯底中一定深度，隨后退火使得注入的摻雜離子與襯底反應形成SiGe埋層。埋層與襯底I表面的距離也即埋層深度，依照溝道區(qū)應力分布需要而通過控制外延或者注入工藝參數(shù)而設定，埋層深度例如是10~30nm。
[0030]通過LPCVD、PECVD, HDPCVD, MOCVD, MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等常規(guī)方法，在襯底I上
依次沉積柵極絕緣層2A、柵極導電層2B，并隨后刻蝕形成柵極堆疊結構2A/2B。在前柵工藝中，柵極堆疊結構將一直保留，柵極絕緣層2A是高k材料，包括但不限于氮化物(例如SiN、AIN、TiN)、金屬氧化物(主要為副族和鑭系金屬元素氧化物，例如A1203、Ta2O5, TiO2, ZnO、ZrO2、HfO2、CeO2、Y2O3、La2O3)、鈣鈦礦相氧化物(例如 PbZrxTi1^xO3 (PZT) ,BaxSr1^xTiO3(BST))；柵極導電層2B是金屬和/或金屬氮化物，其中金屬包括Al、T1、Cu、Mo、W、Ta，金屬氮化物包括TiN、TaN。在后柵工藝中，此時的柵極堆疊結構是假柵極堆疊結構，在后續(xù)工藝中將去除，柵極絕緣層2A包括氧化硅、氮氧化硅，柵極導電層2B是多晶硅、非晶硅。層2A厚度例如是I~5nm，層2B厚度例如是10~lOOnm。
[0031]在襯底I以及柵極堆疊結構2A/2B上通過PECVD、HDPCVD等常規(guī)方法沉積氮化硅、氮氧化娃、類金剛石無定形碳(DLC)等介質材料并刻蝕形成柵極側墻3。
[0032]接著，參照圖2，執(zhí)行摻雜注入，以柵極側墻3為掩模，在柵極側墻3至少一側的襯底I中注入前驅物，形成前驅物的摻雜區(qū)1B。
[0033]首先執(zhí)行非晶化離子注入(PAI)。注入能量例如是10~200KeV，注入劑量例如是IX IO15~IX IO17CnT2。當襯底I為Si時，注入離子是Ge。注入的Ge離子破壞了待形成源漏區(qū)的襯底I表面一定區(qū)域(例如距離表面10~20nm)內的晶格，使其非晶化而構成非晶化區(qū)(未示出)，以利于稍后進一步離子注入、以及退火時反應形成合金。
[0034]優(yōu)選地，非晶化離子注入之前和/或之后，進一步在非晶化區(qū)中注入B、Ga、In等雜質離子，以調整源漏區(qū)導電類型和濃度。
[0035]此外，當襯底I為SiGe或者是含有SiGe埋層的Si時(也即襯底本身含有Ge)，非晶化注入離子是B、Ga、In等雜質離子，在非晶化的同時也調整源漏區(qū)導電類型和濃度，因此不再額外地執(zhí)行上述調節(jié)源漏導電類型和濃度的雜質注入。
[0036]非晶化離子注入之后，在非晶化區(qū)中注入Sn。注入能量例如是20~200KeV，注入劑量例如是5 X IO15~I X IO17CnT2并優(yōu)選I X IO16CnT2。至此，非晶化區(qū)中至少包含了 Ge和Sn兩種摻雜離子以用作前驅物，從而構成了前驅物的摻雜區(qū)1B。
[0037]此外，也可以在注入Sn之后再注入B、Ga、In等雜質離子。
[0038]優(yōu)選地，在前驅物摻雜區(qū)IB上形成保護層(未示出)。例如采用PECVD、LPCVD等方法并且降低沉積溫度從而形成低溫保護層，也即低溫沉積保護層，例如低溫氧化硅(LTO)，沉積溫度例如低于400°C以避免此時Ge與Sn提前反應?；蛘咄ㄟ^旋涂、絲網(wǎng)印刷、噴涂等方法，采用PSG、BPSG等玻璃材料，甚至可以是光刻膠等樹脂材料來形成保護層，用于避免稍后的激光處理過度而損壞材料。自然，如果能良好調整激光處理參數(shù)，保護層也可以省略。
[0039]然后，參照圖3，執(zhí)行激光快速退火，使得前驅物的摻雜區(qū)IB中Ge與Sn反應形成GeSn,從而構成GeSn的源漏區(qū)4。采用激光脈沖照射前驅物摻雜區(qū)1B，使得至少包含Ge與Sn這兩種前驅物的摻雜區(qū)IB表面快速升溫融化并且相互反應，并且在冷卻的過程中以相同于襯底I和/或SiGe埋層的晶向結晶，最終形成Gei_xSnx合金，其晶格常數(shù)大于溝道材料的晶格常數(shù)，沿載流子輸運方向引入壓應變，提高載流子的遷移率。此外，GeSn合金也可以減小器件的源漏接觸電阻。激光處理的脈沖個數(shù)為ml (例如是I~100的整數(shù))，能量密度為fl (例如100mJ/cm2?lj/cm2),激光波長為157nm?10.6 μ m,脈沖時間寬度為tl (例如Ins?10μ s)。調節(jié)上述激光脈沖參數(shù),可以控制合金層的厚度以及GehSnx合金中Sn的含量(原子數(shù)目比)。優(yōu)選地，0〈χ〈0.3。
[0040]值得注意的是，雖然圖1至圖3所示為在柵極堆疊結構2兩側均形成了 Gei_xSnx合金的源漏區(qū)，但是實際上也可以僅在一側形成，而另一側則為普通的Si或者SiGe源漏區(qū)。
[0041]此后，參照圖4，可以繼續(xù)采用現(xiàn)有的前柵或者后柵工藝，完成MOSFET制造。例如在GeSn源漏區(qū)上形成金屬硅化物或者金屬鍺化物的源漏金屬化接觸層5，以進一步減小源漏接觸電阻。在整個器件上沉積低k材料的層間介質層(ILD)6?？涛gILD6形成源漏接觸孔，直至暴露源漏金屬化接觸層5，在接觸孔中沉積W、Cu、Al、Mo等金屬以及TiN、TaN等金屬氮化物而形成源漏接觸塞7。值得注意的是，雖然圖4所示結構中柵極堆疊結構為前柵工藝中平行層疊的柵極絕緣層2A與柵極導電層2B，但是也可以適用于后柵工藝，也即柵極絕緣層2A在柵極溝槽中包圍柵極導電層2B的底面以及側面(圖4中未示出)。
[0042]由此，依照本發(fā)明實施例的半導體器件包括襯底、襯底上的柵極堆疊結構、柵極堆疊結構兩側襯底中的源漏區(qū)、襯底中源漏區(qū)之間的溝道區(qū)，其特征在于源漏區(qū)中至少一個包括GehSnx合金。此外,溝道區(qū)包括Si或者SiGe。
[0043]依照本發(fā)明的半導體器件及其制造方法，通過注入前驅物然后激光快速退火，形成了高Sn含量的GeSn應力源漏區(qū)，有效提高了溝道區(qū)器件載流子遷移率并進一步提高了器件驅動能力。
[0044]盡管已參照一個或多個示例性實施例說明本發(fā)明，本領域技術人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對形成器件結構的方法做出各種合適的改變和等價方式。此外，由所公開的教導可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施方式而公開的特定實施例，而所公開的器件結構及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內的所有實施例。
【權利要求】
1.一種半導體器件，包括襯底、襯底上的柵極堆疊結構、柵極堆疊結構兩側襯底中的源漏區(qū)、襯底中源漏區(qū)之間的溝道區(qū)，其特征在于:源漏區(qū)中至少一個包括GeSn合金。
2.如權利要求1的半導體器件，其中，溝道區(qū)包括Si和/或SiGe。
3.如權利要求1的半導體器件,其中，GeSn合金中Sn含量大于O并且小于30%。
4.如權利要求1的半導體器件，其中，源漏區(qū)上還包括材質相同的提升源漏區(qū)。
5.如權利要求1的半導體器件，其中，源漏區(qū)上還包括金屬化源漏接觸層。
6.一種半導體器件制造方法，包括: 在襯底上形成柵極堆疊結構； 在柵極堆疊結構至少一側的襯底中注入前驅物； 激光快速退火，使得前驅物反應形成GeSn合金，構成源漏區(qū)。
7.如權利要求6的半導體器件制造方法，其中，GeSn合金中Sn含量大于O并且小于30%。
8.如權利要求6的半導體器件制造方法，其中，注入前驅物的步驟進一步包括: 執(zhí)行非晶化離子注入，在襯底中形成非晶化區(qū)； 在非晶化區(qū)中注入Sn。
9.如權利要求8的半導體器件制造方法，其中，非晶化離子注入的離子包括Ge、B、Ga、In及其組合。
10.如權利要求8的半導體器件制造方法，其中，Sn的注入劑量為5X1015?IX IO17Cm 2O
11.如權利要求6的半導體器件制造方法，其中，在注入前驅物之后、在激光快速退火之前，在前驅物上形成保護層。
12.如權利要求6的半導體器件制造方法，其中，在激光快速退火工藝中，激光處理的脈沖個數(shù)為I?100，能量密度為lOOmJ/cm2?lj/cm2，激光波長為157nm?10.6 μ m，脈沖時間寬度為Ins?10 μ S。
【文檔編號】H01L29/08GK103594495SQ201210293241
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年8月16日 優(yōu)先權日:2012年8月16日
【發(fā)明者】馬小龍, 殷華湘, 付作振 申請人:中國科學院微電子研究所