Mos晶體管及用以形成外延結構的半導體制作工藝的制作方法
【專利說明】MOS晶體管及用以形成外延結構的半導體制作工藝
[0001]
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及一種MOS (Metal-Oxide-Semiconductor)晶體管(金屬-氧化物-半導體晶體管)以及用以形成外延結構的半導體制作工藝，且特別是涉及一種具有氮/硅比大于1.3的外延間隙壁的M0S晶體管以及用以形成外延結構的半導體制作工藝。
【背景技術】
[0003]隨著半導體制作工藝進入到深次微米時代，例如65納米(nm)以下的制作工藝，對于M0S晶體管元件的驅動電流(drive current)的提升已顯得日益重要。為了改善元件的效能，目前業(yè)界已發(fā)展出所謂的「應變娃(strained-silicon)技術」，其原理主要是使柵極通道部分的硅晶格產生應變，使電荷在通過此應變的柵極通道時的移動力增加，進而達到使M0S晶體管運作更快的目的。
[0004]在目前已知的技術中，已有使用應變娃(strained silicon)作為基底的M0S晶體管，其利用娃鍺(SiGe)或娃碳(SiC)的晶格常數(shù)與單晶娃(single crystal Si)不同的特性，使娃鍺外延結構或娃碳外延結構產生結構上應變而形成應變娃。由于娃鍺外延結構或娃碳外延結構的晶格常數(shù)(lattice constant)比娃大或小,這使得娃的帶結構(bandstructure)發(fā)生改變，而造成載流子移動性增加，因此可增加M0S晶體管的速度。
[0005]然而，應變硅制作工藝還需配合其他的半導體制作工藝，使在提升M0S晶體管的速度的同時，也不會劣化其他部分的半導體結構。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于一種M0S晶體管以及用以形成外延結構的半導體制作工藝，其形成氮/硅比大于1.3的含硅及氮的外延間隙壁，以防止形成外延結構于基底時，外延結構同時形成于外延間隙壁上。
[0007]為達上述目的，本發(fā)明提供一種M0S晶體管，包含有一柵極結構、一外延間隙壁以及一外延結構。柵極結構設置于一基底上。外延間隙壁，設置于柵極結構側邊的基底上，其中外延間隙壁包含硅及氮，且氮/硅比大于1.3。外延結構設置于外延間隙壁側邊的基底中。
[0008]本發(fā)明提供一種半導體制作工藝包含有下述步驟，用以形成一外延結構。首先，形成一柵極結構于一基底上。接著，形成一外延間隙壁于柵極結構側邊的基底上，用以定義一外延結構的位置，其中外延間隙壁包含硅及氮，且氮/硅比大于1.3。然后，形成外延結構于外延間隙壁側邊的基底中。
[0009]基于上述，本發(fā)明提出一種M0S晶體管以及用以形成外延結構的半導體制作工藝，其形成含硅及氮的外延間隙壁，且其氮/硅比大于1.3。如此一來，可確保外延間隙壁的低硅含量，而避免形成于外延間隙壁側邊的基底中的外延結構，同時成長于外延間隙壁上， 污染所欲形成的MOS晶體管的其他結構，而造成短路等問題，降低良率。
【附圖說明】
[0010]圖1-圖5為本發(fā)明一實施例的用以形成一外延結構的一半導體制作工藝的剖面示意圖。
[0011]主要元件符號說明
[0012]10:絕緣結構
[0013]110:基底
[0014]122:緩沖層
[0015]124:介電層
[0016]126:柵極層
[0017]128:蓋層
[0018]128a:底蓋層
[0019]128b:頂蓋層
[0020]130、130b:間隙壁材料
[0021]132、132b:內層間隙壁材料
[0022]132a:間隙壁
[0023]134、134b:外層間隙壁材料
[0024]134a:外延間隙壁
[0025]140:外延結構
[0026]A:第一區(qū)
[0027]B:第二區(qū)
[0028]G1、G2:柵極結構
[0029]P:圖案化的光致抗蝕劑
[0030]P1:清洗及改質制作工藝
[0031]R:凹槽
[0032]S:表面
【具體實施方式】
[0033]圖1-圖5繪示本發(fā)明一實施例的用以形成一外延結構的一半導體制作工藝的剖面示意圖。如圖1所示，首先，提供一基底110。基底110例如是一硅基底、一含硅基底、一三五族覆娃基底(例如GaN-on-silicon)、一石墨烯覆娃基底(graphene-on-silicon)或一石圭覆絕緣(silicon-on-1nsulator, SOI)基底等半導體基底。一絕緣結構10可形成于各晶體管之間，以將各晶體管電性絕緣。在本實施例中，絕緣結構10將基底110區(qū)別為一第一區(qū)A以及一第二區(qū)B，其中第一區(qū)A為一 PM0S晶體管區(qū)，而第二區(qū)B為一 NM0S晶體管區(qū)，但本發(fā)明不以此為限。絕緣結構10可例如為一淺溝槽隔離結構，其例如以淺溝槽隔離制作工藝形成，但本發(fā)明不以此為限。
[0034]形成多個柵極結構G1于第一區(qū)A的基底110上以及多個柵極結構G2于第二區(qū)B的基底110上。柵極結構G1及G2可分別為一堆疊結構，例如其由下而上包含一緩沖層122、一介電層124、一柵極層126以及一蓋層128。詳細而言,形成柵極結構G1及G2的方法，可包含:先全面依序覆蓋一緩沖層(未繪示)、一介電層(未繪示)、一柵極層(未繪示)以及一蓋層(未繪示)于基底110上，再將此些介質層圖案化，而形成一緩沖層122、一介電層124、一柵極層126以及一蓋層128。蓋層128可為單層或多層結構。在本實施例中，蓋層128包含堆疊的雙層結構，其由下至上包含一底蓋層128a以及一頂蓋層128b，以在后續(xù)進行蝕刻或研磨制作工藝時，通過底蓋層128a以及頂蓋層128b的蝕刻選擇比或研磨選擇比，而以蓋層128a以及頂蓋層128b為蝕刻停止層或研磨停止層，但本發(fā)明不以此為限。另外，圖中分別繪示四柵極結構G1于第一區(qū)A的基底110上以及四柵極結構G2于二區(qū)B的基底110上，但圖中所繪示的柵極結構G1以及柵極結構G2的個數(shù)僅為示意，柵極結構G1及G2的個數(shù)非限于此。
[0035]緩沖層122可包含一氧化層、介電層124可包含一高介電常數(shù)介電層，其例如為一含金屬介電層，可包含有鉿(Hafnium)氧化物、錯(Zirconium)氧化物，但本發(fā)明不以此為限。更進一步而言，高介電常數(shù)介電層可選自氧化鉿(hafnium oxide, Hf02)、石圭酸給氧化合物(hafnium silicon oxide, HfSi04)、娃酸給氮氧化合物(hafniumsilicon oxynitride, HfS1N)、氧化招(aluminum oxide, A1203)、氧化鑭(lanthanumoxide, La203)、氧化組(tantalum oxide, Ta205)、氧化宇乙(yttrium oxide, Y203)、氧化錯(zirconium oxide, Zr02)、欽酸銀(strontium titanate oxide, SrTi03)、ii圭酸錯氧化合物(zirconium silicon oxide, ZrSi04)、錯酸給(hafnium zirconium oxide, HfZr04)、銀秘組氧化物(strontium bismuthtantalate, SrBi2Ta209, SBT)、錯欽酸鉛(lead zirconatetitanate, PbZrJii x03, PZT)與欽酸鋇銀(barium strontium titanate, BaxSr! xTi03, BST)所組成的群組。柵極層126可包含一多晶硅層，或者一犧牲層，在后續(xù)制作工藝中被金屬層置換而形成金屬柵極。底蓋層128a可例如為一氮化層，而頂蓋層128b可例如為一氧化層。緩沖層122、介電層124、柵極層126、底蓋層128a以及頂蓋層128b的材料都為舉例的實施態(tài)樣，但本發(fā)明非限于此。
[0036]如圖2所示，順應地全面覆蓋一間隙壁材料130于第一區(qū)A以及第二區(qū)B的柵極結構G1及G2以及基底110上。在本實施例中，間隙壁材料130為雙層，其包含一內層間隙壁材料132以及一外層間隙壁材料134。但在另一實施例中，間隙壁材料130也可例如為單層，視所欲形成的M0S晶體管而定。在此強調，當間隙壁材料130為雙層時，本發(fā)明的外層間隙壁材料134則包含硅及氮，且氮/硅比大于1.3。當間隙壁材料130為單層時，本發(fā)明的間隙壁材料130則包含硅及氮，且氮/硅比大于1.3。如此一來，由于外層間隙壁材料134或間隙壁材料130的氮/硅比大于1.3，后續(xù)形成外延結構時，則可防止外延結構，特別是在形成PM0S晶體管時的外延結構中的鍺成分，也形成或附著于外層間隙壁材料134或間隙壁材料130所形成的外延間隙壁上。具體而言，本發(fā)明的外層間隙壁材料134或間隙壁材料130的氮/娃比的數(shù)值，是由X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)表面分析技術實驗而得，此技術可用于量測固態(tài)結構的最外層原子層的各組成成分的百分比。
[0037]如圖3所示，全面覆蓋并圖案化光致抗蝕劑(未繪示)，以形成一圖案化的光致抗蝕劑P，其中圖案化的光致抗蝕劑P覆蓋第二區(qū)B，但暴露出第一區(qū)A。然后，例如進行一蝕刻制作工藝，蝕刻暴露出的第一區(qū)A的間隙壁材料130，而形成一間隙壁132a以及一外延間隙壁134a于柵極結構G1側邊的基底110上，并保留第二區(qū)B的一間隙壁材料130b，其中間隙壁材料130b包含一內層間隙壁材料132b以及一外層間隙壁材料134b。詳細而言，第一區(qū)A的外層間隙壁材料134經蝕刻形成為外延間隙壁134a，位于柵極結構G1側邊的基底110上，而第一區(qū)A的內層間隙壁材料132則經蝕刻形成為間隙壁132a位于柵極結構G1以及外延間隙壁134a之間的基底110上。在本實施例中，由于間隙壁132a以及外延間隙壁134a由依序沈積內層間隙壁材料132以及外層間隙壁材料134，再一并蝕刻二者所形成，因此外延間隙壁134a具有一船形剖面結構，而間隙壁132a具有一 L形剖面結構。但在其他實施例中，可分別沉積并蝕刻第一區(qū)A的內層間隙壁材料132以及外層間隙壁材料134，如此間隙壁132a及外延間隙壁134a則都具有一船形剖面結構，視實際需要而定。此外，本實施例在蝕刻第一區(qū)A的外延間隙壁材料130，而形成間隙壁132a以及外延間隙壁134a時，則以頂蓋層128b為蝕刻停止層，而暴露出頂蓋層128b。在其他實施例中，也可以底蓋層128a為蝕刻停止層，而改以在形成間隙壁132a以及外延間隙壁134a時，一并移除頂蓋層128b而暴露出底蓋層128a?；蛘?通過設定調整底蓋層128a以及頂蓋層128b的蝕刻選擇比，而僅蝕刻部分的頂蓋層128b或底蓋層128a，以調整蝕刻后的柵極結構G1的高度。
[0038]在此強調，由于本發(fā)明的外層間隙壁材料134包含硅及氮，且氮/硅比大于1.3，則其所