場效應電晶體及形成場效應電晶體的方法

2023-05-14 04:34:06 2

專利名稱：場效應電晶體及形成場效應電晶體的方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件，更具體而言，涉及具有高擊穿電壓的金屬氧
化物半導體場效應電晶體(MOSFET)及其製造方法。
背景技術：
一方面，在絕緣體上矽(SOI)襯底上構建的金屬氧化物半導體場效 應電晶體(MOSFET)在體與其它的MOSFET部件之間提供較高的開態 電流和較低寄生電容，優於在體襯底上構建的具有可比擬的尺寸的 MOSFET。另一方面，由於"歷史效應"、或"浮體效應"，在SOI上構建 的MOSFET傾向於在器件操作中具有較低的一致性，其中體電勢和隨後 的SOI MOSFET的開啟時序和開態電流依賴於SOI MOSFET的過去歷 史。此外，洩漏電流的水平同樣依賴於浮體的電壓，這對低功率SOI MOSFET的設計提出了挑戰。
SOI MOSFET的體存儲了依賴於器件歷史的電荷，因此變為"浮"體。 這樣，SOI MOSFET呈現出難於預料和控制閾值電壓，並且閾值電壓隨時 間改變。體電荷存儲效應導致動態亞閾值電壓(sub-Vt)洩漏和幾何上相 等的鄰近器件的閾值電壓(Vt)失配。
與任何的MOSFET相同，SOI MOSFET的源極、體和漏極形成寄生 雙極電晶體。由於SOI MOSFET的體是電浮置的，寄生雙極電晶體的基 極同樣是浮置的。具有浮體的SOI MOSFET具有的擊穿電壓為具有另外 的相同部件並具有接地的基極的MOSFET的擊穿電壓的約1/8-1/10。浮體 對SOI MOSFET的可靠性具有不利影響。
在現有技術中已經提供了幾種方法用於減輕浮體對SOI MOSFET的 擊穿電壓的不利影響。在一種方法中，使SOI MOSFET的體電接地，以便寄生雙極電晶體的基極也接地。在另一方法中，通過採用輕摻雜的漏極
(LDD)結構來減小漏極中的電場。在又一方法中，增加少數載流子的壽 命來降低寄生雙極電晶體的增益。通常通過減小碰撞電離速率或有效地從 體中去除浮置電荷，這些方法通常有助於減小浮體效應。
然而，上述每一種方法均具有特定的缺點。用於使體接地的體接觸結 構傾向於需要相對大的面積。同樣，這樣的體接觸結構的效果依賴於SOI MOSFET的尺寸。此外，這樣的器件是固有地不對稱，並且不能用於需要 器件的對稱的應用，例如靜態隨機存儲器(SRAM)單元中的過柵(pass gate)電晶體。輕摻雜的漏極結構增加了漏極擴展區域的電阻並減小了器 件的開態電流。減小少數載流子的壽命增加了 SOI MOSFET的關態的洩 漏電流。
考慮到上述，需要增加SOI MOSFET的擊穿電壓而不會對器件性能 產生不利影響。
具體而言，需要增加SOI MOSFET的擊穿電壓而不需要附加的器件 區域、不需要減小開態電流以及不需要增加關態電流。

發明內容
場效應電晶體及其製造方法以抑制碰撞電離，從而滿足了上迷需要。所述 寬帶隙半導體材料具有比矽更大的帶隙。
在本發明中，提供了一種包括包含矽的體的場效應電晶體。在形成柵 極介質、柵極電極、以及第一柵極隔離物之後，形成漏極側溝槽並使用寬 帶隙半導體材料填充所述漏極側溝槽。可選地，形成源極側溝槽並使用矽 鍺合金填充所述源極側溝槽以提高所述場效應電晶體的開態電流。進行暈 圏注入以及源極和漏極離子注入以形成各種摻雜的區域。因為寬帶隙半導 體材料具有比矽更寬的帶隙，歸因於在漏極中使用了寬帶隙半導體材料， 可以減小碰撞電離，從而，與在漏極區域中採用了矽的電晶體相比，增加 了場效應電晶體的擊穿電壓。根據本發明的一個方面，提供了一種場效應電晶體，其包括 體，包括包含矽的體部分和包含寬帶隙半導體材料的體部分；以及 漏極區域，包括鄰接所述包含寬帶隙半導體材料的體部分的包含寬帶 隙半導體材料的漏極部分，其中所述包含寬帶隙半導體材料的體部分和所料。
在一個實施例中，所述場效應電晶體還包括垂直鄰接所迷體的柵極介質。
在另 一實施例中，所述漏極區域還包含鄰接所述柵極介質的包含矽的 漏極部分。
在又一實施例中，所述包含寬帶隙半導體材料的體部分鄰接所述柵極 介質。
在又一實施例中，所述體還包括鄰接所述包含寬帶隙半導體材料的體 部分和所述柵極介質的漏極側暈圏區域。
在又一實施例中，所述場效應電晶體還包括源極區域，所述源極區域 包括包含珪鍺合金的源極部分並鄰接所述體。
在又一實施例中，所述體區域還包括包含珪鍺合金的體部分。
在又一實施例中，所述源極區域還包括鄰接所述柵極介質的包含珪的 源極部分。
在又一實施例中，所述體還包括鄰接所迷包含矽鍺合金的源極部分的 源極側暈圈區域。
在又一個實施例中，所述場效應電晶體還包括 垂直鄰接所述體的掩埋的絕緣體層；以及 垂直鄰接所述掩埋的絕緣體層的處理襯底。
在又一實施例中，所述體具有p型摻雜以及所述漏極區域具有n型摻雜。
在又一實施例中，所述包含寬帶隙半導體材料的體部分和所述包含寬 帶隙半導體材料的漏極部分包括其中矽與碳之間的原子比率基本上為i的化學計量(stoichiometric)碳化珪。
在又一實施例中，所述包含寬帶隙半導體材料的體部分和所述包含寬 帶隙半導體材料的漏極部分包括氮化鍺、氮化鋁、氮化硼、以及金剛石中 的一種。
根據本發明的另一方面，提供了一種形成場效應電晶體的方法，其包 括以下步驟
提供具有半導體區域的襯底；
在所述半導體區域上形成柵極介質、柵極電極、以及柵極隔離物； 在所述半導體區域的 一部分中形成直接鄰接所述第 一柵極隔離物的一 個側面的溝槽；
通過填充所述溝槽，形成包含具有比矽更寬的帶隙的半導體材料的寬 帶隙半導體材料區域；以及
將摻雜劑注入到所述寬帶隙半導體材料區域的 一部分中以形成包含寬 帶隙半導體材料的漏極部分。
在一個實施例中，所述方法還包括
在所述半導體區域的頂表面上形成源極和漏極擴展；以及
在所述寬帶隙半導體材料區域的所述部分的所述注入之前，在所述柵 極電極上形成另一柵極隔離物。
在另一實施例中，不使用所述摻雜劑注入所述寬帶隙半導體材料區域 的另一部分，其中所述另一部分是所述場效應電晶體的體的一部分。
在又一實施例中，所述方法還包括掩蔽直接鄰接所述第一柵極隔離物 的另 一側面的所迷半導體區域的另 一部分，其中在形成所述溝槽期間不蝕 刻所述另 一部分。
在又一實施例中，所述方法還包括
在所述半導體區域的所述另一部分中形成另一溝槽；以及
通過填充所述另 一溝槽來形成矽鍺合金區域。
在又一實施例中，所述方法還包括掩蔽所述寬帶隙半導體材料區域， 其中在蝕刻所述另一溝槽期間不蝕刻所迷寬帶隙半導體材料區域。在又一實施例中，所述方法還包括形成源極側暈圏區域，其中所述源 極側暈圏區域鄰接所述柵極介質和所述矽鍺合金區域。
在又一實施例中，所迷方法還包括形成漏極側暈圏區域，其中所述漏 極側暈圏區域鄰接所述柵極介質和所述寬帶隙半導體材料區域。


圖1-16是根據本發明的第一實施例的處於製造方法的各種階段的第 一示例性半導體結構的順序垂直截面圖17是根據本發明的包括源極、體以及漏極的第一示例性半導體結構 的帶隙圖18-19是#^據本發明的第二實施例的第二示例性半導體結構的順序 垂直截面圖20-22是根據本發明的第三實施例的第三示例性半導體結構的順序 垂直截面圖；以及
圖23是根據本發明的第四實施例的第四示例性半導體結構的垂直截 面圖。
具體實施例方式
如上所述，本發明涉及具有高擊穿電壓的金屬氧化物半導體場效應晶 體管(MOSFET)及其製造方法，現在結合附圖對其進行詳細描述。注意， 這裡提及並在附圖中示例的相似或對應的部件通過相似的參考標號表示。
參考圖1，根據本發明的第一示例性半導體結構包括襯底8以及在其 上形成的柵極結構。襯底8包括半導體區域IO，半導體區域10包括矽。 襯底8為包括處理襯底2、掩埋絕緣體層、以及頂部半導體層6的絕緣體 上半導體(SOI)襯底。頂部半導體結構包含半導體區域IO、橫向包圍半 導體區域10的淺溝槽隔離結構20、以及至少另一半導體區域10，。半導體 區域10具有第一導電類型的摻雜，其可以是p型或n型。在實施例的情 況下，半導體區域10具有p型摻雜。頂部半導體層6的厚度為約15nm到約200mn,優選地約30nm到約100nm,在這裡還明顯地涵蓋更小或更大 的厚度。
柵極結構包括柵極介質30、柵極電極32、介質柵極帽34、以及直接 在柵極介質30、柵極電極32、以及介質柵極帽34的疊層的側壁上形成的 第一隔離物42。柵極介質30包括基於氧化矽的介質材料例如熱氧化矽或 氮氧化矽。可選地，柵極介質30包括高k柵極介質材料例如Hf02、 ZK)2、 A1203、 Ti02、 La203、 SrTi03、 LaA103、 Y203、其珪酸鹽、以及其混合物。
參考圖2，在半導體區域10以及至少另一半導體區域IO，的頂表面上 形成第一介質層50。第一介質層50包括介質材料例如金屬氧化物、金屬 氮化物、半導體氧化物、或半導體氮化物。通過半導體區域IO和至少另一 半導體區域IO，的暴露的表面的熱轉化來形成第一介質層50。在該情況下， 第一介質層50包括多個不連接的部分。例如，第一介質層50包括熱氧化 矽或熱氮化矽。可選地，可以通過化學氣相澱積(CVD)例如低壓化學氣 相澱積(LPCVD)、等離子體增強化學氣相澱積(PECVD)、或快速熱 化學氣相澱積(RTCVD)形成第一介質層50。在該情況，第一介質層50 是形成在半導體區域10和至少另一半導體區域IO，的暴露的表面之上以及 柵極結構(30、 32、 34、 42)之上的連續的層。第一介質層50的厚度約 3nm到約50nm，並且優選地約10nm到約50nm，雖然在這裡還明顯地涵 蓋更小或更大的厚度。
參考圖3，在半導體區域10之上施加第一光致抗蝕劑51,並光刻構圖 以在直接鄰接第一柵極隔離物42的一個側面的半導體層10的漏極側部分 IOD之上的第一光致抗蝕劑51中形成開口 0。在離子注入步驟中將笫一導 電類型的摻雜劑注入到半導體區域10的漏極側部分10D以形成漏極側暈 圏區域14。漏極側暈圏區域14具有與半導體區域10相比的較高濃度的摻 雜劑。優選地，以使漏極側暈圏區域14從第一隔離物42的外部邊緣^黃向 延伸並鄰接柵極介質30的角度進行離子注入。箭頭標註的I/I示出了在離 子注入期間摻雜劑的示例性方向。漏極側暈圏區域14的摻雜劑濃度約 3.0xl0"/cm3到約1.0xl020/cm3,優選約1.0xl018/cm3到約3.0xio19/cm3。參考圖4，在部分的漏極側暈圏區域14中形成漏極側溝槽70T。對半 導體區域10的漏極側部分10D(參見圖3)中的矽採用反應離子蝕刻。漏 極側溝槽70T的深度比漏極側暈團區域14的深度更深。在該情況下，漏 極側溝槽70T延伸到半導體區域10中。優選地，漏極側溝槽70T的底表 面位於掩埋的絕緣體層4的頂表面之上以便漏極側溝槽70T的底表面包括 矽。漏極側溝槽70T的側壁基本上與第一隔離物42的外邊緣一致。在形 成漏極側溝槽70T之後具有減小的尺寸的漏極側暈圏區域14垂直鄰接柵 極介質30、第一柵極隔離物42的一側的底表面、以及漏極側溝槽70T的 側壁。在反應離子蝕刻期間，通過第一光致抗蝕劑51保護半導體區域10 的源極側部分IOS，該源極側部分10S跨柵極介質30位於漏極側溝槽70T 的對側。
參考圖5，例如，通過灰化去除第一光致抗蝕劑51。暴露在漏極側部 分10D中的漏極側溝槽70T的底表面和側壁上的矽。第一介質層50位於 半導體區域10的源極側部分10S上以便不暴露源極側部分10S的矽表面。 在此時，暴露包括矽的漏極側溝槽70T的底表面和側壁。
參考圖6，在包括漏極側溝槽70T的底表面和側壁的暴露的半導體表 面上澱積寬帶隙半導體材料。這裡寬帶隙半導體材料表示具有比體區域中 的材料即矽大的帶隙的半導體材料。寬帶隙半導體材料的示例性材料包括 碳化矽、氮化鎵、氮化鋁、氮化硼、金剛石等。
在寬帶隙半導體材料包括碳化矽的情況下，採用化學氣相澱積用於澱 積碳化矽。形成碳化矽層的方法在本領域中是公知的。對於碳化矽的化學 氣相澱積，多種前體是可用的。例如，可以採用四氯化珪(SiCl4)和丙烷 (C3H8)的組合作為前體氣體與氫(H2)載體氣體。可選地，可以採用聚 甲基矽烷(polymethysilane)作為前體氣體與氫(H2)載體氣體。同樣可 選地，可以採用甲基三氯矽烷(CH3SiCl4)作為前體氣體與氫(H2)載體 氣體。仍可選地，可以採用另一前體例如包含n從2到8的[-SiH2-CH2-]n 結構的聚亞矽烷基亞甲基(polysilenemethylenes) ( PSM ),並包括枝化 和環狀異構體，與載體氣體例如氬、氮和/或氦。採用約550""C到約1000。C的澱積溫度。採用低壓化學氣相澱積或快速熱化學氣相澱積。本領域中還
示範了在550。C以下的等離子體增強化學氣相澱積。
優選地，碳化矽的生長是選擇性的以便將碳化矽澱積在半導體表面例 如漏極側溝槽70T的底表面和側壁的#面上，而不會澱積在介質表面例 如第 一介質層50的表面上。通過將蝕刻劑添加到反應腔中並同時引入用於 SiC澱積的前體，來進行碳化矽的選擇性澱積。例如，採用包含氯的氣體 例如HC1、 BC13、 Cl2、或其組合作為蝕刻劑以能夠選擇性澱積碳化矽。可 選地，採用包含氟的氣體例如NF3作為蝕刻劑以能夠選擇性澱積碳化矽。
在寬帶隙半導體材料包括具有比矽的帶隙大的帶隙的另 一半導體材料 的情況下，可以採用在本領域中公知的澱積這樣的寬帶隙半導體材料的方 法，其典型地包括各種類型的化學氣相澱積。
在漏極側溝槽70T中形成寬帶隙半導體材料區域70。寬帶隙半導體材 料區域70橫向鄰接部分淺溝槽隔離結構20的一部分。寬帶隙半導體材料 區域70的頂表面與淺溝槽隔離結構20的頂表面基本上共面、位於其之下、 或位於其之上。依賴於漏極側溝槽70T的厚度，寬帶隙半導體材料區域70 可以澱積為非晶材料、微晶材料、多晶材料、或外延材料。在寬帶隙半導 體材料區域包括碳化矽的情況下，由於在矽和碳化矽之間的相對高的晶格 失配和晶體結構的差異，公知澱積的碳化矽傾向於產生多晶或非晶結構而
不是較厚的層中外延材料。
在一種情況下，寬帶隙半導體材料區域70包括其中矽與碳之間的原子 比率基本上為1的化學計量碳化矽。
公知碳化矽存在至少70種晶體形式，其包括具有六方晶體結構的阿爾 法碳化矽(a-SiC)以及具有面心立方晶體結構的貝塔碳化矽(p-SiC)。 碳化矽具有約2.2eV到約3.3eV的寬帶隙。在Suzuki等的美國專利No 5,319,220中描述了碳化矽的帶隙的電特性，在這裡將其全部內容引作參 考。
在另一情況下，寬帶隙半導體材料區域包括氮化鎵、氮化鋁、氮化硼、 以及金剛石中的一種。在本發明中，寬帶隙半導體材料的寬帶隙抑制了漏極區域中的碰撞電
離，如下面所示。寬帶隙半導體材料區域70是基本上未摻雜的或者是使用 笫一導電類型的摻雜劑摻雜的，摻雜劑濃度約1.0xl0"/cm3到約 3.0xl019/cm3,優選地約1.0xl0"/cm3到約3.0xl018/cm3。
參考圖7，通過蝕刻去除第一柵極隔離物42以及第一介質層50。蝕刻 是各向同性蝕刻例如溼法蝕刻。例如，在第一介質層50和/或第一隔離物 42包括氧化矽的情況下，可以採用氫氟酸(HF)。在第一介質層50和/ 或第一隔離物42包括氮化矽的情況下，可以採用熱磷酸。對於其它介質材 料同樣可以採用適宜的蝕刻化學。在去除第一柵極隔離物42之後，暴露柵 極介質30、柵極電極32、以及介質柵極帽34的側壁。
參考圖8，通過保形澱積介質層和各向異性蝕刻，在柵極介質30、柵 極電極32、以及介質柵極帽34的側壁上形成第二柵極隔離物44。笫二柵 極隔離物44包括氧化矽、氮化矽、介質金屬氧化物、或介質金屬氮化物。
參考圖9，在半導體區域10和至少另一半導體區域10，上形成第二介 質層80。第二介質層80包括介質材料例如金屬氧化物、金屬氮化物、半 導體氧化物、或半導體氮化物。可以通過化學氣相澱積(CVD)例如低壓 化學氣相澱積(LPCVD)、等離子體增強化學氣相澱積(PECVD)、或 快速熱化學氣相澱積(RTCVD)，形成第二介質層80。第二介質層80是 連續的層，其形成在半導體區域IO、至少另一半導體區域10，，淺溝槽隔 離結構20、第二柵極隔離物44、以及介質柵極帽34之上。第二介質層80 的厚度約5nm到約50nm,優選約10nm到約50nm，在這裡還顯然涵蓋 更小或更大的厚度。
參考圖10，在半導體區域IO、以及寬帶隙半導體材料區域70之上施 加第二光致抗蝕劑81，並光刻構圖以暴露直接位於半導體區域10上的半 導體介質層80的一部分，同時覆蓋直接位於寬帶隙半導體材料區域70上 的第二介質層的另一部分。
參考圖11，通過蝕刻去除第二介質層80的暴露的部分。蝕刻可以是 各向異性蝕刻例如反應離子蝕刻或是各向同性蝕刻例如溼法蝕刻。優選地，蝕刻對於包括矽的半導體區域10是選擇性的。在寬帶隙半導體材料區域 70的對側，跨柵極介質30、柵極電極32、以及介質柵極帽34,在第二隔 離物42與淺溝槽隔離結構20的一部分之間暴露半導體區域10的頂表面。
在另一離子注入步驟中，將第一導電類型的摻雜劑注入到半導體區域 10的源極側部分10S (參見圖10),以形成源極側暈圈區域12。源極側 暈圏區域12具有比半導體區域10高的濃度的摻雜劑。優選地，以使源極 側暈圏區域12從第二隔離物44的外邊,向延伸並鄰接柵極介質30的角 度進行離子注入。箭頭標註的I/I示出了在離子注入期間摻雜劑的示例性 方向。源極側暈圈區域12的摻雜劑濃度約3.0xlO"/cmS到約1.0xl02°/cm3， 優選約1.0xlO,cm3到約3.0xl019/cm3。
參考圖12,在源極側暈圏區域12的一部分中形成源極側溝槽90T。 對半導體區域io的源極側部分10S (參見圖11)中的矽採用反應離子蝕 刻。源極側溝槽卯T的深度比源極側暈圏區域12的深度更深。在該情況 下，源極側溝槽卯T擴展到半導體區域10中。優選地，源極側溝槽90T 的底表面位於掩埋絕緣體層4的頂表面之上以便源極側溝槽90T的底表面 包括矽。源極側溝槽90T的側壁基本上與第二隔離物44的外部邊緣一致。 在形成源極側溝槽卯T之後具有減小的尺寸的源極側暈圈區域12直接鄰 接柵極介質30、第二柵極隔離物44的一側的底表面、以及源極側溝槽卯T 的側壁。在反應離子蝕刻期間，通過第二光致抗蝕劑81保護寬帶隙半導體 材料區域70，該寬帶隙半導體材料區域70跨柵極介質30位於源極側溝槽 90T的對側。
參考圖13，例如，通過灰化去除第二光致抗蝕劑81。此時，在源極側 溝槽90T的底表面和側壁上進行適宜的表面清潔。
參考圖14，在包括源極側溝槽卯T的底表面和側壁的暴露的半導體表 面上澱積矽鍺合金。採用化學氣相澱積用於珪鍺合金的澱積。
形成矽鍺合金的方法在本領域中是公知的。對於矽鍺合金的化學氣相 澱積，各種前體是可用的。採用包含矽的前體和包含鍺的前體的組合與栽 體氣體。包含珪的前體可以是矽烷、乙矽烷、二氯珪烷、三氯矽烷、四氯矽烷、包含有才;^的前體、或其組合。包含鍺的前體可以是鍺烷、乙鍺烷、 二氯鍺烷、三氯鍺烷、四氯鍺烷、包含有機鍺的前體、或其組合。栽體氣
體可以是氫氣、氦氣、氬氣、或氮氣。澱積溫度約500'c到約iooo。c，顯 然這裡還涵蓋更高或更低的溫度。可以釆用低壓化學氣相澱積(LPCVP)、 超高真空化學氣相澱積(UHVCVD)、分子束澱積、或快速熱化學氣相澱 積(RTCVD)。同樣可以釆用500。C之下的等離子體增強化學氣相澱積。
優選地，矽鍺合金的生長是選擇性的以便澱積矽鍺合金到半導體表面 例如源極側溝槽90T的底表面和側壁的M^面上，而不澱積到介質表面例 如第二介質層80、淺溝槽隔離結構20、第二柵極隔離物44、以及介質柵 極帽34的表面上。通過將蝕刻劑添加到反應腔中同時引入用於澱積矽鍺合 金的前體，來進行矽鍺合金的選擇性澱積。例如，採用包含氯的氣體例如 HC1、 BC13、 Cl2、或其組合作為蝕刻劑以能夠選擇性澱積珪鍺合金。
在源極側溝槽90T中形成矽鍺合金區域卯。矽鍺合金區域90橫向鄰 接淺溝槽隔離結構20的一部分。矽鍺合金區域卯的頂表面可以與淺溝槽 隔離結構20的頂表面基本上共面、位於其之下、或位於其之上。優選地， 澱積矽鍺合金區域90與半導體區域10和源極側暈圈區域12外延對準。矽 鍺合金層卯包括原子濃度為1%到約20%的鍺。
矽鍺合金區域90是基本上未摻雜的或者是使用第一導電類型的摻雜 劑所摻雜的，摻雜劑濃度約1.0xl015/cm3到約3.0xl019/cm3，優選地約 1.0xl0"/cm3到約3.0xl018/cm3。
參考圖15,例如，通過溼法蝕刻去除第二柵極隔離物44。通過源極和 漏極擴展離子注入，將第二導電類型的摻雜劑注入到暴露的半導體部分中。 笫二導電類型與第一導電類型相反。例如，第一導電類型是p型，則第二 導電類型是n型，反之亦然。
源極側暈圏區域12的頂部部分變為具有第二導電類型的摻雜的第一 源極擴展部分84。矽鍺合金區域90 (參見圖14)的頂部部分變為橫向鄰 接第一源極擴展部分84的笫二源極擴展部分92。矽鍺合金區域90的剩餘 部分變為下矽鍺合金部分91。第二源極擴展部分92從頂部半導體層6的頂表面延伸到下桂鍺合金部分91的頂表面。
漏極側暈圏區域14的頂部部分變為具有第二導電類型的摻雜的第一 漏極擴展部分86。寬帶隙半導體材料區域71 (參見圖14)的頂部部分變 為橫向鄰接第一漏極擴展部分86的第二漏極擴展部分74。寬帶隙半導體 材料區域70的剩餘部分變為下寬帶隙半導體材料部分71。第二漏極擴展 部分74從頂部半導體層6的頂表面延伸到下寬帶隙半導體材料部分71的 頂表面。
參考圖16，通過保形澱積介質層和各向異性蝕刻在柵極介質30、柵極 電極32、以及介質柵極帽34的側壁上形成第三柵極隔離物46。第三柵極 隔離物46包括氧化矽、氮化矽、介質金屬氧化物、或介質金屬氮化物。
在源極和漏極離子注入時，將第二導電類型的摻雜劑注入到未被柵極 導體和柵極帽的疊層或未被第三柵極隔離物46覆蓋的第二源極擴展部分、 下珪鍺合金部分91、第二漏極擴展部分74、以及下寬帶隙半導體材料部分 71的區域中。包含具有第二導電類型摻雜的區域的整個矽鍺合金在這裡稱 為包含珪鍺合金的源極部分94,其鄰接笫三柵極隔離物46的一部分。包 含具有第一導電類型摻雜的區域的矽鍺合金的部分在這裡稱為包含矽鍺合
金的體部分92。
包含具有第二導電類型摻雜的區域的整個寬帶隙半導體材料在這裡稱 為包含寬帶隙半導體材料的漏極部分76,其鄰接第三柵極隔離物46的另 一部分。包含具有第一導電類型摻雜的區域的寬帶隙半導體材料的部分在 這裡稱為包含寬帶隙半導體材料的體部分72。
優選地，在源極和漏極離子注入期間注入的離子的深度'J、於下寬帶隙 半導體材料部分71 (參見圖15)的深度以便在下寬帶隙半導體材料部分 71內形成p-n結。在下寬帶隙半導體材料部分71內形成p-n結在寬帶隙 半導體材料體部分72內或在包含寬帶隙半導體材料的漏極部分76內導致 石並撞電離。
在源極和漏極離子注入期間注入的離子的深度小於、等於或大於包含 矽鍺合金的源極部分94的底表面的深度。在注入的離子的深度大於包含矽鍺合金的源極部分94的底表面的深度的情況下，具有第二導電類型摻雜的 包含矽的源極部分88直接形成在包含矽鍺合金的源極部分94之下。
具有第一導電類型的摻雜的半導體部分共同構建場效應電晶體的體。
具體而言，體包括包括矽的半導體區域IO、包括矽的源極側暈圏區域12、 包括矽鍺合金的包含珪鍺合金的體部分92、包括矽的漏極側暈圈區域14、 以及包括寬帶隙半導體材料的包含寬帶隙半導體材料的體部分72。包括矽 的笫一源極擴展部分84、包括珪鍺合金的包含珪鍺合金的源極部分94、以 及如果存在的包括珪的包含矽的源極部分88共同構建源極區域114。第一 漏極擴展部分86和包含寬帶隙半導體材料的漏極部分76共同構建漏極區 域104。
參考圖17，示出了第一示例性半導體結構的跨源極區域、體、以及漏 極區域的帶隙圖。源極區域中存在的矽鍺合金通過使源極區域的價帶的電 勢增加AEsiGe, AEsiCe約0.01eV到約0.2eV，改變了帶隙圖的價帶。通過 增加場效應電晶體的開態電流，該增加量有益於電晶體的性能。漏極區域 中存在的寬帶隙半導體通過使漏極區域的電勢降低AEwBG， AEWBG約 0.2eV到約4.0eV,改變了帶隙圖的價帶。在碳化矽的情況下，AEwbg約 1.6eV到約2.7eV。與包含矽的漏極的相比，在包含寬帶隙半導體材料的漏 極中，由於電荷載流子需要更高能量以產生二次電子空穴對，因此在漏極 區域的帶隙中產生的增加量抑制了碰撞電離。由於抑制了碰撞電離，並增 加了場效應電晶體的擊穿電壓。
參考圖18，自圖4的第一示例性半導體，通過源極側暈圈區域14的 橫向蝕刻得到根據本發明的第二實施例的第二示例性半導體結構。在形成 漏極側溝槽70T期間，通過向反應離子蝕刻增加各向同性成分來進行這樣 的橫向蝕刻。在橫向蝕刻漏極側暈圏區域14之後，底切(undercut)並暴 露第一柵極隔離物42的底表面和柵極介質30的底表面。
參考圖19，依次進行第一實施例的處理步驟直到對應圖16的步驟。 然而，在第二實施例中，完全在寬帶隙半導體材料70內形成漏極擴展區域。 換言之，漏極擴展區域不會延伸到寬帶隙半導體材料區域70之外。這樣，寬帶隙半導體材料體部分72鄰接柵極介質30。在第二示例性半導體結構 中，包含寬帶隙半導體材料的漏極部分76為漏極區域。
參考圖20,根據本發明的第三實施例的第三示例性半導體結構源於第 一示例性半導體結構，但略去了圖3中示出的通過第一光致抗蝕劑中的開 口 O形成源極側暈圈區域14。與第一實施例的圖4相同，形成漏極側溝 槽70T。
參考圖21，在形成漏極側溝槽70T之後，通過注入第一導電類型的摻 雜劑通過漏極側溝槽70T的底表面和側壁，形成深漏極側暈圏區域16。深 漏極側暈圏區域16從柵極介質30的底表面延伸到掩埋的絕緣體層4的頂 表面。
參考圖22，依次進行第一實施例的處理步驟直到對應圖16的步驟。 在第三實施例中，體包括包括矽的半導體區域IO、包括矽的源極側暈圈 區域12、包括矽鍺合金的包含珪鍺合金的體部分92、包括矽並鄰接柵極介 質32和掩埋的絕緣體層4的深漏極側暈圏區域16、包括寬帶隙半導體材 料的包含寬帶隙半導體材料的體部分72。
參考圖23，才艮據本發明的第四實施例的第四示例性半導體結構與第三 實施例相同略去了漏極側暈圏區域14的形成，並採用了第二實施例的半導 體區域10的橫向蝕刻。此外，與第三實施例相同，在形成漏極側溝槽70T 之後，形成深漏極側暈圏區域16。
在第四實施例中，體包括包括矽的半導體區域IO、包括矽的源極側 暈圈區域12、包括矽鍺合金的包含矽鍺合金的體部分92、包括矽並鄰接柵 極介質32和掩埋的絕緣體層4的深漏極側暈圏區域16、以及包括寬帶隙 半導體材料的包含寬帶隙半導體材料的體部分72，與第三實施例相同。完 全在寬帶隙半導體材料區域70內形成漏極擴展區域。寬帶隙半導體材料體 部分72鄰接柵極介質30。與第二實施例相同，包含寬帶隙半導體材料的
漏極部分76是漏極。
雖然根據特定的實施例描述了本發明，顯然，關於上述描述，對於本
領域的技術人員而言，許多替代、修改和變化是顯而易見的。因此，本發明旨在涵蓋落入本發明的範圍和精神以及下列權利要求內的所有這樣的替 代、修改以及變化。
權利要求
1. 一種場效應電晶體包括體，包括包含矽的體部分和包含寬帶隙半導體材料的體部分；以及漏極區域，包括鄰接所述包含寬帶隙半導體材料的體部分的包含寬帶隙半導體材料的漏極部分，其中所述包含寬帶隙半導體材料的體部分和所述包含寬帶隙半導體材料的漏極部分包括具有比矽更寬的帶隙的半導體材料。
2. 根據權利要求l的場效應電晶體，還包括垂直鄰接所述體的柵極介質。
3. 根據權利要求2的場效應電晶體，其中所述漏極區域還包含鄰接所 述柵極介質的包含矽的漏極部分。
4. 根據權利要求2的場效應電晶體，其中所述包含寬帶隙半導體材料 的體部分鄰接所述柵極介質。
5. 根據權利要求2的場效應電晶體，其中所述體還包括鄰接所述包含 寬帶隙半導體材料的體部分和所述柵極介質的漏極側暈圈區域。
6. 根據權利要求2的場效應電晶體，還包括源極區域，所述源極區域 包括包含矽鍺合金的源極部分並鄰接所述體。
7. 根據權利要求6的場效應電晶體，其中所述體區域還包括包含矽鍺 合金的體部分。
8. 根據權利要求6的場效應電晶體，其中所述源極區域還包括鄰接所 述柵極介質的包含矽的源極部分。
9. 根據權利要求6的場效應電晶體，其中所述體還包括鄰接所述包含 矽鍺合金的源極部分的源極側暈圈區域。
10. 根據權利要求l的場效應電晶體，還包括 掩埋的絕緣體層，垂直鄰接所述體；以及 處理村底，垂直鄰接所述掩埋的絕緣體層。
11. 根據權利要求1的場效應電晶體，其中所述包含寬帶隙半導體材的原子比率基本上為1的化學計量碳化矽。
12.根據權利要求1的場效應電晶體，其中所述包含寬帶隙半導體材 料的體部分和所述包含寬帶隙半導體材料的漏極部分包括氮化鍺、氮化鋁、氮化硼、以及金剛石中的一種。
13. —種形成場效應電晶體的方法，包括 提供具有半導體區域的襯底；在所述半導體區域上形成柵極介質、柵極電極、以及柵極隔離物； 在所述半導體區域的 一部分中形成直接鄰接所述第 一柵極隔離物的一 個側面的溝槽；通過填充所述溝槽，形成包含具有比矽更寬的帶隙的半導體材料的寬 帶隙半導體材料區域；以及將摻雜劑注入到所述寬帶隙半導體材料區域的一部分中以形成包含寬 帶隙半導體材料的漏極部分。
14. 根據權利要求13的方法，還包括 在所述半導體區域的頂表面上形成源極和漏極擴展；以及 在所述寬帶隙半導體材料區域的所述部分的所述注入之前，在所述柵極電極上形成另 一柵極隔離物。
15. 根據權利要求14的方法，其中不使用所述摻雜劑注入所述寬帶隙 半導體材料區域的另 一部分，其中所述另 一部分是所述場效應電晶體的體的一部分。
16. 根據權利要求13的方法，還包括掩蔽直接鄰接所述第一柵極隔離 物的另一側面的所述半導體區域的另一部分，其中在形成所述溝槽期間不 蝕刻所述另一部分。
17. 根據權利要求16的方法，還包括 在所述半導體區域的所述另一部分中形成另一溝槽；以及 通過填充所述另 一溝槽來形成矽鍺合金區域。
18. 根據權利要求17的方法，還包括掩蔽所述寬帶隙半導體材料區域，其中在蝕刻所述另一溝槽期間不蝕刻所述寬帶隙半導體材料區域。
19. 根據權利要求17的方法，還包括形成源極側暈圈區域，其中所述 源極側暈圈區域鄰接所述柵極介質和所述矽鍺合金區域。
20. 根據權利要求13的方法，還包括形成漏極側暈圏區域，其中所述 漏極側暈圏區域鄰接所述柵極介質和所述寬帶隙半導體材料區域。
全文摘要
本發明涉及場效應電晶體及形成場效應電晶體的方法。提供了一種包括包含矽的體的場效應電晶體。在形成柵極介質、柵極電極、以及第一柵極隔離物之後，形成漏極側溝槽並使用寬帶隙半導體材料填充所述漏極側溝槽。可選地，形成源極側溝槽並使用矽鍺合金填充所述源極側溝槽以提高所述場效應電晶體的開態電流。進行暈圈注入以及源極和漏極離子注入以形成各種摻雜的區域。因為寬帶隙半導體材料具有比矽更寬的帶隙，歸因於在漏極中使用了寬帶隙半導體材料，可以減小碰撞電離，從而，與在漏極區域中採用了矽的電晶體相比，增加了場效應電晶體的擊穿電壓。
文檔編號H01L21/336GK101436612SQ20081021460
公開日2009年5月20日 申請日期2008年8月28日 優先權日2007年11月13日
發明者A·庫馬爾 申請人:國際商業機器公司