一種高性能場效應電晶體及其形成方法
2023-07-02 13:42:51 1
專利名稱：一種高性能場效應電晶體及其形成方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種高性能場效應電晶體及其形成方法。
背景技術：
目前，隨著場效應電晶體特徵尺寸的不斷縮小，在後續高溫退火的工藝中源極/ 漏極區中高濃度摻雜的雜質將會擴散到溝道中，從而引起電晶體性能發生惡化。因此，目前 源極/漏極區中雜質的摻雜濃度受到限制，例如，在應變Si的PMOS中摻雜雜質B的濃度低 於1021cnT3。另外，如果採用摻雜的多晶Si或者多晶SiGe作為柵極，則隨著柵介質層的厚 度越來越薄，高濃度的摻雜雜質例如B或P等，很容易穿透柵介質層到達溝道區域，從而加 劇器件性能的惡化。
發明內容
本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是解決現有技術源極/漏極 區中摻雜的雜質向溝道擴散的缺陷。為達到上述目的，本發明一方面提出了一種高性能場效應電晶體，包括襯底；形 成在所述襯底之上的絕緣層；形成在所述絕緣層之上的溝道區、源極/漏極區，其中，在所 述源極/漏極區與所述溝道區之間具有含碳薄層；和形成在所述溝道層之上的柵堆疊。本發明再一方面還提出了一種高性能場效應電晶體的形成方法，包括以下步驟 提供襯底；在所述襯底之上形成絕緣層；在所述絕緣層之上形成溝道層；在所述溝道層之 上形成柵堆疊及側牆；刻蝕所述溝道層以形成溝道區和源極/漏極區凹槽；在所述溝道區 的兩側形成含碳薄層；和在所述含碳薄層的外側分別形成源極/漏極區。本發明再一方面還提出了一種高性能場效應電晶體的形成方法，包括以下步驟 提供具有絕緣層上半導體材料的襯底結構；在所述襯底結構之上形成柵堆疊及側牆；刻蝕 所述襯底結構中的半導體材料以形成溝道區和源極/漏極區凹槽；在所述溝道區的兩側形 成含碳薄層；和在所述含碳薄層的外側分別形成源極/漏極區。本發明通過含碳薄層，例如Si C薄層或SiGe C薄層，可以有效地抑制源極/漏極 區中雜質向溝道的擴散，並通過絕緣層抑制雜質向襯底的擴散，從而極大地改善器件性能。 另外，通過本發明可以提供源極/漏極區的摻雜濃度，從而減小源極/漏極區的串聯電阻， 例如，通過本發明實施例可以將PMOS器件源極/漏極區中B的摻雜濃度從原來的20次方 提高到21次方，甚至22次方，從而顯著提高器件性能。在本發明的優選實施例中，如果採用多晶Si或多晶SiGe柵，還可在柵堆疊中增加 柵極含碳薄層，從而能夠防止多晶Si或多晶SiGe柵中的摻雜雜質向溝道擴散，從而進一步 改善器件性能。本發明附加的方面和優點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，或通過本發明的實踐了解到。
本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖1-4為本發明實施例的高性能場效應電晶體示意圖；圖5-9為形成實施例的高性能場效應電晶體的形成方法的中間步驟的結構示意 圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標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 圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡 化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，並且 目的不在於限制本發明。此外，本發明可以在不同例子中重複參考數字和/或字母。這種重 復是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關係。此 外，本發明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到 其他工藝的可應用於性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特徵在第二特徵之 「上」的結構可以包括第一和第二特徵形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特徵形 成在第一和第二特徵之間的實施例，這樣第一和第二特徵可能不是直接接觸。如圖1所示，為本發明實施例的高性能場效應電晶體示意圖，該實施例採用絕緣 襯底結構。該器件結構包括襯底500、形成在襯底500之上的絕緣層600、形成在絕緣層600 之上的溝道區1000、源極/漏極區800，其中，在源極/漏極區800與溝道區1000之間具有 含碳薄層900，以及形成在溝道層1000之上的柵堆疊700。在本發明的一個實施例中，含碳 薄層900可包括Si C薄層或SiGe C薄層。需要說明的是，在圖1中雖然在形成源極/漏極區800時，以絕緣層為刻蝕阻擋 層，在本發明的其他實施例中也可控制刻蝕的深度，即源極/漏極區800不刻蝕穿透到絕緣 層，如圖2所示。同樣，在本發明的實施例中，柵堆疊700中也包括柵極含碳薄層，以防止多晶Si或 多晶SiGe柵中的摻雜雜質向溝道擴散，從而進一步改善器件性能，如圖3所示。在本發明的實施例中，如圖4所示，源極/漏極區800具有抬高結構。為了更清楚的理解本發明實施例提出的上述半導體結構，本發明還提出了形成上 述半導體結構的方法的實施例，需要注意的是，本領域技術人員能夠根據上述半導體結構 選擇多種工藝進行製造，例如不同類型的產品線，不同的工藝流程等等，但是這些工藝製造 的半導體結構如果採用與本發明上述結構基本相同的結構，達到基本相同的效果，那麼也 應包含在本發明的保護範圍之內。為了能夠更清楚的理解本發明，以下將具體描述形成本 發明上述結構的方法及工藝，還需要說明的是，以下步驟僅是示意性的，並不是對本發明的 限制，本領域技術人員還可通過其他工藝實現。如圖5-9所示，為形成實施例的高性能場效應電晶體的形成方法的中間步驟的結 構示意圖，該方法包括以下步驟
S21，提供襯底500。在本發明的一個實施例中，該襯底500為Si襯底。S22，在襯底500之上形成絕緣層600，如圖5所示。S23，在絕緣層600之上形成溝道層1200，如圖6所示。在本發明的一個實施例中， 該溝道層1200可為Si、SiGe或Ge。在本發明的實施例中也可以提供具有絕緣層上半導體 材料的襯底結構，例如SOI等。S24，在溝道層1200之上形成柵堆疊700及一層或多層側牆，如圖7所示。具體地， 先在溝道層1200上形成柵介質層，接著澱積多晶矽柵(可以原位摻雜，或澱積完後進行多 晶矽注入)，然後澱積一層四乙氧寄矽烷(TEOS)。利用光刻並結合刻蝕方法，定義出柵堆疊 圖樣。其中，利用幹法刻蝕將氧化層去掉，並且在刻蝕過程中，該氧化層還可以充當硬掩模 的作用。在此基礎上，再澱積一層TEOS或者SiN層，然後利用反應離子刻蝕(reactive ion etching)形成柵堆疊結構的側牆。在本發明的優選實施例中，還可在柵堆疊700中形成柵極含碳薄層，從而防止摻 雜的多晶Si或多晶SiGe中的雜質擴散到溝道中。在本發明的實施例中，柵極含碳薄層可 通過原子層沉積(ALD)、化學處理、減壓化學氣相沉積(RPCVD)或者超高真空化學氣相沉積 (UHVCVD)形成。其中，優選地，可採用化學處理形成。具體地，如果採用化學處理過程方法，則需要 對矽表面進行氫鈍化。其中，氫鈍化的涵義是矽層外表面含有氫原子，即形成-Si-H鍵。這 種可以導致氫鈍化的方法可以採用稀釋的氫氟酸或者任何相似的能夠提供氫鈍化的溶液。在對矽層表面進行氫鈍化處理之後，再經過一個碘/醇類溶液(iodine/alcohol) 處理工藝，以在矽層表面形成含碳薄層，該含碳薄層的厚度為一個原子單層或者幾個原子 單層，並且該薄層也可能含有少量的氧。具體地，該處理工藝採用了一種由碘和醇類組成的 溶液，該溶液的製備方法是將兩者添加在一起然後再完全混合。其中，碘/醇類溶液的使用 方法包括浸沒、刷塗、浸塑、噴塗、或者任一種類似的塗覆工藝。此外，該溶液也可以被蒸發 變成氣相混合體。通常在室溫下(20°C)應用碘/醇類溶液，當然也可以在稍高的溫度下進 行。該溶液與矽表面的處理時間取決於碘和醇類在溶液中的含量。典型地，處理時間約為 5分鐘至90分鐘，優選15分鐘至45分鐘。碘在溶液中的含量約為在1 X 10_5至1 X 10_2摩 爾，優選5 X 10_4摩爾。在矽表面經過碘/醇類溶液處理之後，被處理完畢的結構採用醇類溶液衝洗並幹 燥，其中用於衝洗的醇類含量不局限於碘/醇類溶液的含量，可以採用通常的乾燥工藝包 括典型的表面張力乾燥方法，即採用一種由異丙醇(isopropanol)和水構成的薄霧。在本發明的另一個實施例中，還可以採用化學氣相沉積方法，例如UHCVD的方法 在柵介質上沉澱柵極含碳薄層，在該實施例中，柵介質既可以是常用的SiO2,也可以採用高 k介電常數的柵介質材料，例如，Hf02ai203>Ta2O5等，或者任意其他類似的柵介質層。在柵 介質上沉積的很薄且具有器件級質量的多晶Si:C或SiGe:C層，其C的含量約為0. 至 10%。該多晶Si:C或SiGe:C層的厚度約為0. 5nm至10nm，優選Inm至5nm。該柵極含碳 薄層既可以有效地防止多晶矽柵中的N型雜質(例如P)，也可以有效地防止P型雜質(例 如B)，穿透柵介質進入到溝道，從而使得器件的性能發生惡化。S25，刻蝕溝道層1200以形成溝道區1000和源極/漏極區凹槽1300，如圖8所示。 在本發明的實施例中，極/漏極區凹槽1300的刻蝕可以絕緣層為阻擋層。在本發明的其他實施例中，也可以不刻穿至絕緣層。S26，在溝道區1000的兩側分別形成含碳薄層900，如圖9所示。同樣，可通過原子 層沉積(ALD)、化學處理、或者超高真空化學氣相沉積(UHVCVD)形成。S27，在含碳薄層900的外側分別形成源極/漏極區800，如圖1所示。在本發明的 一個實施例中，源極/漏極區800可通過選擇性外延形成。在一個具體實施例中，例如可形 成SiGe源極/漏極區400，同時進行原位摻雜，這樣對於PMOS電晶體來說，可原位摻雜B， 其濃度可以從IX IO18至lX 1022CnT3。在本發明的其他實施例中，還可直接提供具有絕緣層上半導體材料的襯底結構， 例如S0I、絕緣層上應變Si、絕緣層上SiGe等，其他形成方法與上述實施例類似，在此不再 贅述。本發明通過含碳薄層，例如Si C薄層或SiGe C薄層，可以有效地抑制源極/漏極 區中雜質向溝道的擴散，並通過絕緣層抑制雜質向襯底的擴散，從而極大地改善器件性能。 另外，通過本發明可以提供源極/漏極區的摻雜濃度，從而減小源極/漏極區的串聯電阻， 例如，通過本發明實施例可以將PMOS器件源極/漏極區中B的摻雜濃度從原來的20次方 提高到21次方，甚至22次方，從而顯著提高器件性能。在本發明的優選實施例中，如果採用多晶Si或多晶SiGe柵，還可在柵堆疊中增加 柵極含碳薄層，從而能夠防止多晶Si或多晶SiGe柵中的摻雜雜質向溝道擴散，從而進一步 改善器件性能。儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以 理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換 和變型，本發明的範圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
一種高性能場效應電晶體，其特徵在於，包括襯底；形成在所述襯底之上的絕緣層；形成在所述絕緣層之上的溝道區、源極/漏極區，其中，在所述源極/漏極區與所述溝道區之間具有含碳薄層；和形成在所述溝道層之上的柵堆疊。
2.如權利要求1所述的高性能場效應電晶體，其特徵在於，所述含碳薄層包括Si:C薄 層或SiGe: C薄層。
3.如權利要求1所述的高性能場效應電晶體，其特徵在於，所述源極/漏極區具有抬高 結構。
4.如權利要求1所述的高性能場效應電晶體，其特徵在於，所述柵堆疊包括 形成在所述溝道區之上的柵介質層；位於所述柵介質層之上的柵極含碳薄層；和位於所述柵極含碳薄層之上的多晶Si柵極或多晶SiGe柵極。
5.一種高性能場效應電晶體的形成方法，其特徵在於，包括以下步驟 提供襯底；在所述襯底之上形成絕緣層； 在所述絕緣層之上形成溝道層； 在所述溝道層之上形成柵堆疊及側牆； 刻蝕所述溝道層以形成溝道區和源極/漏極區凹槽； 在所述溝道區的兩側形成含碳薄層；和 在所述含碳薄層的外側分別形成源極/漏極區。
6.如權利要求5所述的高性能場效應電晶體的形成方法，其特徵在於，所述含碳薄層 包括Si C薄層或SiGe C薄層。
7.如權利要求5所述的高性能場效應電晶體的形成方法，其特徵在於，所述源極/漏極 區具有抬高結構。
8.如權利要求5所述的高性能場效應電晶體的形成方法，其特徵在於，所述形成柵堆 疊進一步包括在所述溝道層之上形成柵介質層； 在所述柵介質層之上形成柵極含碳薄層；和在所述柵極含碳薄層之上形成多晶Si柵極或多晶SiGe柵極，並對所述多晶Si柵極或 多晶SiGe柵極進行摻雜。
9.如權利要求8所述的高性能場效應電晶體的形成方法，其特徵在於，所述含碳薄層 和所述柵極含碳薄層通過原子層沉積ALD、化學處理、減壓化學氣相沉積RPCVD或者超高真 空化學氣相沉積UHVCVD形成。
10.如權利要求9所述的高性能場效應電晶體的形成方法，其特徵在於，所述化學處理 進一步包括進行表面氫鈍化； 在表面塗覆碘/醇類溶液；和在5-90分鐘之後，採用醇類溶液進行清洗並乾燥。
11.如權利要求5所述的高性能場效應電晶體的形成方法，其特徵在於，所述源極/漏 極區通過選擇性外延形成。
12.—種高性能場效應電晶體的形成方法，其特徵在於，包括以下步驟提供具有絕緣層上半導體材料的襯底結構；在所述襯底結構之上形成柵堆疊及側牆；刻蝕所述襯底結構中的半導體材料以形成溝道區和源極/漏極區凹槽；在所述溝道區的兩側形成含碳薄層；和在所述含碳薄層的外側分別形成源極/漏極區。
13.如權利要求12所述的高性能場效應電晶體的形成方法，其特徵在於，所述含碳薄 層包括Si C薄層或SiGe C薄層。
14.如權利要求12所述的高性能場效應電晶體的形成方法，其特徵在於，所述形成柵 堆疊進一步包括在所述溝道層之上形成柵介質層；在所述柵介質層之上形成柵極含碳薄層；和在所述柵極含碳薄層之上形成多晶Si柵極或多晶SiGe柵極，並對所述多晶Si柵極或 多晶SiGe柵極進行摻雜。
15.如權利要求14所述的高性能場效應電晶體的形成方法，其特徵在於，所述含碳薄 層和所述柵極含碳薄層通過原子層沉積ALD、化學處理、減壓化學氣相沉積RPCVD或者超高 真空化學氣相沉積UHVCVD形成。
16.如權利要求15所述的高性能場效應電晶體的形成方法，其特徵在於，所述化學處 理進一步包括進行表面氫鈍化；在表面塗覆碘/醇類溶液；和在5-90分鐘之後，採用醇類溶液進行清洗並乾燥。
17.如權利要求12所述的高性能場效應電晶體的形成方法，其特徵在於，所述源極/漏 極區通過選擇性外延形成。
全文摘要
本發明提出一種高性能場效應電晶體，包括襯底；形成在所述襯底之上的絕緣層；形成在所述絕緣層之上的溝道區、源極/漏極區，其中，在所述源極/漏極區與所述溝道區之間具有含碳薄層；和形成在所述溝道層之上的柵堆疊。本發明通過含碳薄層，例如Si:C薄層或SiGe:C薄層，可以有效地抑制源極/漏極區中雜質向溝道的擴散，並通過絕緣層抑制雜質向襯底的擴散，從而改善器件性能。
文檔編號H01L29/78GK101937930SQ20101026862
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者梁仁榮, 王敬, 許軍 申請人:清華大學