專利名稱：具有增加的載流子移動率的場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于半導(dǎo)體裝置的領(lǐng)域。更詳言之，本發(fā)明關(guān)于半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(FETs)的工藝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在集成電路(IC)的發(fā)展中，如超大規(guī)模集成電路(VLSI)，一直都存在著追求更高的集成電路效能的需求。因此，半導(dǎo)體制造業(yè)面臨增加晶體管效能的挑戰(zhàn)，晶體管系指用于ICs中的N溝道場效應(yīng)晶體管(NFETs)或P溝道場效應(yīng)晶體管(PFETs)。
衡量場效應(yīng)晶體管(FETs)的重要指針之一為工作速度，工作速度與FET中的電流有關(guān)。典型的FET包含柵極堆棧，包含位于柵極介電質(zhì)上的柵極電極、漏級、源極以及位于該源極和該漏級間且于硅基板中的溝道。該溝道同時位于基板(如硅基板)上的該柵極介電質(zhì)下。當(dāng)施加高于臨限電壓的電壓于柵極介電質(zhì)時，溝道中將產(chǎn)生移動電荷載流子層，該移動電荷載流子如NFET中的電子或PFET中的電洞。藉由施加電壓于該FET的漏級，使漏級和源極間產(chǎn)生電流的流動。
于上述對于FET的討論中，該載流子移動率直接與流動于漏級和源極間的電流有關(guān)，且于本申請書中同時稱作FET電流而與FET的工作速度有關(guān)。除了別的因素外，載流子移動率亦為溫度、由該柵極電壓于柵極介電值和溝道間所造成的電場以及參雜濃度的函數(shù)。藉由增加載流子移動率，F(xiàn)ET電流以及必然的FET工作速度將可提升。因此增加載流子移動率的結(jié)果使得FET效能可提升至預(yù)期的目標(biāo)。
如此一來，就需要發(fā)展具有增加的載流子移動率的FET的技術(shù)以完成提升FET效能的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明系針對具有增加的載流子移動率的場效應(yīng)晶體管(FETs)。本發(fā)明系滿足并解決于此項技藝中增加的載流子移動率(carrier mobility)的FET的需求以達(dá)成提升FET效能的目標(biāo)。
依據(jù)示范實施例之一，位于基板上的FET包含位于該基板中的溝道。該FET更進(jìn)一步包含位于該溝道上的第一柵極介電質(zhì)，該第一柵極介電質(zhì)的熱膨脹系數(shù)稱為第一熱膨脹系數(shù)。該FET還包含位于該第一柵極介電質(zhì)上的第一柵極電極，該第一柵極的熱膨脹系數(shù)稱為第二熱膨脹系數(shù)，且該第二熱膨脹系數(shù)系不同于該第一熱膨脹系數(shù)，造成于該FET中載流子移動率的增加。舉例來說該第二熱膨脹系數(shù)可高于該第一熱膨脹系數(shù)；而該載流子移動率的增加可由于該溝道中所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變所造成(tensile strain)。
根據(jù)此示范實施例，F(xiàn)ET可還包含位于第一柵極電介電質(zhì)旁的“柵極襯層”(gate liner)，以及位于柵極襯層旁的“柵極間隔物”(gate spacer)，其中該柵極襯層具有第三熱膨脹系數(shù)，以及柵極間隔體具有第四熱膨脹系數(shù)，而第四熱膨脹系數(shù)大于第三熱膨脹系數(shù)，故于溝道中造成拉伸應(yīng)變。
根據(jù)示范實施例之一，該FET可進(jìn)一步包含位于該第一柵極介電質(zhì)和該第一柵極間的第二柵極，該第二柵極具有第三熱膨脹系數(shù)，該第三熱膨脹系數(shù)系大于該第一熱膨脹系數(shù)但小于該第二熱膨脹系數(shù)，造成溝道中產(chǎn)生拉伸應(yīng)變而增加載流子移動率。本發(fā)明的其它特征與優(yōu)點將于熟悉此領(lǐng)域的技術(shù)人員于檢閱于后伴隨圖式的詳述后更趨明顯。


圖1為依據(jù)本發(fā)明實施例中含有示范的場效應(yīng)晶體管(FET)的構(gòu)造剖面圖。
圖2為依據(jù)本發(fā)明實施例中含有示范的場效應(yīng)晶體管(FET)的構(gòu)造剖面圖。
圖3為依據(jù)本發(fā)明實施例中含有示范的場效應(yīng)晶體管(FET)的構(gòu)造剖面圖。
圖4為依據(jù)本發(fā)明實施例中含有示范的場效應(yīng)晶體管(FET)的構(gòu)造剖面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明系針對具有增加的載流子移動率的場效應(yīng)晶體管(FETs)。于后的敘述包含本發(fā)明實施的特定信息。此領(lǐng)域中的技術(shù)人員將了解本發(fā)明可以不同于本申請書所揭示的方法完成。此外，為不使本發(fā)明模糊難懂某些本發(fā)明的特定細(xì)節(jié)將不多做贅論。
于本說明書的圖式中及所伴隨的詳細(xì)敘述系針對本發(fā)明的示范實施例。為求簡潔，本發(fā)明其它實施例于本申請書中將不特別敘述且不會于圖中揭示。
圖1為依據(jù)本發(fā)明一實施例的示范的場效應(yīng)晶體管(FET)的構(gòu)造剖面圖。構(gòu)造100包含位于基板104上的FET 102。FET 102包含柵極堆棧106，而柵極堆棧106包含了柵極電極層114以及柵極介電質(zhì)層116、源極108、漏級110和溝道112。于本實施例中FET 102可為N型場效應(yīng)晶體管(NFET)或P型場效應(yīng)晶體管(PFET)。
如圖1所示，源極108和漏級110系以現(xiàn)有的技術(shù)形成于基板104中，且溝道112位于源極108和漏級110之間。于圖1中更進(jìn)一步揭示，柵極介電層116系覆蓋溝道112位于基板104的上表面118上。舉例來說，柵極介電質(zhì)層116可具有10.0埃至15.0埃之間的厚度。亦顯示于圖1中，柵極電極層114位于柵極介電質(zhì)層116之上。舉例來說，柵極電極層114的厚度可于500.0埃至2000.0埃之間。柵極電極層114可利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)或其它適當(dāng)?shù)墓に囉诟邷刂谐练e于柵極介電質(zhì)層116上。
于本實施例中，柵極電極層114和柵極介電質(zhì)層116系經(jīng)過選擇，使得柵極電極層114具有高于柵極介電質(zhì)層116的熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，CTE)。因此，當(dāng)包含構(gòu)造100的晶圓由沉積柵極電極層114的高溫冷卻之后，柵極電極層114的尺寸比柵極介電質(zhì)層116更縮小(亦即收縮更多)。因此拉伸應(yīng)變形成于溝道112中而造成FET 102中的載流子移動率增加。于實施例中，F(xiàn)ET 102為PFET，且柵極介電質(zhì)層116和柵極電極層114系經(jīng)過選擇使柵極介電質(zhì)層116有高于柵極電極層114的熱膨脹系數(shù)。于此實施例中，于溝道112中產(chǎn)生壓縮應(yīng)變而于該P(yáng)FET中增加載流子移動率。
圖2為依據(jù)本發(fā)明實施例中含有示范的場效應(yīng)晶體管(FET)的構(gòu)造剖面圖。構(gòu)造200包含位于基板204上的FET 202，F(xiàn)ET 202包含柵極堆棧206，而柵極堆棧206包含柵極電極層220與222及柵極介電質(zhì)層216、源極208、漏級210以及溝道212。FET 202可為NFET或PFET，此點類似于FET102。于圖2中的構(gòu)造200，其基板204、源極208、漏級210以及溝道212分別對應(yīng)至構(gòu)造100中的基板104、源極108、漏級110以及溝道112。
如圖2所示，柵極介電質(zhì)層216系覆蓋溝道212位于基底204的上表面218上。舉例來說，柵極介電質(zhì)層216的厚度可為10.0埃至15.0埃。圖2中同時也顯示，柵極電極層220系位于柵極介電層216上，且可由如多晶硅或其它適當(dāng)?shù)牟牧纤M成，舉例來說，柵極電極層220的厚度可為100.0埃至500.0埃間。于圖2中還指出，柵極電極層222系位于柵極電極層220上，且可由如硅化物或其它適當(dāng)材料組成。舉例來說，柵極電極層220的厚度可為400.0埃至1500.0埃。柵極電極層222可于高溫中以CVD或其它適當(dāng)?shù)墓に嚦练e于柵極電極層220上。
于圖2的本發(fā)明實施例中，柵極電極層220和222以及柵極介電質(zhì)層216系經(jīng)過選擇，使得該柵極電極層222擁有高于柵極電極層220的熱膨脹系數(shù)，且該柵極電極層220的該熱膨脹系數(shù)系高于該柵極介電質(zhì)層216。因此，當(dāng)包含構(gòu)造200的晶圓由沉積柵極電極層222的高溫冷卻之后，柵極電極層222的尺寸比柵極介電質(zhì)層216更縮小，并且柵極電極層220比柵極介電層216縮得更小。因而于溝道212中產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，使于FET202中的載流子移動率增加。于實施例中，F(xiàn)ET202可為PFET，而柵極介電質(zhì)層216以及柵極電極層220和222系經(jīng)過選擇，使柵極介電質(zhì)層216擁有高于柵極電極層220的熱膨脹系數(shù)，而柵極電極層220的熱膨脹系數(shù)高于柵極電極層222。于此實施例中，溝道212中產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，使得PFET中的載流子移動率增加。
圖3為依據(jù)本發(fā)明實施例中含有示范的場效應(yīng)晶體管(FET)的結(jié)構(gòu)剖面圖。結(jié)構(gòu)300系包含位于基板304上的FET 302。FET 302包含柵極堆棧306，柵極堆棧306包含柵極電極層314和柵極介電質(zhì)層316和324、源極308、漏級110以及溝道312。FET 302可為NFET或PFET，此點類似于FET 102。于圖3中的構(gòu)造300，基板304、源極308、漏級310以及溝道312分別對應(yīng)于構(gòu)造100中的基板104、源極108、漏級110以及溝道112。
如圖3中所示，柵極介電質(zhì)層316系覆蓋溝道312位于基板304的上表面318上，且可由二氧化硅或其它適當(dāng)?shù)慕殡娰|(zhì)層組成。于圖3中同時顯示，柵極介電質(zhì)層324系位于柵極介電質(zhì)層316上且可由氮化硅或其它適當(dāng)?shù)慕殡娰|(zhì)層組成。圖3中進(jìn)一步顯示，柵極電極層314位于柵極介電質(zhì)層324上，柵極電極層314可于高溫中以CVD或其它適當(dāng)?shù)墓に嚦练e于柵極介電質(zhì)層324上。
于本實施例中，柵極電極層314以及柵極介電質(zhì)層316和324系經(jīng)過選擇，使得柵極電極層314擁有高于柵極介電質(zhì)層324的熱膨脹系數(shù)，而柵極介電質(zhì)層324的熱膨脹系數(shù)系高于柵極介電質(zhì)層316的熱膨脹系數(shù)。因此，當(dāng)含有構(gòu)造300的晶圓由沉積柵極電極層314的高溫冷卻之后，柵極電極層314的尺寸比柵極介電質(zhì)層324更縮小，且柵極介電質(zhì)層324比柵極介電質(zhì)層316更縮小。因而于溝道312中產(chǎn)生拉伸應(yīng)變造成FET 302中的載流子移動率增加。于實施例中，F(xiàn)ET302為PFET，而柵極介電質(zhì)層316和324以及柵極電極層314皆經(jīng)過選擇，使柵極介電質(zhì)層316具有高于柵極介電質(zhì)層324的熱膨脹系數(shù)，且柵極介電質(zhì)層324的熱膨脹系數(shù)系高于柵極電極層314的熱膨脹系數(shù)，于此實施例中，于溝道312中產(chǎn)生壓縮應(yīng)變而使PFET中的載流子移動率增加。
圖4為依據(jù)本發(fā)明實施例中含有示范的場效應(yīng)晶體管(FET)的結(jié)構(gòu)剖面圖。構(gòu)造400包含位于基板404上的FET 402。FET 402包含柵極堆棧406、源極408、漏級410、溝道412、”柵極襯層”426、428以及”柵極間隔物”430、432。FET 402可為NFET或PFET，此點與FET 102相似。于圖4中的構(gòu)造400，其基板404、源極408、漏級410以及溝道412分別對應(yīng)至構(gòu)造100中的基板104、源極108、漏級110以及溝道112。
如圖4所示，柵極堆棧406系位于基板404上。柵極堆棧406可為圖1中的柵極堆棧106、圖2中的柵極堆棧206或圖3中的柵極堆棧306。于圖4中更進(jìn)一步顯示，柵極襯層426和428系位于基板404上方個別緊鄰于柵極堆棧406。舉例來說，柵極襯層426和428的厚度可為50.0埃至200.0埃。圖4中同時顯示，柵極間隔物430與432系個別緊鄰于柵極堆棧426與428。因此，柵極襯層426與428系個別位于柵極間隔物430與432間且位于柵極堆棧406旁，并也同時位于個別對應(yīng)的柵極間隔物430及432與基板404之間。
于本實施例中，柵極襯層426與428以及柵極隔間物430與432系經(jīng)過選擇，使得柵極隔間物430與432有個別高于對應(yīng)的柵極襯層426與428的個別熱膨脹系數(shù)。因此，如前述的原因，于溝道412中產(chǎn)生拉伸應(yīng)變使得FET 402中的載流子移動率增加。于實施例中，F(xiàn)ET 302系為PFET，而柵極襯層426和428以及柵極間隔物430與432系經(jīng)過選擇，使得柵極襯層426與428有個別高于柵極間隔物430與432的個別熱膨脹率。因此，于溝道412中產(chǎn)生了壓縮應(yīng)變使該P(yáng)FET中的載流子移動率增加。
如上的討論，本發(fā)明系藉由選擇柵極堆棧的柵極和介電質(zhì)層，使的具有適當(dāng)?shù)膫€別熱膨脹系數(shù)，而達(dá)成于FET的溝道中增加拉伸應(yīng)變，F(xiàn)ET亦即FET 102，202，302或402。因此，本發(fā)明有助于達(dá)成于FET中增加載流子移動率，而提升FET的效能。此外，本發(fā)明藉選擇柵極和柵極堆棧的介電質(zhì)層，使的個別具有適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)，而達(dá)成于PFET的溝道中增加壓縮應(yīng)變，導(dǎo)致載流子移動率的增加，進(jìn)而提升FET的效能。
上述的本發(fā)明實施例可于不背離其發(fā)明領(lǐng)域下以各種技術(shù)完成。此外，于此領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解到對于本發(fā)明實施例的敘述可于不背離本發(fā)明精神與范疇下完成其細(xì)節(jié)。且實施例的敘述系為示范而非意于限制之用。在此也必須了解本發(fā)明并限于特定的示范實施例而是包含于本發(fā)明范疇下所有的修飾與變更。
具有增加的載流子移動率的場效應(yīng)晶體管已如上的敘述。
權(quán)利要求
1.一種位于基板(104)上的場效應(yīng)晶體管，該場效應(yīng)晶體管包含溝道(112)，位于該基板(104)中；第一柵極介電質(zhì)(116)，其位于該溝道(112)上方，該第一柵極介電質(zhì)(116)具有第一熱膨脹系數(shù)；第一柵極電極層(114)，其位于該第一柵極介電質(zhì)(116)上方，該第一柵極電極層(114)具有第二熱膨脹系數(shù)；其中該第二熱膨脹系數(shù)系不同于該第一熱膨脹系數(shù)，使該場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生載流子移動率的增加。
2.如權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)晶體管，其中，該第二熱膨脹系數(shù)大于該第一熱膨脹系數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的場效應(yīng)晶體管，其中，該增加的載流子移動率是由該溝道(112)的拉伸應(yīng)變所造成。
4.一種位于基板(104)上的場效應(yīng)晶體管，該場效應(yīng)晶體管包含位于該基板(104)中的溝道(112)、位于該溝道(112)上方的第一柵極介電質(zhì)(116)且該第一柵極介電質(zhì)(116)具有第一熱膨脹系數(shù)、位于該第一柵極介電質(zhì)(116)上的第一柵極電極層(114)且該第一柵極電極層(114)具有第二熱膨脹系數(shù)，該場效應(yīng)晶體管的特征為該第二熱膨脹系數(shù)不同于該第一熱膨脹系數(shù)，致使該場效應(yīng)晶體管中載流子移動率的增加。
5.如權(quán)利要求4所述的場效應(yīng)晶體管，其中該第二熱膨脹系數(shù)高于該第一熱膨脹系數(shù)，造成在該溝道(112)中產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，而該拉伸應(yīng)變引起該載流子移動率的增加。
6.如權(quán)利要求4所述的場效應(yīng)晶體管，更進(jìn)一步包含位于該第一柵極電極層(222)與該第一柵極介電質(zhì)(216)間的第二柵極電極層(220)，該第二柵極電極層(220)具有第三熱膨脹系數(shù)，該第三熱膨脹系數(shù)大于該第一熱膨脹系數(shù)但小于該第二熱膨脹系數(shù)，于該溝道(212)中產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，而該拉伸應(yīng)變造成該載流子移動率的增加。
7.如權(quán)利要求4所述的場效應(yīng)晶體管，更進(jìn)一步包含位于該第一柵極介電質(zhì)(316)與該基板(304)間的第二柵極介電質(zhì)(324)，該第二柵極介電質(zhì)(324)具有第三熱膨脹系數(shù)，該第三熱膨脹系數(shù)低于該第一熱膨脹系數(shù)，而該第二熱膨脹系數(shù)高于該第一熱膨脹系數(shù)，使該溝道(312)中產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，而該拉伸應(yīng)變造成該載流子移動率的增加。
8.如權(quán)利要求4所述的場效應(yīng)晶體管，其中，該場效應(yīng)晶體管為P場效應(yīng)晶體管，該第一熱膨脹系數(shù)高于該第二熱膨脹系數(shù)，使該溝道(112)中產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，而該壓縮應(yīng)變造成該載流子移動率的增加。
9.如權(quán)利要求4所述的場效應(yīng)晶體管，更進(jìn)一步包含緊鄰于該第一柵極介電質(zhì)(116)的柵極襯層(426、428)、緊鄰于該柵極襯層(426、428)的柵極間隔物(430、432)，該柵極襯層(426、428)具有第四熱膨脹系數(shù)，該第四熱膨脹系數(shù)高于該第三熱膨脹系數(shù)，使溝道(412)中產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。
10.一種場效應(yīng)晶體管位于基板(104)上，該場效應(yīng)晶體管包含溝道(112)，其位于該基板(104)中；柵極堆棧(106)，其位于該溝道(112)上；第一柵極介電質(zhì)(116)位于該柵極堆棧(106)上，該第一柵極介電質(zhì)(116)具有第一熱膨脹系數(shù)；第一柵極電極層(114)位于該第一柵極介電質(zhì)(116)上方，該第一柵極電極層(114)具有第二熱膨脹系數(shù)；其中，該第二熱膨脹系數(shù)不同于該第一熱膨脹系數(shù)，使溝道(112)中產(chǎn)生應(yīng)變，而該應(yīng)變于該場效應(yīng)晶體管中造成載流子移動率的增加。
全文摘要
依據(jù)本發(fā)明的范例實施例，位于基板(104)上的場效應(yīng)晶體管(FET)含有位于該基板(104)中的溝道(112)。該FET更進(jìn)一步包含位于該溝道(112)上的第一柵極介電質(zhì)(116)，該第一柵極介電質(zhì)(116)具有第一熱膨脹系數(shù)。該FET還包含位于該第一柵極介電質(zhì)上的第一柵極電極層(114)，該第一柵極電極具有第二熱膨脹系數(shù)，此第二熱膨脹系數(shù)系不同于該第一熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)致于該FET中載流子移動率的增加。舉例來說，該第二熱膨脹系數(shù)可高于該第一熱膨脹系數(shù)；而該增加的載流子移動率可由于該溝道(112)中的拉伸應(yīng)變所造成。
文檔編號H01L29/78GK1839480SQ200480023902
公開日2006年9月27日 申請日期2004年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月18日
發(fā)明者Q·項, J-S·古 申請人:先進(jìn)微裝置公司