專利名稱：帶應變增強結(jié)構(gòu)的半導體應變mos器件及制備工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體器件范圍，特別涉及一種帶有應變增強結(jié)構(gòu)的半導體應變MOS 器件及制備工藝。
背景技術：
隨著集成電路中MOS器件尺寸不斷縮小，載流子在MOS器件溝道中的漂移速度逐步達到飽和，無法再進一步地得到提高，這樣就限制了器件的開關速度，無法得到更高頻率工作的MOS器件。針對MOS器件所遇到的問題，已經(jīng)提出了一些提升載流子，特別是空穴載流子遷移率的技術方案，其中采用應變硅材料技術成為一種很好的選擇。應變硅材料可分為兩種， 一種是在整個硅晶圓片的表面都要形成應變層，這被稱為是全局應變，另一種是隨著制造工藝一步一步地進行，在工藝過程中引入的應變硅，它只涉及晶圓片表面的局部區(qū)域，被稱為是局部應變。無論是全局應變還是局部應變，在MOS器件的溝道區(qū)中，硅晶格都響應外部應力而伸展或者壓縮，因而造成載流子遷移率發(fā)生變化，能夠進一步提高器件的工作速度，得到性能改善的MOS器件。一般，對于NMOS器件，希望晶格尺寸有所伸長，電子載流子在這樣的晶格中，遷移率能夠得到提升；而在PMOS器件中，希望晶格尺寸有所壓縮，空穴載流子在這樣的晶格中，遷移率同樣會得到改善。常見的形成局部應變的方法有兩種，一種是在MOS器件的源漏區(qū)引入SiGe這樣的異質(zhì)材料，利用SiGe從源漏兩端向中央溝道區(qū)的壓應力作用來使得溝道區(qū)中的硅產(chǎn)生一定的形變，即形成應變硅；另一種是在整個器件完成后，在MOS器件柵極之上生長SiN (氮化硅)之類的較大應力的薄膜，這種材料薄膜也稱作帽層，通過工藝控制，可以調(diào)整應力的性質(zhì)，使其成為壓應力性質(zhì)的，或者張應力性質(zhì)的，通過帽層的作用，同樣可以在溝道區(qū)造成晶格壓縮或伸展的應變硅。對于帽層應變方案來說，器件溝道區(qū)是一個重點。該區(qū)域既受到上方帽層的應力作用，又受到器件源漏兩側(cè)的其他的半導體材料原子的作用，應變是多個相互作用的綜合的效應。對此，本發(fā)明提出，可以采用特定的工藝步驟，在MOS器件中引入附加的溝槽結(jié)構(gòu)， 去阻斷或者減弱來自源漏兩側(cè)的作用，而令器件的溝道區(qū)，主要地，僅受帽層應力的作用， 這樣就可以排除其他影響，使得應力作用的效果最大化，器件性能的提升最大化。由此，得到一種帶有應變增強結(jié)構(gòu)，也就是附加的溝槽結(jié)構(gòu)的應變MOS器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種帶有應變增強結(jié)構(gòu)的半導體應變MOS器件及制備工藝， 在MOS器件中央為溝道區(qū)6，兩邊為源漏淺結(jié)區(qū)5，與源漏淺結(jié)區(qū)5相連接的是源漏接觸區(qū) 7 ；在溝道區(qū)6上面依次為柵介質(zhì)層3及柵電極2，柵介質(zhì)層3及柵電極2兩邊為側(cè)墻4，在柵介質(zhì)層3、柵電極2和側(cè)墻4的外面包裹應變帽層1 ；其特征在于，在MOS器件源漏接觸區(qū)7兩側(cè)制作開槽結(jié)構(gòu)8，阻斷或者減弱來自源漏兩側(cè)的對溝道區(qū)6的作用，從而使得器件溝道區(qū)6只受應變帽層的應力作用，使得應力作用的效果做到最大化，而提升器件的性能。所述開槽結(jié)構(gòu)8不需要用多晶硅或二氧化硅介質(zhì)材料填充。所述開槽結(jié)構(gòu)8制作于MOS器件的源漏接觸區(qū)的外側(cè)，或制作于與源漏區(qū)連線相平行的方向上，或制作成圍繞MOS器件四周的封閉、半封閉的槽環(huán)；所述開槽結(jié)構(gòu)8既適用于需要壓應力的MOS器件，也適用于需要張應力的MOS器件。所述帶有應變增強結(jié)構(gòu)的半導體應變MOS器件制備工藝，其特征在于，具體制作步驟如下(1)準備襯底半導體晶圓片，晶圓片采用加工制造或通過購買方式獲得；(2)制作必要的N阱或P阱隔離結(jié)構(gòu)，并在調(diào)節(jié)溝道區(qū)摻雜濃度后，進入常規(guī)MOS 器件制造環(huán)節(jié)，生長器件的柵介質(zhì)層，柵介質(zhì)層采用二氧化硅或采用氧化鉿的高介電常數(shù)材料；(3)生長制作柵電極，柵電極采用多晶材料或采用金屬柵材料；(4)通過光刻和干法刻蝕的方法得到柵結(jié)構(gòu)圖形；(5)對器件的源漏淺結(jié)區(qū)5注入摻雜，如果是NMOS管，則進行N型摻雜，如果是 PMOS管則進行P型摻雜；摻雜及隨后的退火激活工藝中需要控制結(jié)深值在5-50納米范圍內(nèi)；(6)通過薄膜淀積和干法刻蝕，在MOS器件的柵的兩側(cè)形成側(cè)墻4 ；(7)對器件的源漏接觸區(qū)7進行摻雜，制作出MOS器件源漏；(8)淀積應力薄膜層并進行圖形化刻蝕，得到應力帽層1 ；此應力帽層1對于MOS 器件的溝道6產(chǎn)生應力作用，造成溝道6發(fā)生應變，應力薄膜層則成為應變的半導體的應力帽薄膜；(9)采用光刻和刻蝕的方法，在MOS器件源漏的左右兩側(cè)制作開槽結(jié)構(gòu)8，由此減弱或者撤除左右兩側(cè)材料對于溝道區(qū)6中材料的橫向作用，增強應力帽層的作用效果，得到應變進一步增強性能的MOS器件；所述開槽結(jié)構(gòu)8制作于MOS器件的源漏接觸區(qū)7的外側(cè)，或制作于與源漏區(qū)連線相平行的方向上，或制作成圍繞MOS器件四周的封閉、半封閉的槽環(huán)；(10)上一步驟所形成的開槽結(jié)構(gòu)8，在之后的工藝過程中不做填充處理；開槽結(jié)構(gòu)8既適用于需要壓應力的MOS器件，也適用于需要張應力的MOS器件。所述金屬柵材料為鈦、鎳或它們的硅化物。本發(fā)明的有益效果是，對于張應力性質(zhì)的帽層，在制作完帽層之后，通過開槽，可以減小或移除來自左右兩端材料對于溝道區(qū)的擠壓，使得溝道區(qū)6在帽層應力的作用下得以充分的伸展。對于壓應力性質(zhì)的帽層，開槽結(jié)構(gòu)8移去了原來材料與溝道區(qū)的化學鍵連接，同樣使得溝道區(qū)能夠比較自由地在帽層應力的作用下收縮?？傊?，向MOS器件引入附加的開槽結(jié)構(gòu)后，可阻斷或者減弱來自源漏兩側(cè)的作用，而令器件的溝道區(qū)僅受帽層應力的作用，這樣就排除了溝道兩側(cè)材料對于溝道區(qū)的影響，使得帽層應力作用的效果得到最大化，在應力效果得到增強后，器件性能也得到最大程度的提升。


圖1為帶有應變增強結(jié)構(gòu)的半導體應變MOS器件的剖面圖。圖中，1是能夠?qū)系绤^(qū)產(chǎn)生較大應力影響的帽層薄膜；2是MOS器件的柵電極；3是MOS器件的柵介質(zhì)；4是MOS器件柵兩側(cè)的側(cè)壁；5是緊靠MOS器件溝道的源漏淺結(jié)區(qū)；6是MOS器件溝道區(qū)；7是MOS器件的源漏接觸區(qū)；8為具有應變增強效果的開槽。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種帶有應變增強結(jié)構(gòu)的半導體應變MOS器件。這樣的結(jié)構(gòu)既適用于 NMOS器件，也適用于PMOS器件。制作這樣器件的工藝步驟，舉例說明如下(1)準備襯底半導體晶圓片，晶圓片采用加工制造或通過購買方式獲得；(2)制作必要的N阱/P阱隔離結(jié)構(gòu)，并在調(diào)節(jié)溝道區(qū)摻雜濃度后，進入常規(guī)MOS器件制造環(huán)節(jié)，生長器件的柵介質(zhì)層，柵介質(zhì)層可采用二氧化硅，也可采用氧化鉿之類的高介電常數(shù)材料。舉例來說，柵介質(zhì)可以是二氧化硅，15納米厚。(3)生長制作柵電極，柵電極可以采用多晶材料，也可以采用金屬柵材料。舉例來說，可采用多晶硅柵，50-200納米厚或金屬柵材料為鈦、鎳或它們的硅化物。(4)通過光刻和干法刻蝕的方法得到柵結(jié)構(gòu)圖形，例如，柵寬取為100納米。(5)對器件的源漏淺結(jié)區(qū)5注入摻雜，如果是NMOS管，則進行N型摻雜，如果是 PMOS管則進行P型摻雜；摻雜及隨后的退火激活工藝中需要控制結(jié)深值，例如，結(jié)深值控制在10-30納米。(6)通過薄膜淀積和干法刻蝕，在MOS器件的柵的兩側(cè)形成側(cè)墻結(jié)構(gòu)。(7)對器件的源漏接觸區(qū)7進行摻雜，制作出MOS器件源漏。(8)淀積應力薄膜層并進行圖形化刻蝕，得到應力帽層1。此應力帽層1可以對于 MOS器件的溝道6產(chǎn)生應力作用，造成后者發(fā)生應變，成為應變的半導體的應力帽薄膜，舉例來說，應力帽薄膜可以采用氮化硅，厚度20-80納米。(9)采用光刻和刻蝕的方法，在MOS器件源漏的左右兩側(cè)開槽結(jié)構(gòu)8，由此可減弱或者撤除左右兩側(cè)材料對于溝道區(qū)6中材料的橫向的作用，增強應力帽層的作用效果，得到應變進一步增強的高性能MOS器件。開槽結(jié)構(gòu)8不僅可制作于MOS器件的源漏區(qū)域的外側(cè)，也可以制作于與源漏區(qū)連線相平行的方向上，可以構(gòu)成圍繞MOS器件四周的封閉、半封閉的槽環(huán)。舉例來說，應變槽寬可以取30納米，槽深取50納米。(10)上一步驟所形成的開槽結(jié)構(gòu)8，在之后的工藝過程中不做填充處理；開槽結(jié)構(gòu)8既適用于需要壓應力的MOS器件，也適用于需要張應力的MOS器件。特別需要指出，本發(fā)明所引入的開槽結(jié)構(gòu)8，與MOS器件工藝中常規(guī)的淺槽隔離中的開槽是不同的。首先是體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)本身，常規(guī)淺槽隔離中的槽，是需要用多晶硅、二氧化硅等介質(zhì)材料填充的，而這里的開槽結(jié)構(gòu)8并不填充；常規(guī)淺槽隔離中的槽，其尺寸與 MOS器件的柵，源漏淺結(jié)等相比，都是比較大的，而此處的開槽結(jié)構(gòu)8尺寸較小，例如槽寬取30nm，槽深取50nm ；常規(guī)淺槽隔離的目的，是用于器件之間的電學隔離，此處的開槽結(jié)構(gòu)8， 目的是用于充分釋放應力，增強帽層應力作用的效果。其次體現(xiàn)在制造工藝方面，常規(guī)淺槽隔離，淺槽是先制作的，然后再制作器件部分，此處的開槽結(jié)構(gòu)8，則在器件結(jié)構(gòu)制作完成后制作。
權利要求
1.一種帶有應變增強結(jié)構(gòu)的半導體應變MOS器件，在MOS器件中央的溝道區(qū)(6)兩邊的是源漏淺結(jié)區(qū)(5)，與源漏淺結(jié)區(qū)(5)相連接的是源漏接觸區(qū)(7)；在溝道區(qū)(6)上面依次為柵介質(zhì)層C3)及柵電極O)，柵介質(zhì)層( 及柵電極( 兩邊為側(cè)墻G)，在柵介質(zhì)層 (3)、柵電極(2)和側(cè)墻⑷的外面包裹應變帽層⑴；其特征在于，在MOS器件源漏接觸區(qū) (7)兩側(cè)制作開槽結(jié)構(gòu)(8)，阻斷或者減弱來自源漏兩側(cè)的對溝道區(qū)(6)的作用，從而使得器件溝道區(qū)(6)只受應變帽層的應力作用，使得應力作用的效果做到最大化，而提升器件的性能。
2.根據(jù)權利要求1所述帶有應變增強結(jié)構(gòu)的半導體應變MOS器件，其特征在于，所述開槽結(jié)構(gòu)(8)不需要用多晶硅或二氧化硅介質(zhì)材料填充。
3.根據(jù)權利要求1所述帶有應變增強結(jié)構(gòu)的半導體應變MOS器件，其特征在于，所述開槽結(jié)構(gòu)(8)制作于MOS器件的源漏接觸區(qū)的外側(cè)，或制作于與源漏區(qū)連線相平行的方向上， 或制作成圍繞MOS器件四周的封閉、半封閉的槽環(huán)。
4.根據(jù)權利要求1所述帶有應變增強結(jié)構(gòu)的半導體應變MOS器件，其特征在于，所述開槽結(jié)構(gòu)(8)既適用于需要壓應力的MOS器件，也適用于需要張應力的MOS器件。
5.一種帶有應變增強結(jié)構(gòu)的半導體應變MOS器件制備工藝，其特征在于，具體制作步驟如下(1)準備襯底半導體晶圓片，晶圓片采用加工制造或通過購買方式獲得；(2)制作必要的N阱或P阱隔離結(jié)構(gòu)，并在調(diào)節(jié)溝道區(qū)摻雜濃度后，進入常規(guī)MOS器件制造環(huán)節(jié)，生長器件的柵介質(zhì)層，柵介質(zhì)層采用二氧化硅或采用氧化鉿的高介電常數(shù)材料；(3)生長制作柵電極，柵電極采用多晶材料或采用金屬柵材料；(4)通過光刻和干法刻蝕的方法得到柵結(jié)構(gòu)圖形；(5)對器件的源漏淺結(jié)區(qū)(5)注入摻雜，如果是NMOS管，則進行N型摻雜，如果是PMOS 管則進行P型摻雜；摻雜及隨后的退火激活工藝中需要控制結(jié)深值在25-50納米范圍內(nèi)；(6)通過薄膜淀積和干法刻蝕，在MOS器件的柵的兩側(cè)形成側(cè)墻(4)；(7)對器件的源漏接觸區(qū)(7)進行摻雜，制作出MOS器件源漏；(8)淀積應力薄膜層并進行圖形化刻蝕，得到應力帽層(1)；此應力帽層(1對于MOS器件的溝道(6)產(chǎn)生應力作用，造成溝道(6)發(fā)生應變，應力薄膜層則成為應變的半導體的應力帽薄膜；(9)采用光刻和刻蝕的方法，在MOS器件源漏的左右兩側(cè)制作開槽結(jié)構(gòu)(8)，由此減弱或者撤除左右兩側(cè)材料對于溝道區(qū)(6)中材料的橫向作用，增強應力帽層的作用效果，得到應變進一步增強性能的MOS器件；(10)上一步驟所形成的開槽結(jié)構(gòu)(8)，在之后的工藝過程中不做填充處理。
6.根據(jù)權利要求5所述帶有應變增強結(jié)構(gòu)的半導體應變MOS器件制備工藝，其特征在于，所述金屬柵材料為鈦、鎳或它們的硅化物。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于半導體器件范圍的一種帶有應變增強結(jié)構(gòu)的半導體應變MOS器件及制備工藝。在MOS器件源漏接觸區(qū)兩側(cè)制作開槽結(jié)構(gòu)，阻斷或者減弱來自源漏兩側(cè)的對溝道區(qū)的作用，排除了溝道兩側(cè)材料對于溝道區(qū)的影響，從而使得器件溝道區(qū)只受應變帽層的應力作用，使得應力作用的效果做到最大化，而提升器件的性能。
文檔編號H01L29/78GK102339865SQ20111030892
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月12日 優(yōu)先權日2011年10月12日
發(fā)明者嚴利人, 付軍, 劉志弘, 周衛(wèi), 張偉, 王玉東 申請人:清華大學