專利名稱：Pmos晶體管結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種PMOS晶體管結(jié)構(gòu)及其制造方法，尤其涉及一種用于提高載流子遷移率的PMOS晶體管的結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體器件的集成度越來越高，單個(gè)尺寸逐漸減小，與此同時(shí)，對(duì)器件性能要求也在日益提高，主要表現(xiàn)在對(duì)器件的工作時(shí)間、功耗及穩(wěn)定性的要求。對(duì)于常見器件-CMOS晶體管來說，溝道區(qū)中載流子的遷移能力的進(jìn)一步提高有助于提高驅(qū)動(dòng)電流，力口快器件的開啟速度，然而隨著尺寸不斷縮小，器件的遷移率受到各方面因素限制。CMOS晶體管中溝道區(qū)的材質(zhì)通常為硅材質(zhì)或硅鍺材質(zhì)，現(xiàn)有技術(shù)主要采用兩種方法提高溝道區(qū)中載流子的遷移能力，一種是通過在半導(dǎo)體襯底表面形成氮化硅應(yīng)力層，通過應(yīng)力作用提高源/漏區(qū)的載流子遷移率，該方法產(chǎn)生的應(yīng)力不能無限制增大，故提高載流子遷移率的作用有限；另一種是通過離子注入向源/漏區(qū)中摻雜硼以提高載流子遷移率，然而由于硼的易擴(kuò)散性易引發(fā)器件的短溝道效應(yīng)同樣不利于提高器件的性能。因此如何能夠進(jìn)一步提高載流子遷移率成為業(yè)界亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種PMOS晶體管的制造方法，以提高載流子遷移率。本發(fā)明提供一種PMOS晶體管的結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底中具有至少兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)和位于所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的有源區(qū)，所述有源區(qū)中具有凹槽；碳硅化合物層，填充于所述凹槽中；柵極，位于所述碳硅化合物層上；柵極側(cè)墻，位于所述柵極側(cè)壁上；源/漏區(qū)，位于碳硅化合物層及其下方的半導(dǎo)體襯底中；硅鍺化合物區(qū)，全部或部分位于所述源/漏區(qū)中。進(jìn)一步的,所述碳娃化合物層的厚度為30nm 300nm。進(jìn)一步的，所述碳硅化合物層中碳的摩爾濃度為3% 20%。進(jìn)一步的，在所述碳化層和所述柵極之間，還形成有外延硅層，所述外延硅層的材質(zhì)為單質(zhì)硅。進(jìn)一步的,所述外延娃層的厚度為20nm 50nm。進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體襯底的晶向方向?yàn)椤?10〉或〈100〉。本發(fā)明還提供一種PMOS晶體管的制造方法，包括以下步驟:提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底中形成有至少兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)和位于所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的有源區(qū)；刻蝕所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的半導(dǎo)體襯底，形成凹槽；利用外延生長法，在所述凹槽中填充形成碳硅化合物層；在所述碳硅化合物層上形成柵極，并在柵極側(cè)壁上形成柵極側(cè)墻；在所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的半導(dǎo)體襯底中形成源/漏區(qū)和硅鍺化合物區(qū)。進(jìn)一步的，在形成碳硅化合物層的步驟中，外延生長法的反應(yīng)物包括甲烷、硅烷和氮?dú)猓磻?yīng)溫度為500°C 1000°C。
進(jìn)一步的,所述碳娃化合物層的厚度為30nm 300nm。進(jìn)一步的，所述碳硅化合物層中碳的摩爾濃度為3% 20%。進(jìn)一步的，在形成碳硅化合物層和形成柵極的步驟之間，還包括，利用外延生長法在所述碳硅化合物層上形成外延硅層的步驟，外延生長法的反應(yīng)物包括硅烷和氮?dú)?。進(jìn)一步的,所述外延娃層的厚度為20nm 50nm。進(jìn)一步的，在形成源/漏區(qū)和硅鍺化合物區(qū)的步驟中，包括以下步驟:刻蝕所述柵極兩側(cè)的碳硅化合物層，形成硅鍺化合物凹槽；利用外延生長法，在所述硅鍺化合物凹槽中填充硅鍺化合物，形成硅鍺化合物區(qū)；進(jìn)行源漏離子注入，形成所述源/漏區(qū)，所述硅鍺化合物區(qū)全部或部分位于所述源/漏區(qū)中。進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體襯底的晶向方向?yàn)椤?10〉或〈100〉。相比于現(xiàn)有技術(shù)，在本發(fā)明的PMOS晶體管的結(jié)構(gòu)中，在半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)中形成碳硅化合物層，使源/漏區(qū)之間的溝道區(qū)的材質(zhì)由硅或硅鍺材質(zhì)替換為碳硅化合物材質(zhì)，由于碳硅化合物層具有較佳的應(yīng)力作用，從而進(jìn)一步提高了 PMOS晶體管的遷移率，同時(shí)降低了避免了硼摻雜，降低了硼的擴(kuò)散，因而降低了短溝道效應(yīng)，提高了 PMOS晶體管的器件性能。本發(fā)明的PMOS晶體管的制造方法首先在半導(dǎo)體襯底中形成凹槽，并利用外延生長法在凹槽中形成碳硅化合物層，利用碳硅化合物層代替部分硅或硅鍺材質(zhì)的半導(dǎo)體襯底，使PMOS管的溝道區(qū)形成于碳硅化合物層中，由于碳硅化合物良好的應(yīng)力作用，從而使溝道區(qū)中載流子的遷移率得到大幅度提高，并且避免了在源/漏區(qū)摻入過量的硼摻雜，進(jìn)一步的降低了短溝道效應(yīng)，同時(shí)由于碳硅化合物層是采用外延生長法形成的，故具有良好的界面平整度和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而維持了開啟電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了 PMOS晶體管的器件性能。


圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中PMOS晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 圖7為本發(fā)明一實(shí)施例中PMOS晶體管的制作過程中的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為本發(fā)明一實(shí)施例中PMOS晶體管的制造方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。其次，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行了詳細(xì)的表述，在詳述本發(fā)明實(shí)例時(shí)，為了便于說明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應(yīng)以此作為對(duì)本發(fā)明的限定。本發(fā)明的核心思想在于，將淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的半導(dǎo)體襯底的硅材質(zhì)或硅鍺材質(zhì)替換為碳硅化合物層，以使PMOS晶體管的溝道區(qū)處于碳硅化合物層中，利用碳硅化合物層的更好的應(yīng)力作用，提高載流子遷移率，并降低短溝道效應(yīng)，提高開啟電壓的穩(wěn)定性。圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中PMOS晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明提供一種PMOS晶體管結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底100、碳硅化合物層104、柵極105、硅鍺化合物區(qū)109和源/漏區(qū)110，其中所述半導(dǎo)體襯底100中具有至少兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)101和位于所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)101之間的有源區(qū)102，所述有源區(qū)102中具有凹槽；所述碳硅化合物層104位于所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)101之間的所述半導(dǎo)體襯底100中，并填充于所述凹槽中；所述柵極105位于所述碳硅化合物層104上；所述柵極側(cè)墻106位于所述柵極105側(cè)壁上；所述硅鍺化合物區(qū)109和源/漏區(qū)110位于所述位于碳硅化合物層104及其下方的半導(dǎo)體襯底100中，在源/漏區(qū)110之間的碳硅化合物層104中形成有溝道區(qū)300。在較佳的實(shí)施例中，在所述碳硅化合物層104和所述柵極105上還形成有外延硅層103,所述外延娃層103的材質(zhì)為單質(zhì)娃,所述外延娃層103的厚度范圍為20nm 50nm,外延硅層103在氮化硅層104的應(yīng)力作用下，同樣能夠產(chǎn)生較佳的遷移率，并且在后續(xù)工藝中，在半導(dǎo)體襯底100上還會(huì)形成二氧化娃材質(zhì)的層間介質(zhì)層(圖中未標(biāo)不)，外延娃層103與層間介質(zhì)層能夠形成良好的界面特性，并且在后續(xù)進(jìn)行金屬連線引出時(shí)，外延硅層103具有更好的引出電連特性。相比于現(xiàn)有技術(shù)，在本發(fā)明所述PMOS晶體管的結(jié)構(gòu)中，在半導(dǎo)體襯底100的有源區(qū)102中形成碳硅化合物層104，使源/漏區(qū)110之間的溝道區(qū)300的材質(zhì)由傳統(tǒng)的硅或硅鍺材質(zhì)替換為碳硅化合物，由于碳硅化合物層104具有較佳的應(yīng)力作用，從而進(jìn)一步提高了 PMOS晶體管的遷移率，同時(shí)降低了避免了硼摻雜，降低了硼的擴(kuò)散，因而降低了短溝道效應(yīng)，提高了 PMOS晶體管的器件性能。其中碳硅化合物層104中碳的摩爾濃度范圍為3% 20%，能夠形成更好的應(yīng)力作用。圖8為本發(fā)明一實(shí)施例中PMOS晶體管的制造方法的流程示意圖，如圖8所示，包括以下步驟:步驟SOl:提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底中形成有至少兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)和位于所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的有源區(qū)；步驟S02:刻蝕所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的半導(dǎo)體襯底，形成凹槽；步驟S03:利用外延生長法，在所述凹槽中形成碳硅化合物層；步驟S04:在所述碳硅化合物層上形成柵極，并在柵極側(cè)壁上形成柵極側(cè)墻；步驟S05:在所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的半導(dǎo)體襯底中形成源/漏區(qū)和硅鍺化合物區(qū)。圖2 圖7為本發(fā)明一實(shí)施例中PMOS晶體管的制作過程中的結(jié)構(gòu)示意圖。以下結(jié)合圖2 圖8詳細(xì)說明本發(fā)明一實(shí)施例中PMOS晶體管的制作過程中的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，在步驟SOl中，提供半導(dǎo)體襯底100，所述半導(dǎo)體襯底100可以為單晶硅、多晶硅或非晶硅等，也可以為硅鍺化合物其他半導(dǎo)體材料，所述半導(dǎo)體襯底100的晶向方向?yàn)椤?10〉或〈100〉，上述晶向方向更有利于后續(xù)外延生長法形成的碳硅化合物層具有良好的界面。所述半導(dǎo)體襯底100中形成有至少兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)101，所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)101中填充的物質(zhì)可以為氧化硅，對(duì)所述半導(dǎo)體襯底100進(jìn)行有源注入，可在所述半導(dǎo)體襯底100中所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)101之間形成有源區(qū)102。在步驟S02中，刻蝕所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)101之間的半導(dǎo)體襯底100，以形成如圖3所示的凹槽200，可以利用光刻和干法刻蝕工藝，控制刻蝕時(shí)間，從而在半導(dǎo)體襯底100中形成凹槽200，所述凹槽200的深度范圍在30nm 300nm，所述凹槽200的深度為大于或等于后續(xù)形成的源/漏區(qū)的深度，以有效隔絕器件。
如圖4所示，在步驟S03中，利用外延生長法，在所述凹槽200中形成碳硅化合物層104，利用外延生長法的選擇生長性，在該凹槽200中形成碳硅化合物層104，同時(shí)外延生長法能夠使碳硅化合物層104與半導(dǎo)體襯底100形成良好的界面特性，且形成的碳硅化合物層104的結(jié)構(gòu)均勻，所述碳硅化合物層104的厚度范圍30nm 300nm;其中，外延生長法的反應(yīng)物包括甲烷(CH4)、硅烷(SiH4)和氮?dú)?N2),其中碳源除甲烷外，還可以為乙烷(CH3CH3)或丙烷(C3H8)等，其中反應(yīng)溫度為500°C 1000°C，能夠形成良好的碳硅化合物層104，在較佳的實(shí)施例中，形成的所述碳硅化合物層104中碳的摩爾濃度為3% 20%，能夠產(chǎn)生更好的應(yīng)力作用。如圖4所示，在形成碳硅化合物層104之后，在形成柵極的步驟之前，還可在所述碳硅化合物層104上形成外延硅層103。所述外延硅層103能夠改善半導(dǎo)體襯底100與后續(xù)形成的金屬互連的導(dǎo)電特性，其中所述外延娃層103的厚度范圍為20nm 50nm,所述外延娃層103的材質(zhì)為單質(zhì)娃,所述外延娃層103亦可采用外延生長法形成,在形成碳娃化合物層104的最后階段，停止通入甲烷等碳源，僅通入硅烷和氮?dú)?，即能夠外延硅?03，不增加額外工藝步驟。外延硅層103在氮化硅層104的應(yīng)力作用下，同樣能夠產(chǎn)生較佳的遷移率，并且在后續(xù)工藝中，在半導(dǎo)體襯底100上還會(huì)形成二氧化硅材質(zhì)的層間介質(zhì)層(圖中未標(biāo)示)，外延硅層103與層間介質(zhì)層能夠形成更好的界面特性，此外，在后續(xù)進(jìn)行金屬連線引出時(shí)，外延硅層103具有更好的電連特性。如圖5所示，在步驟S04中，在所述碳硅化合物層104和外延硅層103上形成柵極105，并在柵極105的側(cè)壁上形成柵極側(cè)墻106 ;所述柵極105包括柵極介質(zhì)層、位于所述柵極介質(zhì)層上的柵極導(dǎo)電層以及位于所述柵極導(dǎo)電層上的柵極保護(hù)層，所述柵極側(cè)墻可以為ONO (氧化硅-氮化硅-氧化硅)結(jié)構(gòu)，為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，故其形成方法不再贅述。如圖6所示，在形成硅鍺化合物區(qū)和源/漏區(qū)的步驟之前，在半導(dǎo)體襯底100上覆蓋氮化層107，在后續(xù)進(jìn)行硅鍺化合物凹槽的刻蝕時(shí)，氮化層107能夠保護(hù)柵極105不被刻蝕損傷。步驟S05中，如圖7所示，首先刻蝕所述柵極105兩側(cè)的碳硅化合物層104和半導(dǎo)體襯底100，形成硅鍺化合物凹槽202 ;接著利用外延生長法，在所述硅鍺化合物凹槽202中填充硅鍺化合物，形成硅鍺化合物區(qū)109 ;最后進(jìn)行源漏離子注入，形成所述源/漏區(qū)110，所述硅鍺化合物區(qū)109全部或部分位于所述源/漏區(qū)110，最終形成如圖1所示的結(jié)構(gòu)。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述PMOS晶體管的制造方法首先在半導(dǎo)體襯底100中形成凹槽200，并利用外延生長法在凹槽200中形成碳硅化合物層104，通過利用碳硅化合物層104代替部分硅或硅鍺材質(zhì)的半導(dǎo)體襯底100，使PMOS管的溝道區(qū)300形成于碳硅化合物層104中，由于碳硅化合物層104良好的應(yīng)力作用，從而使溝道區(qū)300中載流子的遷移率得到大幅度提高，并且避免了在源/漏區(qū)110摻入過量的硼摻雜，進(jìn)一步的降低了短溝道效應(yīng)，同時(shí)由于碳硅化合物層104是采用外延生長法形成的，故具有良好的界面平整度和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而維持了開啟電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了 PMOS晶體管的器件性能。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種PMOS晶體管的結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括 半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底中具有至少兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)和位于所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的有源區(qū)，所述有源區(qū)中具有凹槽； 碳硅化合物層，填充于所述凹槽中； 柵極，位于所述碳硅化合物層上； 柵極側(cè)墻，位于所述柵極側(cè)壁上； 源/漏區(qū)，位于碳硅化合物層及其下方的半導(dǎo)體襯底中； 硅鍺化合物區(qū)，全部或部分位于所述源/漏區(qū)中。
2.如權(quán)利要求1所述的PMOS晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述碳硅化合物層的厚度為30nm 300mn。
3.如權(quán)利要求1所述的PMOS晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述碳硅化合物層中碳的摩爾濃度為3% 20%。
4.如權(quán)利要求1所述的PMOS晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述碳化層和所述柵極之間還形成有外延硅層， 所述外延硅層的材質(zhì)為單質(zhì)硅。
5.如權(quán)利要求4所述的PMOS晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述外延硅層的厚度為20nm 50nmo
6.如權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的PMOS晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底的晶向方向?yàn)椤?10〉或〈100〉。
7.—種PMOS晶體管的制造方法，包括 提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底中形成有至少兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)和位于所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的有源區(qū)； 刻蝕所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的半導(dǎo)體襯底，形成凹槽； 利用外延生長法，在所述凹槽中填充形成碳硅化合物層； 在所述碳硅化合物層上形成柵極，并在柵極側(cè)壁上形成柵極側(cè)墻； 在所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的半導(dǎo)體襯底中形成源/漏區(qū)和硅鍺化合物區(qū)。
8.如權(quán)利要求7所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，在形成碳硅化合物層的步驟中，外延生長法的反應(yīng)物包括甲烷、硅烷和氮?dú)?，反?yīng)溫度為500°C 1000°C。
9.如權(quán)利要求7所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，所述碳硅化合物層的厚度為 30nm 300nm。
10.如權(quán)利要求7所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，所述碳硅化合物層中碳的摩爾濃度為3% 20%。
11.如權(quán)利要求7所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，在形成碳硅化合物層和形成柵極的步驟之間，還包括在所述碳硅化合物層上利用外延生長法形成外延硅層的步驟，外延生長法的反應(yīng)物包括硅烷和氮?dú)狻?br> 12.如權(quán)利要求11所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，所述外延硅層的厚度為 20nm 50nmo
13.如權(quán)利要求7所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，在形成源/漏區(qū)和硅鍺化合物區(qū)的步驟中，包括， 刻蝕所述柵極兩側(cè)的碳硅化合物層，形成硅鍺化合物凹槽；利用外延生長法，在所述硅鍺化合物凹槽中填充硅鍺化合物，形成硅鍺化合物區(qū)；進(jìn)行源漏離子注入，形成所述源/漏區(qū)，所述硅鍺化合物區(qū)全部或部分位于所述源/漏區(qū)中。
14.如權(quán)利要求7至13中任意一項(xiàng)所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底的晶向 方向?yàn)椤?10〉或〈100〉。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種PMOS晶體管的結(jié)構(gòu)和制造方法，所述PMOS晶體管的半導(dǎo)體襯底中具有碳硅化合物層，通過首先在半導(dǎo)體襯底中形成凹槽，并利用外延生長法在凹槽中形成碳硅化合物層，碳硅化合物層代替部分硅或硅鍺材質(zhì)的半導(dǎo)體襯底，使PMOS管的溝道區(qū)形成于碳硅化合物層中，由于碳硅化合物層良好的應(yīng)力作用，使溝道區(qū)中載流子的遷移率得到大幅度提高，并且避免了在源/漏區(qū)摻入過量的硼摻雜，進(jìn)一步降低了短溝道效應(yīng)，同時(shí)由于碳硅化合物層是采用外延生長法形成的，故具有碳硅化合物層與半導(dǎo)體襯底之間具有良好的界面特性和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而保證了開啟電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了PMOS晶體管的器件性能。
文檔編號(hào)H01L21/336GK103187447SQ20111045777
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者趙猛 申請(qǐng)人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司