具有摻雜的外延區(qū)域的半導(dǎo)體器件及其制造方法
【專利說(shuō)明】具有摻雜的外延區(qū)域的半導(dǎo)體器件及其制造方法
[0001 ] 本申請(qǐng)為分案申請(qǐng)，其原申請(qǐng)是于2012年6月21日(國(guó)際申請(qǐng)日為2010年11月29日)向中國(guó)專利局提交的專利申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)枮?01080058687.4，發(fā)明名稱為“具有摻雜的外延區(qū)域的半導(dǎo)體器件及其制造方法”。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體處理領(lǐng)域，并且更具體地，涉及具有摻雜的外延區(qū)域的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0003]提高半導(dǎo)體器件、特別是晶體管的性能，始終是半導(dǎo)體工業(yè)中的主要考慮。例如，在金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(M0SFET)的設(shè)計(jì)和制造期間，共同的目標(biāo)總是增加溝道區(qū)域的電子迀移率并減小寄生電阻以改善器件性能。
[0004]例如，改善器件性能的其它方法包括:通過(guò)對(duì)源極/漏極區(qū)域與溝道區(qū)域之間的區(qū)域進(jìn)行摻雜來(lái)減小M0SFET的整體電阻，該區(qū)域被稱為M0SFET的“尖端(tip)”或源極/漏極擴(kuò)展區(qū)域。例如，將摻雜劑注入到源極/漏極區(qū)域中，并且退火步驟使摻雜劑向溝道區(qū)域擴(kuò)散。但是，存在控制摻雜劑濃度和位置方面的限制。此外，注入和摻雜方法沒(méi)有解決在尖端區(qū)域處的橫向底切或寄生電阻的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0005]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖。
[0006]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖。
[0007]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖。
[0008]圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的透視圖。
[0009]圖5A-5F是示出制造圖1中所示的半導(dǎo)體器件的方法的截面圖。
[0010]圖6A-6F是示出制造圖2中所示的半導(dǎo)體器件的方法的截面圖。
[0011]圖7A-7C是示出制造圖3中所示的半導(dǎo)體器件的方法的截面圖。
[0012]圖8A-8I是示出制造圖4中所示的半導(dǎo)體器件的方法的透視圖。
[0013]圖9-15是圖8E-8I中所示的半導(dǎo)體器件的截面圖。
[0014]圖8E’是示出圖8E中所示的半導(dǎo)體器件的替代實(shí)施例的透視圖。
[0015]圖9’是示出圖9中所示的半導(dǎo)體器件的替代實(shí)施例的透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]描述了具有摻雜的外延區(qū)域的半導(dǎo)體器件及其制造方法。在以下描述中，為了提供對(duì)本發(fā)明的全面理解，闡述了大量具體細(xì)節(jié)。在其它實(shí)例中，為了避免不必要地使本發(fā)明難以理解，沒(méi)有特別詳細(xì)地描述公知的半導(dǎo)體處理技術(shù)和特征。
[0017]本發(fā)明的實(shí)施例描述了在半導(dǎo)體器件上形成外延區(qū)域的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，外延區(qū)域是通過(guò)循環(huán)沉積-蝕刻工藝而沉積的原位碳和磷摻雜的硅(Siy(C，Ph-y)區(qū)域。由非常高摻雜磷的硅(SiyPn)外延帽層，來(lái)回填循環(huán)沉積-蝕刻工藝期間在間隔體下方產(chǎn)生的空腔。歸因于由(SiyPH)外延帽層中非常高的磷摻雜提供的溝道區(qū)域處的增大的電子迀移率、減小的短溝道效應(yīng)(歸因于碳抑制了磷擴(kuò)散)以及減小的寄生電阻的組合效應(yīng)，在自對(duì)準(zhǔn)的外延尖端(置位)(Epi Tip(SET))結(jié)構(gòu)中的外延區(qū)域和帽層疊層的制造提供了顯著的晶體管性能增益。
[0018]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖。半導(dǎo)體器件包括由諸如但不限于單晶硅的半導(dǎo)體材料制成的襯底200。在一個(gè)實(shí)施例中，襯底200是絕緣體上硅(SOI)襯底的硅膜，或者是包括硅、硅鍺、鍺、II1-V族化合物半導(dǎo)體的多層襯底。
[0019]柵極電介質(zhì)310形成在襯底200的溝道區(qū)域上。在一個(gè)實(shí)施例中，電介質(zhì)層310由諸如但不限于氧化硅(例如，Si02)的任何公知的絕緣材料制成。在另一實(shí)施例中，電介質(zhì)層310由介電常數(shù)基本上大于二氧化硅的介電常數(shù)(即k> 3.9)的高k介電材料制成。高k介電材料的示例包括但不限于氧化鉭(Ta205)、氧化鈦(Ti02)以及氧化鉿(Hf02)。
[0020]柵極電極320形成在柵極電介質(zhì)310上。在一個(gè)實(shí)施例中，柵極電極由諸如但不限于多晶硅的任何公知的材料制成。在其它實(shí)施例中，柵極電極320由諸如但不限于鉑、鎢或鈦的金屬或金屬合金材料制成。
[0021]在一個(gè)實(shí)施例中，硬掩模410形成在柵極電極320的頂部上。在一個(gè)實(shí)施例中，硬掩模410由諸如但不限于氮化硅或氮氧化硅的材料制成。間隔體420、440形成在柵極電極320的相對(duì)的側(cè)壁上。在一個(gè)實(shí)施例中，間隔體420、440沿柵極電極320的整個(gè)側(cè)壁寬度形成。間隔體420、440包括側(cè)壁421、441以及底表面422、442。在一個(gè)實(shí)施例中，間隔體420、440由諸如但不限于氮化硅、二氧化硅或氮氧化硅的材料制成。
[0022]在本發(fā)明的實(shí)施例中，凹陷的源極界面220和凹陷的漏極界面230形成在襯底200上、柵極電極320的相對(duì)側(cè)上。在一個(gè)實(shí)施例中，部分凹陷的源極界面220在間隔體420的底表面422下方以及部分柵極電極320下方橫向延伸。類似地，部分凹陷的漏極界面230在間隔體440的底表面442下方以及部分柵極電極320下方橫向延伸。
[0023]源極區(qū)域501形成在凹陷的源極界面220上。在本發(fā)明的實(shí)施例中，源極區(qū)域501包括形成在凹陷的源極界面220上的外延區(qū)域531。帽層541形成在外延區(qū)域531上。源極區(qū)域501包括源極外延-尖端區(qū)域503，源極外延-尖端區(qū)域503包括形成在間隔體420和柵極電介質(zhì)310正下方的外延區(qū)域531和帽層541的部分。
[0024]漏極區(qū)域502形成在凹陷的漏極界面230上。在一個(gè)實(shí)施例中，漏極區(qū)域502包括形成在凹陷的漏極界面230上的外延區(qū)域532。帽層542形成在外延區(qū)域532上。漏極區(qū)域502包括漏極外延-尖端區(qū)域504，漏極外延-尖端區(qū)域504包括形成在間隔體440和柵極電介質(zhì)310正下方的外延區(qū)域532和帽層542的部分。通過(guò)相對(duì)近地靠近溝道區(qū)域形成源極和漏極外延-尖端區(qū)域503、504，在溝道區(qū)域上引發(fā)了更大的流體靜應(yīng)力，從而導(dǎo)致了更高的電子迀移率并增大了驅(qū)動(dòng)電流。
[0025]在本發(fā)明的實(shí)施例中，外延區(qū)域531、532包括摻雜有磷的硅和碳。在此情況下，圖1中所示的半導(dǎo)體器件是具有自對(duì)準(zhǔn)的外延尖端(置位)結(jié)構(gòu)的NM0S平面或三柵極晶體管。在一個(gè)實(shí)施例中，外延區(qū)域531、532包括具有大約0.5原子％至4原子％的碳濃度和大約9E19cm—3至3E21cm—3的磷濃度的硅。在具體實(shí)施例中，外延區(qū)域531、532包括具有2.2原子％的碳濃度和2E20cm—3的磷濃度的硅。在源極和漏極區(qū)域501、502的外延區(qū)域531、532中的替位碳(超過(guò)2原子％)在溝道區(qū)域上施加了流體靜應(yīng)力，這增大了電子迀移率。此外，替位碳抑制了在任何隨后的熱退火期間的任何磷擴(kuò)散，從而減小了短溝道效應(yīng)。
[0026]在本發(fā)明的實(shí)施例中，帽層541、542是包括摻雜有磷的硅的外延層。在一個(gè)實(shí)施例中，帽層541、542包括具有大約8E19Cm—3至3E21Cm—3的磷濃度的硅。在具體實(shí)施例中，帽層541、542包括具有2E21cm—3的磷濃度的硅。帽層541、542中的高磷濃度水平減小了寄生電阻，特別是自對(duì)準(zhǔn)多晶硅化物與源極/漏極區(qū)域501、502之間的接觸電阻中的寄生電阻。
[0027]圖2示出了類似于圖1的半導(dǎo)體器件的截面圖。襯底200是由{001}硅制成的，并且包括在{001}硅襯底200的{111}晶面中具有{111}面241的凹陷的源極界面240，以及在{001}硅襯底200的{111}晶面中具有{111}面251的凹陷的漏極界面250。{111}面241、251提供了耗盡層(deplet1n)中的減小的體積以及短溝道效應(yīng)的相應(yīng)的改善的控制。在一個(gè)實(shí)施例中，凹陷的源極和漏極界面240、250均在{001}硅襯底200的{010}晶面中還包括{010}面242、252，其中{010}面242、252在柵極電極320的正下方延伸。{010}面242、252有助于更精確地限定半導(dǎo)體器件的冶金(metallurgical)溝道長(zhǎng)度并減小短溝道效應(yīng)。
[0028]類似于圖1，圖2中所示的半導(dǎo)體器件包括源極區(qū)域501和漏極區(qū)域502，其均具有外延區(qū)域531、532以及帽層541、542。外延區(qū)域531、532和帽層541、542形成在包括它們的{111}面241、251和{010}面242、252的凹陷的源極和漏極界面240、250上。源極區(qū)域501包括源極外延-尖端區(qū)域505，源極外延-尖端區(qū)域505包括由間隔體420、柵極電介質(zhì)310和{111}、{010}面241、242所圍繞的外延區(qū)域531和帽層541的部分。漏極區(qū)域502包括漏極外延-尖端區(qū)域506，漏極外延-尖端區(qū)域506包括由間隔體440、柵極電介質(zhì)310和{111}、{010}面251、252所圍繞的外延區(qū)域532和帽層541的部分。相對(duì)近地靠近溝道區(qū)域形成源極和漏極外延-尖端區(qū)域505、506在溝道區(qū)域上引發(fā)了更大的流體靜應(yīng)力，從而增大了電子迀移率，這導(dǎo)致了更高的驅(qū)動(dòng)電流。
[0029]圖3示出了類似于圖2的半導(dǎo)體器件的截面圖。在一個(gè)實(shí)施例中，源極和漏極區(qū)