專利名稱：具有多個半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種半導(dǎo)體處理，尤其涉及一種具有多個半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件通常形成于半導(dǎo)體層中。例如，絕緣體上的半導(dǎo)體(SOI)技術(shù)在覆蓋了覆蓋半導(dǎo)體襯底的絕緣層(如埋入二氧化硅)的半導(dǎo)體層中形成器件。SOI器件實現(xiàn)了在傳統(tǒng)體效應(yīng)技術(shù)之上的改進的性能。當(dāng)今，很多SOI技術(shù)將具有不同導(dǎo)電類型的不同類型半導(dǎo)體器件(如P型金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)和N型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)場效應(yīng)晶體管(FET)，也分別稱作PMOS和NMOS器件)集成到相同的半導(dǎo)體層中，通過使用淺溝槽隔離(STI)來將器件相互電分離。而且，可通過改變半導(dǎo)體器件在其中形成的半導(dǎo)體層的各種特性來優(yōu)化不同類型的半導(dǎo)體器件(如PMOS和NMOS器件)。然而，對于PMOS器件和NMOS器件的開始半導(dǎo)體層通常需要不同的優(yōu)化。
例如，PMOS和NMOS器件的遷移率以及因此的性能取決于該器件形成其中的半導(dǎo)體層的晶向，其中PMOS器件最佳的晶向不同于NMOS器件的最佳晶向。例如，PMOS遷移率沿著(111)晶面表面最高，而NMOS遷移率沿著(100)晶面表面最高。因此，在當(dāng)前技術(shù)中，在(100)晶面表面中形成器件，且定向MOSFET溝道以使電流在該平面內(nèi)沿著<110>晶向流動，由此有利于NMOS器件折衷PMOS器件的性能。因此，對于集成PMOS和NMOS器件的改進方法，存在一種允許單獨優(yōu)化PMOS和NMOS器件的需要。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，包括其中一個在另一個上方的第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層，其中第一半導(dǎo)體層具有晶面、材料組成和應(yīng)變，第二半導(dǎo)體層具有晶面、材料組成和應(yīng)變；在具有相對于第一半導(dǎo)體層的晶體結(jié)構(gòu)的取向的第一半導(dǎo)體層中和上的第一導(dǎo)電類型的第一晶體管；和在具有相對于第一半導(dǎo)體層的晶體結(jié)構(gòu)的取向的第二半導(dǎo)體層中和上的第二導(dǎo)電類型的第二晶體管；其中第一和第二晶體管具有由材料組成、晶面、取向和應(yīng)變限定的傳導(dǎo)特性；第一晶體管的傳導(dǎo)特性不同于第二晶體管的傳導(dǎo)特性；第一晶體管的傳導(dǎo)特性對于第一導(dǎo)電類型的晶體管的載流子遷移率比第二導(dǎo)電類型的傳導(dǎo)特性更好；和第二晶體管的傳導(dǎo)特性對于第二導(dǎo)電類型的晶體管的載流子遷移率比第一晶體管的傳導(dǎo)特性更好。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，包括其中一個在另一個上方的第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層；在第一半導(dǎo)體層中和上的具有傳導(dǎo)特性的第一導(dǎo)電類型的第一晶體管；和在第二半導(dǎo)體層中和上的具有第二傳導(dǎo)特性的第二導(dǎo)電類型的第二晶體管；其中第一晶體管的傳導(dǎo)特性對于第一導(dǎo)電類型的晶體管的載流子遷移率比對于第二導(dǎo)電類型的晶體管更有利。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種方法，包括提供第一半導(dǎo)體層；在第一半導(dǎo)體層上方形成第二半導(dǎo)體層；在第一半導(dǎo)體層中和上形成具有傳導(dǎo)特性的第一導(dǎo)電類型的第一晶體管；和在第二半導(dǎo)體層中和上形成具有第二傳導(dǎo)特性的第二導(dǎo)電類型的第二晶體管；其中第一晶體管的傳導(dǎo)特性對于第一導(dǎo)電類型的晶體管的載流子遷移率比第二導(dǎo)電類型的晶體管更有利。


本發(fā)明借助于實例進行說明，且不受附圖的限制，其中相同的參照表示相似的元件，且其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例具有多個半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件的截面圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例在形成隔離溝槽開口之后圖1的半導(dǎo)體器件的截面圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例在形成隔離區(qū)之后圖2的半導(dǎo)體器件的截面圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例在圖形化并移除一部分一個半導(dǎo)體層之后圖3的半導(dǎo)體器件的截面圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例在于多個半導(dǎo)體層中形成多個器件之后圖4的半導(dǎo)體器件的截面圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例在形成至多個器件的接觸之后圖5的半導(dǎo)體器件的截面圖；和圖7-9示出了根據(jù)本發(fā)明替代實施例半導(dǎo)體器件的截面圖。
熟練技術(shù)人員應(yīng)理解，示出圖中的元件用于簡單和清楚的目的，且不必按比例將其畫出。例如，相對于其它元件放大了圖中一些元件的尺寸，以幫助對本發(fā)明實施例的理解。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個實施例允許單獨最優(yōu)化不同類型的器件如PMOS和NMOS器件，同時保持由SOI技術(shù)提供的增強的性能。一個實施例使用多個半導(dǎo)體層以使PMOS器件和NMOS器件每一個都形成于不同的半導(dǎo)體層中。以這種方式，在一個半導(dǎo)體層中形成一種類型的器件，且這種類型的器件具有與在不同半導(dǎo)體層中形成的其它類型的器件不同的傳導(dǎo)特性，其中，可因此區(qū)別地優(yōu)化這些不同的傳導(dǎo)特性。在一個實施例中，通過相對于MOSFET溝道的材料組成、晶體平面、取向以及應(yīng)力的組合來限定傳導(dǎo)特性。(注意，在一個實施例中，傳導(dǎo)特性也稱作電傳輸特性)。在一個實施例中，每個半導(dǎo)體層都圍繞垂直于其平面的向量單獨旋轉(zhuǎn)，因此對于在電流方向上的最佳傳導(dǎo)可容易地對準(zhǔn)MOSFET溝道。而且，注意，在一個實施例中，其中形成了器件的半導(dǎo)體層是SOI結(jié)構(gòu)的有源層，由此允許PMOS和NMOS器件保持SOI隔離的益處。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的半導(dǎo)體器件10的截面圖。半導(dǎo)體器件10包括襯底12、覆蓋襯底12的埋入絕緣層14、覆蓋埋入絕緣層14的第一半導(dǎo)體層16、覆蓋第一半導(dǎo)體層16的鍵合層18以及覆蓋鍵合層18的第二半導(dǎo)體層20。在一個實施例中，將第一半導(dǎo)體層16用于形成例如具有一種導(dǎo)電類型的主要為一種類型的器件，而第二半導(dǎo)體層20用于形成例如具有不同導(dǎo)電類型的主要為另一種類型的器件。因此，在一個實施例中，襯底12不用于形成任一種器件。在該實施例中，襯底12是滿足用于形成和支撐半導(dǎo)體管芯的機械要求的任一種類型的材料。例如，襯底12是石英或塑料襯底。替代地，襯底12可以是任一種類型的半導(dǎo)體襯底如硅襯底。在這種情況下，襯底12也可用于形成器件。
在一個實施例中，第一半導(dǎo)體層16和第二半導(dǎo)體層20中的每一個都具有小于約100納米(nm)的厚度。第一半導(dǎo)體層16和第二半導(dǎo)體層20的材料組成和其它特性取決于將隨后使用這些層以及用于形成這些器件的工藝形成的器件類型。在一個實施例中，半導(dǎo)體層16可由半導(dǎo)體材料例如硅、硅鍺、鍺或者其任一組合形成。在一個實施例中，半導(dǎo)體層16可以是硅碳合金(Si(1-x)Cx)或者碳化硅(SiC)。在一個實施例中，半導(dǎo)體層20可以由半導(dǎo)體材料如硅、硅鍺、鍺或者其任一組合形成。在一個實施例中，半導(dǎo)體層20可以是硅碳合金(Si(1-x)Cx)或者碳化硅(SiC)。
例如，在一個實施例中，第一半導(dǎo)體層16將用于形成PMOS器件(也稱作P溝道器件或晶體管，且其導(dǎo)電類型是P型)，而第二半導(dǎo)體層20將用于形成NMOS器件(也稱作N溝道器件或晶體管，且其導(dǎo)電類型是N型)。在該實施例中，第一半導(dǎo)體層16可由具有(100)晶面表面的壓縮應(yīng)變硅鍺或硅(未應(yīng)變或者壓縮應(yīng)變)形成。在該實施例中，PMOS器件可以以任一晶向形成在晶面表面上，例如在<110>或<100>方向上。替代地，第一半導(dǎo)體層16可由具有(111)晶面表面的未應(yīng)變或者壓縮應(yīng)變的硅形成，其中PMOS器件可以以任一溝道方向在晶面表面上形成。或者替代地，第一半導(dǎo)體層16可由具有(110)晶面表面的未應(yīng)變或者應(yīng)變硅形成，其中可用<-110>溝道方向形成PMOS器件。第二半導(dǎo)體層20由具有(100)晶面表面的拉伸應(yīng)變硅形成，其中NMOS器件可以以任一方向在晶面表面上形成。(注意，在替代實施例中，第一半導(dǎo)體層16可用于形成NMOS器件，而第二半導(dǎo)體層20可用于形成PMOS器件，其中對于NMOS和PMOS器件中的每一種，都可使用上述各自的材料組成和平面)。
在替代實施例中，可使用任一其它類型的材料，這取決于要形成的器件類型，其中半導(dǎo)體層16的特性(例如，材料組成、應(yīng)變等)不同于半導(dǎo)體層20的那些。而且，半導(dǎo)體層16和20的特性可通過處理來改變。例如，在一個實施例中，半導(dǎo)體層16和20中的每一個都由在稍后的處理中隨后應(yīng)變(拉伸或壓縮應(yīng)變中的任一種)的半導(dǎo)體材料如硅、硅鍺或者鍺形成。在替代實施例中，將應(yīng)變硅或硅鍺用于形成其中隨后處理改變該應(yīng)變的層16和20。
在一個實施例中，埋入絕緣層14由二氧化硅形成。然而，替代實施例對于埋入絕緣層14可使用不同的絕緣材料。而且，在一個實施例中，埋入絕緣層14具有在約50nm到200nm范圍內(nèi)的厚度。替代地，也可使用其他厚度。在一個實施例中，鍵合層18具有小于80nm的厚度，且可用作絕緣和/或粘附層。例如，在一個實施例中，鍵合層18由二氧化硅形成。替代地，可使用其他絕緣體。在一個實施例中，鍵合層18有助于將第二半導(dǎo)體層20粘附到第一半導(dǎo)體層16。在替代實施例中，可將不同的絕緣和/或粘附材料用于鍵合層18，或者，在再一實施例中，可使用鍵合層的組合。替代地，可不存在鍵合層18。
圖2示出了在形成隔離溝槽開口如開口22和26之后圖1的半導(dǎo)體器件10的截面圖。在一個實施例中，開口如開口22和26可使用常規(guī)圖形化和蝕刻技術(shù)形成，且形成其以延伸到埋入絕緣層14。替代地，隔離溝槽開口可形成于第二半導(dǎo)體層20中，其中開口(未示出)可僅延伸到鍵合層18。圖3示出了在填充隔離溝槽開口以形成淺溝槽隔離(STI)28、30、34和36(還分別稱作隔離區(qū)28、30、34和36)之后圖2的半導(dǎo)體器件10的截面圖?？墒褂贸Ｒ?guī)處理來填充溝槽開口并平坦化獲得的STI。在一個實施例中，將氧化物用作溝槽填充材料。
圖4示出了在圖形化和移除部分第二半導(dǎo)體層20和鍵合層18以暴露出部分第一半導(dǎo)體層16之后半導(dǎo)體器件10的截面圖。因此，第二半導(dǎo)體層20的剩余部分(如在區(qū)域17中)可用于形成一種類型的器件，而第一半導(dǎo)體層16的暴露部分(如在區(qū)域15中)可用于形成另一種類型的器件。在示出的實施例中，注意，區(qū)域17也包括第一半導(dǎo)體層16的暴露部分，其中在區(qū)域17中的第一半導(dǎo)體層16的該暴露部分可用于提供至在區(qū)域17中的第二半導(dǎo)體層20內(nèi)形成的器件的背柵(backgate)的接觸。替代地，區(qū)域17不包括第一半導(dǎo)體層16的暴露部分。
圖5示出了在形成晶體管38、40和42(也分別稱作器件38、40和42)之后圖4的半導(dǎo)體器件10的截面圖。如圖5中所示，在區(qū)域15中使用第一半導(dǎo)體層16形成晶體管38和42，同時在區(qū)域17中使用第二半導(dǎo)體層20形成晶體管40。因此，晶體管38和42以及晶體管40能夠具有不同的傳導(dǎo)特性，這是由于例如第一半導(dǎo)體層16和第二半導(dǎo)體層20的不同特性。這些特性例如包括材料組成、晶面和取向以及應(yīng)變的組合。傳導(dǎo)特性又由在晶體管溝道區(qū)中的半導(dǎo)體層的特性確定。
再參考圖5，晶體管38包括在第一半導(dǎo)體層16中形成的溝道區(qū)48和源/漏極區(qū)44和46，其中溝道區(qū)48位于源/漏極區(qū)44和46之間。晶體管38還包括覆蓋溝道區(qū)48以及部分源/漏極區(qū)44和46的柵介質(zhì)54、覆蓋柵介質(zhì)54的柵極50和覆蓋柵介質(zhì)54并與柵極50的側(cè)壁相鄰的側(cè)壁間隙物52。可將常規(guī)的處理和材料用于形成晶體管38。晶體管40包括在第二半導(dǎo)體層20中形成的溝道區(qū)60和源/漏極區(qū)56和58，其中溝道區(qū)60位于源/漏極區(qū)56和58之間。晶體管40還包括覆蓋溝道區(qū)60和部分源/漏極區(qū)56和58的柵介質(zhì)66、覆蓋柵介質(zhì)66的柵極62、覆蓋柵介質(zhì)66并與柵極62的側(cè)壁相鄰的側(cè)壁間隙物64?？蓪⒊Ｒ?guī)的處理和材料用于形成晶體管40。晶體管42包括在第一半導(dǎo)體層16中形成的溝道區(qū)72和源/漏極區(qū)68和70，其中溝道區(qū)72位于源/漏極區(qū)68和70之間。晶體管42還包括覆蓋溝道區(qū)72和部分源/漏極區(qū)68和70的柵介質(zhì)78、覆蓋柵介質(zhì)78的柵極74、覆蓋柵介質(zhì)78并與柵極74的側(cè)壁相鄰的側(cè)壁間隙物76。可將常規(guī)的處理和材料用于形成晶體管42。在一個實施例中，每個晶體管38、40和42都同時形成。例如，同時形成每個柵介質(zhì)，同時形成每個柵極等等。
在一個實施例中(如上所述)，晶體管38和42是PMOS晶體管，晶體管40是NMOS晶體管。因此，在該實施例中，將上述的材料組成和晶面用于第一半導(dǎo)體層16和第二半導(dǎo)體層20，其中將第一半導(dǎo)體層16用于形成PMOS器件，且將第二半導(dǎo)體層用于形成NMOS器件。因此，注意，由于第一和第二半導(dǎo)體層中的差別，晶體管38和42與晶體管40相比可具有不同的傳導(dǎo)特性。例如，溝道區(qū)48和72的應(yīng)變和材料組成不同于溝道區(qū)60的。以這種方式，晶體管38和42的傳導(dǎo)特性與晶體管40的傳導(dǎo)特性相比對于PMOS晶體管的載流子遷移率更佳，而晶體管40的傳導(dǎo)特性與晶體管38和42的傳導(dǎo)特性相比對于NMOS晶體管的載流子遷移率更佳。替代地，注意，晶體管38和42可以是NMOS晶體管，晶體管40可以是PMOS晶體管，其相應(yīng)地由第一和第二半導(dǎo)體層16和20形成。
還要注意，在一個實施例中，區(qū)域15和17中的每一個都包括相同類型的主要器件，然而，在替代實施例中，在區(qū)域15和17每一個中的一些器件可以是不同類型的，其中，有利于在各自區(qū)域中的多數(shù)器件折衷這些器件的性能。例如，在其中晶體管38和42對應(yīng)于PMOS晶體管和晶體管40對應(yīng)于NMOS晶體管的上述實例中，半導(dǎo)體器件10還包括在形成于第二半導(dǎo)體層20中的區(qū)域17內(nèi)的一個或多個PMOS晶體管，而且還包括形成在第一半導(dǎo)體層16中的區(qū)域15內(nèi)的一個或多個NMOS晶體管。
在一個實施例中，柵極50、62和74是多晶硅(即，多晶硅)柵極，其在由第二半導(dǎo)體層20的升高部分引入的臺階上方形成。例如，柵極62可延伸出頁面(沿著z軸，假設(shè)圖5的截面位于X-Y平面中)，其中，沿著z軸的該區(qū)域也是區(qū)域15的一部分，其低于區(qū)域17。
圖6示出了在形成接觸之后圖5的半導(dǎo)體器件10的截面圖。在一個實施例中，在形成晶體管38、40和42之后，在晶體管38、40和42上方和第一和第二半導(dǎo)體層16和20上方毯覆式沉積蝕刻停止層78。在蝕刻停止層78上方形成層間介電(ILD)層80。然后在ILD層80中形成開口以限定接觸84、86、88、90、92、94和96的位置，其中蝕刻停止層78用于允許形成變化深度(在區(qū)域15中比在區(qū)域17中更深)的開口。在一個實施例中，蝕刻停止層78是氮化物層。之后，進行穿透蝕刻以穿過蝕刻停止層78蝕刻并暴露出下部層(如，晶體管的源/漏極區(qū)或者區(qū)域17中的第一半導(dǎo)體層16的一部分)。注意，可將常規(guī)處理和材料用于形成蝕刻停止層78、ILD 80和接觸開口。在形成接觸開口之后，用導(dǎo)電材料(如，多晶硅或金屬)填充其并將其平坦化以形成接觸(或通路)84、86、88、90、92、94和96，其分別提供了至晶體管38的源/漏極區(qū)44、晶體管38的源/漏極區(qū)46、在區(qū)域17內(nèi)的第一半導(dǎo)體層16、晶體管40的源/漏極區(qū)56、晶體管40的源/漏極區(qū)58、晶體管42的源/漏極區(qū)68和晶體管42的源/漏極區(qū)70的接觸。
在形成接觸之后，在ILD層80上方形成層間介電層82。然后將溝槽開口限定在層間介電層82中，其限定了在層間介電層82中的接觸的路徑。之后，填充并平坦化溝槽開口以形成具有金屬部分98、100、102、104、106和108的互連層。注意，金屬部分98提供至接觸84的電連接，金屬部分100提供至接觸86的電連接，金屬部分102提供了至接觸88的電連接，金屬部分104提供了至接觸90的電連接，金屬部分106提供了至接觸92和94的電連接(由此電連接晶體管40的源/漏極區(qū)58和晶體管42的源/漏極區(qū)68)，且金屬部分108提供了至接觸96的電連接。可將常規(guī)材料和處理用于形成層82和金屬98、100、102、104、106和108。
注意，如圖6中所示，將第一半導(dǎo)體層16用于形成具有與使用第二半導(dǎo)體層20形成的那些晶體管不同的傳導(dǎo)特性的晶體管。部分第一晶體管16也可用于提供其他功能。在示出的實施例中，在區(qū)域17中的第一半導(dǎo)體層16用于提供晶體管40的背柵。以這種方式，經(jīng)由用于影響晶體管42的閾值電壓的金屬102和接觸88將電壓施加到在晶體管40下方的第一半導(dǎo)體層16。在替代實施例中，將一部分或幾個部分(未示出)的第一半導(dǎo)體層16用于與襯底12一起形成解耦電容器。替代地，一部分或幾部分(未示出)的第一半導(dǎo)體層16可如所需地用于形成精密電阻。
因此，第一和第二半導(dǎo)體層16和20可用于限定其中可單獨優(yōu)化不同類型器件的不同區(qū)域。以這種方式，可橫跨晶片限定“孔”和“島”，其中，例如，“孔”對應(yīng)于其中第一半導(dǎo)體層16用于形成器件的區(qū)域，“島”對應(yīng)于其中第二半導(dǎo)體層20用于形成器件的區(qū)域。以這種方式，可使用不同的優(yōu)化，同時仍允許所有器件保持SOI絕緣的益處，這是由于“孔”和“島”中的每一個仍對應(yīng)于SOI區(qū)域。
圖7-9示出了根據(jù)本發(fā)明替代實施例的半導(dǎo)體器件200的截面圖。圖7示出了半導(dǎo)體器件200的截面圖，該半導(dǎo)體器件200具有襯底202、覆蓋襯底202的埋入絕緣層204、覆蓋埋入絕緣層204的第一半導(dǎo)體層206、覆蓋第一半導(dǎo)體層206的鍵合層208和覆蓋鍵合層208的第二半導(dǎo)體層210。在示出的圖7的實施例中，一部分第二半導(dǎo)體層210和鍵合層208已經(jīng)被移除，暴露出在區(qū)域207中的下部第一半導(dǎo)體層206的一部分并留下在區(qū)域209中的一部分第二半導(dǎo)體層210和鍵合層208。因此，在一個實施例中，用于圖7的實施例的處理可以以與上面參考圖1-4所描述的方式相同或相似的方式進行。因此，也將上面關(guān)于襯底12、埋入絕緣層14、第一半導(dǎo)體層16、鍵合層18、第二半導(dǎo)體層20和STI28、30、34和36所提供的描述和實例分別用于襯底202、埋入絕緣層204、第一半導(dǎo)體層206、鍵合層208、第二半導(dǎo)體層210和STI212。而且，注意，可將常規(guī)圖形化和蝕刻用于移除部分第二半導(dǎo)體層210和鍵合層208以暴露處在區(qū)域207中的部分第一半導(dǎo)體層206。
圖8示出了在第一半導(dǎo)體層206上方形成第三半導(dǎo)體層214(或者半導(dǎo)體區(qū)域214)之后圖7的半導(dǎo)體器件200的截面圖。在一個實施例中，將第三半導(dǎo)體層214選擇性外延生長在第一半導(dǎo)體層206上。在一個實施例中，由于將第三半導(dǎo)體層214外延生長在第一半導(dǎo)體層206上，因此，根據(jù)用于形成第三半導(dǎo)體層214的材料，其可鏡像出下部第一半導(dǎo)體層206的特性。因此，在一個實施例中，認為第三半導(dǎo)體層214是第一半導(dǎo)體層206的延伸。外延生長的第三半導(dǎo)體層214的材料取決于第一半導(dǎo)體層206。即，可將任一種相容的材料(如，硅、硅鍺或者鍺)生長在第一半導(dǎo)體層206上。注意，對于層206和214選擇不同材料的能力可允許進一步修整層214的應(yīng)變和傳導(dǎo)特性。
注意，在區(qū)域207中，與區(qū)域209中的SOI區(qū)域的有源半導(dǎo)體層(對應(yīng)于層210)相比，形成具有較厚有源半導(dǎo)體層(對應(yīng)于層206和214的組合厚度)的SOI區(qū)域。以這種方式，除了材料組成、晶面、相對于MOSFET溝道的取向以及應(yīng)變之外，隨后形成的晶體管的傳導(dǎo)特性也可基于有源半導(dǎo)體層的厚度。還要注意，可生長第三半導(dǎo)體層214，以基本與第二半導(dǎo)體層210共面。在一個實施例中，在形成第三半導(dǎo)體層214之后，進行另外的平坦化以實現(xiàn)基本共面。而且，如上面參考圖15和17所描述的，可在區(qū)域207和209中的每一個中形成不同類型的器件，其中不同類型的晶體管可單獨優(yōu)化，而仍保持SOI隔離的益處。
圖9示出了在形成晶體管216和218之后圖8的半導(dǎo)體器件200的截面圖。使用第三半導(dǎo)體層214(當(dāng)外延生長時，還有第一半導(dǎo)體層206)在區(qū)域207中形成晶體管216，且使用第二半導(dǎo)體層210在區(qū)域209中形成晶體管209。因此，在一個實施例中，晶體管216是NMOS晶體管，晶體管218是PMOS晶體管，反之亦然，這取決于層206、214和210的材料。在一個實施例中，每個區(qū)域都包括主要一種類型的器件；然而，即使折衷了不同類型的這些晶體管的性能，但是，如所需要地，這些區(qū)域中的每一個還都包括一種或多個不同類型的晶體管。注意，可將常規(guī)材料和處理用于形成晶體管216和218。
因此，應(yīng)理解，怎樣使用不同半導(dǎo)體層的效用以分別優(yōu)化N和P溝道晶體管的載流子遷移率。而且，可優(yōu)化載流子遷移率，同時仍保持SOI技術(shù)的益處。在一個實施例中，將孔形成于一個半導(dǎo)體層中以暴露出部分下部半導(dǎo)體層。在一個實施例中，使用(例如，在其中或之上)在孔中暴露的半導(dǎo)體層形成主要為一種類型的器件，同時使用(例如，在其中或之上)下部半導(dǎo)體層的剩余部分形成主要為另一種類型的器件。在一個實施例中，在形成器件之前將半導(dǎo)體區(qū)生長在孔內(nèi)，以使在孔內(nèi)部的半導(dǎo)體區(qū)域基本上與上部半導(dǎo)體層的剩余部分共面。因此，可使用一個半導(dǎo)體層以實現(xiàn)一種類型器件的改善的載流子遷移率，同時使用另一半導(dǎo)體層以實現(xiàn)另一種類型器件的改善的載流子遷移率。盡管已經(jīng)參考兩種不同的半導(dǎo)體層描述了上述實施例，但是在替代實施例中，可使用任一數(shù)量的半導(dǎo)體層，其中每一個都會導(dǎo)致不同的傳導(dǎo)特性，且其中這些半導(dǎo)體層中的每一個都對應(yīng)于SOI區(qū)域的有源半導(dǎo)體層。
本發(fā)明的一個實施例涉及到具有其中一個在另一個上方的第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。第一半導(dǎo)體層具有晶面、材料組成和應(yīng)變，且第二半導(dǎo)體層具有晶面、材料組成和應(yīng)變。半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)包括在相對于第一半導(dǎo)體層的晶體結(jié)構(gòu)具有一取向的第一半導(dǎo)體層中或上的第一導(dǎo)電類型的第一晶體管、和在相對于第一半導(dǎo)體層的晶體結(jié)構(gòu)具有一取向的第二半導(dǎo)體層中或上的第二導(dǎo)電類型的第二晶體管。第一和第二晶體管具有通過材料組成、晶面、取向和應(yīng)變的組合限定的傳導(dǎo)特性。第一晶體管的傳導(dǎo)特性不同于第二晶體管的傳導(dǎo)特性。第一晶體管的傳導(dǎo)特性比第二晶體管的傳導(dǎo)特性更利于第一導(dǎo)電類型的晶體管的載流子遷移率，且第二晶體管的傳導(dǎo)特性比第一晶體管的傳導(dǎo)特性更利于第二導(dǎo)電類型的晶體管的載流子遷移率。
另一實施例涉及到具有其中一個在另一個上方的第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，在第一半導(dǎo)體層中和上的第一導(dǎo)電類型的第一晶體管具有一傳導(dǎo)特性，在第二半導(dǎo)體層中和上的第二導(dǎo)電類型的第二晶體管具有第二傳導(dǎo)特性。第一晶體管的傳導(dǎo)特性對于第一導(dǎo)電類型的晶體管的載流子遷移率比對于第二導(dǎo)電類型的晶體管的更好。
在再一實施例中，一種方法，包括提供第一半導(dǎo)體層、在第一半導(dǎo)體層上方形成第二半導(dǎo)體層、在具有一傳導(dǎo)特性的第一半導(dǎo)體層中和上形成第一導(dǎo)電類型的第一晶體管、和在具有第二傳導(dǎo)特性的第二半導(dǎo)體層中和上形成第二導(dǎo)電類型的第二晶體管。第一晶體管的傳導(dǎo)特性對于第一導(dǎo)電類型的晶體管的載流子遷移率比對于第二導(dǎo)電類型的晶體管的更好。
在另一實施例中，一種方法，包括提供第一絕緣層、在第一絕緣層上方形成第一半導(dǎo)體層、在第一半導(dǎo)體層上方形成第二絕緣層、在第二絕緣層上方形成第二半導(dǎo)體層、穿過第二半導(dǎo)體層選擇性蝕刻以在第二半導(dǎo)體層中形成孔、在第二半導(dǎo)體層中的孔中外延生長半導(dǎo)體區(qū)域、在半導(dǎo)體區(qū)域中和上形成第一導(dǎo)電類型的第一晶體管、和在第二半導(dǎo)體層中和上形成第二導(dǎo)電類型的第二晶體管。
盡管已經(jīng)參考具體導(dǎo)電類型或電勢的極性描述了本發(fā)明，但是熟練的技術(shù)人員應(yīng)理解，可反向?qū)щ婎愋秃碗妱輼O性。
在前述的說明中，已經(jīng)參考具體實施例描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可作出各種修改和變化而不超出如以下的權(quán)利要求中列出的本發(fā)明的范圍。因此，認為說明和附圖是說明性的而不是限制性的，且所有這種修改都意指包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
上面已經(jīng)關(guān)于具體實施例描述了益處、其它優(yōu)點和問題的解決方案。然而，益處、優(yōu)點、問題的解決方案以及會導(dǎo)致將發(fā)生或變得更加明顯的任何益處、優(yōu)點或解決方案的任意元件都不解釋為任意或所有權(quán)利要求的決定性的、需要的或?qū)嵸|(zhì)的部件或元件。如在此所使用的，術(shù)語“包括”或其任意其它變形都意指覆蓋非排他性的包括，以使得工藝、方法、項或包括了元件列表的裝置不僅僅包括這些元件，而是還包括沒有明確列出或這種工藝、方法、項或裝置所固有的其他元件。術(shù)語“一個”，如這里所使用的，限定為一個或多于一個。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，包括其中一個在另一個上方的第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層，其中第一半導(dǎo)體層具有晶面、材料組成和應(yīng)變，第二半導(dǎo)體層具有晶面、材料組成和應(yīng)變；在具有相對于第一半導(dǎo)體層的晶體結(jié)構(gòu)的取向的第一半導(dǎo)體層中和上的第一導(dǎo)電類型的第一晶體管；和在具有相對于第一半導(dǎo)體層的晶體結(jié)構(gòu)的取向的第二半導(dǎo)體層中和上的第二導(dǎo)電類型的第二晶體管；其中第一和第二晶體管具有由材料組成、晶面、取向和應(yīng)變限定的傳導(dǎo)特性；第一晶體管的傳導(dǎo)特性不同于第二晶體管的傳導(dǎo)特性；第一晶體管的傳導(dǎo)特性對于第一導(dǎo)電類型的晶體管的載流子遷移率比第二導(dǎo)電類型的傳導(dǎo)特性更好；和第二晶體管的傳導(dǎo)特性對于第二導(dǎo)電類型的晶體管的載流子遷移率比第一晶體管的傳導(dǎo)特性更好。
2.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，還包括第一絕緣層，其中第一和第二半導(dǎo)體層在該絕緣層上方。
3.如權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，還包括在第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層之間提供第二絕緣層。
4.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，其中第一導(dǎo)電類型是N溝道；第二導(dǎo)電類型是P溝道；第一半導(dǎo)體層的材料組成包括硅；和第二半導(dǎo)體層的材料組成包括或硅或硅鍺中的一種。
5.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，還包括第一絕緣層，其中第一和第二半導(dǎo)體層在該絕緣層上方；和第二絕緣層，在第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層之間；其中，第一導(dǎo)電類型是N型；第二導(dǎo)電類型是P型；第一晶體管的應(yīng)變是拉伸的；第二晶體管的應(yīng)變是壓縮的；第二半導(dǎo)體層的晶面是(100)；第二晶體管的取向是<100>；第一半導(dǎo)體層的材料組成包括硅；和第二半導(dǎo)體層的材料組成包括硅或硅鍺中的一種。
6.一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，包括其中一個在另一個上方的第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層；在第一半導(dǎo)體層中和上的具有傳導(dǎo)特性的第一導(dǎo)電類型的第一晶體管；和在第二半導(dǎo)體層中和上的具有第二傳導(dǎo)特性的第二導(dǎo)電類型的第二晶體管；其中第一晶體管的傳導(dǎo)特性對于第一導(dǎo)電類型的晶體管的載流子遷移率比對于第二導(dǎo)電類型的晶體管更有利。
7.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，其中第一晶體管是N型的，且其中第一晶體管的傳導(dǎo)特性特征在于應(yīng)變是拉伸的；晶面是(100)；和第一半導(dǎo)體層的材料組成是硅。
8.一種方法，包括提供第一半導(dǎo)體層；在第一半導(dǎo)體層上方形成第二半導(dǎo)體層；在第一半導(dǎo)體層中和上形成具有傳導(dǎo)特性的第一導(dǎo)電類型的第一晶體管；和在第二半導(dǎo)體層中和上形成具有第二傳導(dǎo)特性的第二導(dǎo)電類型的第二晶體管；其中第一晶體管的傳導(dǎo)特性對于第一導(dǎo)電類型的晶體管的載流子遷移率比第二導(dǎo)電類型的晶體管更有利。
9.如權(quán)利要求8的方法，還包括移除部分第二半導(dǎo)體層以暴露部分第一半導(dǎo)體層，其中，在第一半導(dǎo)體層的暴露部分中形成第一晶體管；提供第一絕緣層，其中第一和第二半導(dǎo)體層在該絕緣層上方；在第一和第二晶體管上方形成互連第一和第二晶體管的互連層；在互連層和第一半導(dǎo)體層之間形成通路，用于提供對至少一個第二晶體管的偏置；和在形成第一和第二晶體管之后且在形成互連層之前形成第三絕緣層。
10.如權(quán)利要求9的方法，其中第一導(dǎo)電類型是N型；第二導(dǎo)電類型是P型；和其中第一晶體管的傳導(dǎo)特性特征在于第一半導(dǎo)體層的晶面是(100)；應(yīng)變是拉伸的；和第一半導(dǎo)體層的材料組成是硅；和其中第二晶體管的傳導(dǎo)特性的特征在于應(yīng)變是壓縮的；第二半導(dǎo)體層的晶面是(100)；第二晶體管的取向是<100>；和第二半導(dǎo)體層的材料組成是硅或硅鍺中的一種。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)(10)，其使用兩個半導(dǎo)體層(16&20)以分別優(yōu)化N和P溝道晶體管載流子遷移率。用于確定此點的傳導(dǎo)特性是半導(dǎo)體材料類型、晶面、取向以及應(yīng)變的組合。當(dāng)傳導(dǎo)特性特征在于半導(dǎo)體材料為硅鍺、應(yīng)變?yōu)閴嚎s、晶面是(100)且取向為< 100>時，改善了P溝道晶體管(38)中的空穴遷移率。在替代方案中，晶面是(111)，且在這種情況下，取向不重要。對于N型傳導(dǎo)的優(yōu)選襯底不同于對于P型傳導(dǎo)的優(yōu)選(或者最佳)襯底。N溝道晶體管(40)優(yōu)選具有拉伸應(yīng)變，硅半導(dǎo)體材料和(100)面。采用獨立的半導(dǎo)體層(16&20)，對于載流子遷移率可優(yōu)化N和P溝道晶體管(38&40)。
文檔編號H01L31/0376GK1973374SQ200580018811
公開日2007年5月30日 申請日期2005年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月10日
發(fā)明者蘇萊施·溫卡特森, 馬克·C.·福伊希, 邁克爾·A.·門迪奇諾, 馬瑞斯·K.·奧羅斯基 申請人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司