專利名稱：提高載流子遷移率的cmos器件的制作方法及器件結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路制造領(lǐng)域，特別是涉及一種提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法及器件結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體相關(guān)制造工藝不斷創(chuàng)新以及集成電路芯片按照比例尺寸不斷縮小的發(fā)展趨勢，不可避免的使得晶體管和其他元件運轉(zhuǎn)的恒定材料和物理效應(yīng)受到影響。進入40nm工藝之后，如何提高器件性能，在達到高開啟電流的同 時抑制關(guān)斷漏電成為了器件設(shè)計的一個核心問題。研究實施證明應(yīng)力工程在半導(dǎo)體工藝和器件的性能方面所起的作用越來越明顯，應(yīng)力工程廣泛適應(yīng)于改進晶體管載流子遷移率的半導(dǎo)體器件上，從而改善半導(dǎo)體器件性倉泛。載流子的遷移率所受到的應(yīng)力層影響在當(dāng)前的半導(dǎo)體器件的應(yīng)力領(lǐng)域已經(jīng)有所披露，即在形成晶體管溝道的摻雜半導(dǎo)體晶格中，拉應(yīng)力提高電子遷移率，降低空穴遷移率，而壓應(yīng)力提高空穴遷移率，降低電子遷移率。而與導(dǎo)致其發(fā)生物理效應(yīng)相關(guān)的理論對于其開發(fā)并不重要。現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出了大量的結(jié)構(gòu)和材料應(yīng)用于半導(dǎo)體材料中包含拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，例如在中國專利CN102110611A中，提供一種直接在NMOS的源極區(qū)、漏極區(qū)上方的接觸孔中形成具有拉應(yīng)力性質(zhì)的材料，例如鎢，從而對NMOS的溝道區(qū)施加拉應(yīng)力，而后選擇性的去除全部或部分柵極結(jié)構(gòu)層，從而對NMOS器件溝道區(qū)施加拉應(yīng)力的制作方法，但該制作工藝改變了原有器件形狀與性質(zhì)，對器件性能造成干擾，并且制造工藝復(fù)雜，不能有效降低工藝成本，而且不利于器件尺寸的持續(xù)縮小。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供一種新的半導(dǎo)體器件的制作方法，不會對器件形狀造成破壞而且避免了制作工藝對器件性能的干擾，并且制造工藝要求低，也有利于器件尺寸的持續(xù)縮小，同時提高了載流子遷移率從而改善器件性能。為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，提供一種提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，包括以下步驟提供包含NMOS有源區(qū)、PMOS有源區(qū)和周邊區(qū)域的襯底；在所述襯底的周邊區(qū)域形成多個淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)；刻蝕臨近所述NMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成拉應(yīng)力凹槽；在所述拉應(yīng)力凹槽內(nèi)填充拉應(yīng)力材料；刻蝕臨近所述PMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成壓應(yīng)力凹槽；以及在所述壓應(yīng)力凹槽內(nèi)填充壓應(yīng)力材料。可選地，在所述襯底的周邊區(qū)域形成多個淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的步驟包括在所述襯底上形成氧化層；在所述氧化層上形成第一硬掩膜層；在所述第一硬掩膜層上形成圖形化的光刻膠；以所述圖形化的光刻膠為掩膜刻蝕所述第一硬掩膜層和所述氧化層形成圖形化的第一硬掩膜層和圖形化的氧化層；以所述圖形化的第一硬掩膜層為掩膜，刻蝕所述襯底形成隔離溝槽；在所述隔離溝槽中以及圖形化的第一硬掩膜層上形成填充材料；可選地，在所述拉應(yīng)力凹槽內(nèi)填充拉應(yīng)力材料的步驟之后，還包括去除所述圖形
化的第一硬掩膜層?？蛇x地，去除所述圖形化的第一硬掩膜層后，在形成壓應(yīng)力凹槽之前，還包括在所述圖形化的氧化層、淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)和拉應(yīng)力材料上形成第二硬掩膜層；在所述第二掩 膜層上形成圖形化的光刻膠；以及以所述圖形化的光刻膠為掩膜刻蝕所述第二掩膜層形成圖形化的第二掩膜層。可選地，在所述壓應(yīng)力凹槽內(nèi)填充壓應(yīng)力材料的步驟之后，還包括去除所述圖形化的第二硬掩膜層和剩余的圖形化的氧化層。可選地，濕法刻蝕臨近所述NMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成拉應(yīng)力凹槽?？蛇x地，濕法刻蝕臨近所述PMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成壓應(yīng)力凹槽?？蛇x地，通過外延生長的方式在所述拉應(yīng)力凹槽內(nèi)填充拉應(yīng)力材料?？蛇x地，所述拉應(yīng)力材料為SiC。可選地，通過外延生長的方式在所述壓應(yīng)力凹槽內(nèi)填充壓應(yīng)力材料?？蛇x地，所述壓應(yīng)力材料為SiGe。可選地，所述第一硬掩膜層和第二硬掩膜層為氮化硅層?？蛇x地，本發(fā)明還包含一種采用上述方法制作的NMOS器件?？蛇x地，在所述壓應(yīng)力凹槽內(nèi)填充壓應(yīng)力材料的步驟之后，還包括進行離子注入工藝形成N型阱區(qū)；進行離子注入工藝形成P型阱區(qū)；在所述NMOS有源區(qū)和PMOS有源區(qū)上分別形成柵極結(jié)構(gòu)；以及在所述柵極結(jié)構(gòu)側(cè)壁形成柵極側(cè)墻。本發(fā)明還包含一種采用上述方法制作的CMOS器件如上所述，本發(fā)明通過一種提供包含NMOS有源區(qū)、PMOS有源區(qū)和周邊區(qū)域的襯底，在所述襯底的周邊區(qū)域形成多個淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，刻蝕臨近所述NMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成拉應(yīng)力凹槽，在所述拉應(yīng)力凹槽內(nèi)填充拉應(yīng)力材料，拉應(yīng)力通過臨近NMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)施加于NMOS器件溝道區(qū)；刻蝕臨近所述PMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成壓應(yīng)力凹槽，以及在所述壓應(yīng)力凹槽內(nèi)填充壓應(yīng)力材料，壓應(yīng)力通過臨近PMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)施加于PMOS溝道區(qū)。本發(fā)明方法不會對器件形狀造成破壞而且避免了制作工藝對器件性能的干擾，并且制造工藝要求低，也有利于器件尺寸的持續(xù)縮小，同時提高了載流子遷移率從而改善器件性能。


圖I至圖15為本發(fā)明實施例所提供的CMOS器件制作方法的各步驟相應(yīng)結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；圖16為本發(fā)明實施例所提供的CMOS器件制造方法的流程圖元件標(biāo)號說明襯底100
氧化層110圖形化的氧化層IlOa第一硬掩膜層120圖形化的硬掩膜層120a圖形化的光刻膠130填充材料140柵極結(jié)構(gòu)150、170柵極氧化層151、171多晶硅柵極152、172柵極側(cè)墻153、173源、漏區(qū)160、180隔離溝槽201/202/203/204淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)301/302/303/304拉應(yīng)力凹槽400拉應(yīng)力結(jié)構(gòu)500第二硬掩膜層600圖形化的第二硬掩膜層600a壓應(yīng)力結(jié)構(gòu)700壓應(yīng)力凹槽800
具體實施例方式本發(fā)明提供一種通過填充結(jié)構(gòu)應(yīng)力工程來改善對溝道區(qū)施加的應(yīng)力，從而提高載流子遷移率的方法，結(jié)合圖16，其為本發(fā)明實施例所提供的CMOS器件制造方法的流程圖，該方法包括以下步驟步驟SI，提供包含NMOS有源區(qū)、PMOS有源區(qū)和周邊區(qū)域的襯底；步驟S2，在所述襯底的周邊區(qū)域形成多個淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)；步驟S3，刻蝕臨近所述NMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成拉應(yīng)力凹槽；步驟S4,在所述拉應(yīng)力凹槽內(nèi)填充拉應(yīng)力材料；步驟S5，刻蝕臨近所述PMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成壓應(yīng)力凹槽；以及步驟S6，在所述壓應(yīng)力凹槽內(nèi)填充壓應(yīng)力材料。下面將結(jié)合剖面示意圖對本發(fā)明的該提高載流子遷移率的方法及其器件結(jié)構(gòu)進行更詳細的描述，其中表示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，應(yīng)該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以修改在此描述的本發(fā)明，而仍然實現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。 首先，執(zhí)行步驟SI，提供包含NMOS有源區(qū)、PMOS有源區(qū)和周邊區(qū)域的襯底100，所述襯底100包括但不限于硅、鍺、硅-鍺合金襯底等，本實施例中優(yōu)選硅襯底。接著，執(zhí)行步驟S2，在所述襯底100的周邊區(qū)域形成多個淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)，如圖I至圖5所示,具體采用如下步驟
如圖I所示，在所述襯底100上形成氧化層110，本實施例中采用熱氧化工藝形成氧化層110，所述氧化層110材料為二氧化硅，其結(jié)構(gòu)致密，可以在形成第一硬掩膜120時保護下層襯底100;然后，在所述氧化層110上形成第一硬掩膜層120，在本實施例中第一硬掩膜層120優(yōu)選地使用氮化硅材料。所述第一硬掩膜層120可以利用本領(lǐng)域公知的工藝來形成，例如采用但不限于化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝；之后，在所述第一硬掩膜層120上形成圖形化的光刻膠130 ；如圖2所示，以所述圖形化的光刻膠130為掩膜刻蝕所述第一硬掩膜層120和氧化層110形成圖形化的第一硬掩膜層120a和圖形化的氧化層110a，然后去除第一硬掩膜層120上的圖形化的光刻膠130，接著以所述圖形化的第一硬掩膜層120a為掩膜，干法刻蝕所述襯底100形成隔離溝槽，此處本實施例示列出四個隔離溝槽201、202、203、204，在實際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)不限于此可結(jié)合需求設(shè)置隔離溝槽的數(shù)目；如圖3所示，在所述隔離溝槽201、202、203、204中以及圖形化的第一硬掩膜層 120a上形成填充材料140，所述填充材料140 —般使用二氧化硅；如圖4所示，化學(xué)機械研磨(CMP)去除圖形化的第一硬掩膜層120a上的填充材料140，使得剩余的填充材料的表面與圖形化的第一硬掩膜層120a的表面齊平；如圖5所示，濕法刻蝕去除所述隔離溝槽上方的填充材料從而形成淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)，本實施例中示例出淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)301、302、303、304，在實際應(yīng)用中不限于此數(shù)量，可結(jié)合需求設(shè)置淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的數(shù)目；接著，執(zhí)行步驟S3，刻蝕臨近所述NMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)301、302之間的襯底以形成拉應(yīng)力凹槽400，如圖6至圖7所示，具體采用如下步驟如圖6所示，去除相鄰的淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)301、302之間的襯底100上方的圖形化的第一硬掩膜層120a和圖形化的氧化層110a，此處優(yōu)選采用濕法刻蝕工藝，一般選用磷酸腐蝕液來完成；如圖7所示，刻蝕相鄰的淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)301、302之間的襯底100以形成拉應(yīng)力凹槽400，此處優(yōu)選采用濕法刻蝕工藝，一般選用堿性溶液例如氫氧化銨來完成；接著，執(zhí)行步驟S4，在所述拉應(yīng)力凹槽400內(nèi)填充拉應(yīng)力材料形成拉應(yīng)力結(jié)構(gòu)500，如圖8所示，可通過外延生長的方式在所述拉應(yīng)力凹槽400內(nèi)填充拉應(yīng)力材料，本實施例中一般地采用氣相外延工藝方法在所述拉應(yīng)力結(jié)構(gòu)500內(nèi)填充拉應(yīng)力材料，所述拉應(yīng)力材料優(yōu)選碳化硅(SiC)材料；進一步的，如圖9所示，在所述拉應(yīng)力凹槽400內(nèi)填充拉應(yīng)力材料的步驟之后，移除剩余的圖形化的第一硬掩膜層120a。此外，去除所述圖形化的第一硬掩膜層120a后，在形成壓應(yīng)力凹槽700之前，還包括如圖10所示，在所述圖形化的氧化層110a、淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)300和拉應(yīng)力結(jié)構(gòu)500上形成第二硬掩膜層600 ;在所述第二掩膜層600上形成圖形化的光刻膠(圖中未示出)；然后，如圖11所示，以所述圖形化的光刻膠為掩膜刻蝕所述第二硬掩膜層600和淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)303、304之間的圖形化的氧化層110a，形成圖形化的第二掩膜層600a和剩余的圖形化的氧化層110a。然后，執(zhí)行步驟S5，刻蝕臨近所述PMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)303、304之間的襯底100以形成壓應(yīng)力凹槽700，如圖12所示。此處優(yōu)選采用濕法刻蝕工藝，一般選用堿性溶液例如氫氧化銨來完成；
之后，執(zhí)行步驟S6，在所述壓應(yīng)力凹槽700內(nèi)填充壓應(yīng)力材料形成壓應(yīng)力結(jié)構(gòu)800，如圖13所示，可通過氣相外延工藝方法在所述壓應(yīng)力結(jié)構(gòu)800內(nèi)填充壓應(yīng)力材料，所述壓應(yīng)力材料優(yōu)選鍺化硅(SiGe)。進一步的，如圖14所示，在所述壓應(yīng)力凹槽700內(nèi)填充壓應(yīng)力材料鍺化硅的步驟之后，去除所述圖形化的第二硬掩膜層600a與剩余的圖形化的氧化層110a。最后，如圖15所示，進行離子注入工藝形成N型阱區(qū)(圖中未示出)，進行離子注入工藝形成P型阱區(qū)(圖中未示出)，并在所述NMOS有源區(qū)上形成柵極結(jié)構(gòu)150，所述柵極結(jié)構(gòu)包括柵極氧化層151和多晶硅柵極152，并在所述柵極結(jié)構(gòu)150側(cè)壁形成柵極側(cè)墻153，然后離子注入形成NMOS源、漏區(qū)160 ;同樣地，在所述PMOS有源區(qū)上形成柵極結(jié)構(gòu)170，所述柵極結(jié)構(gòu)包括柵極氧化層171和多晶硅柵極172，并在所述柵極結(jié)構(gòu)170側(cè)壁形成柵極側(cè)墻173，然后離子注入形成源、漏區(qū)180。如圖13所示，拉應(yīng)力結(jié)構(gòu)500產(chǎn)生的拉應(yīng)力通過淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)301施加于NMOS器件溝道區(qū)，壓應(yīng)力結(jié)構(gòu)800產(chǎn)生的壓應(yīng)力通過淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)304施加于PMOS器件溝道區(qū)。由于碳化硅(SiC)或鍺化硅(SiGe)與硅(Si)晶格不一致，當(dāng)通過外延生長將原來的填充圖形由碳化硅(SiC)或鍺化硅(SiGe)替代時拉應(yīng)力或壓應(yīng)力隨之生成，·通過作用于淺溝槽(STI)隔離結(jié)構(gòu)施加于器件溝道區(qū)，從而提高載流子遷移率，進而改善器件性能。由本實施例列舉的制作工藝方法不會對器件形狀造成破壞而且避免了制作工藝對器件性能的干擾，并且制造工藝要求低，也有利于器件尺寸的持續(xù)縮小，同時提高了載流子遷移率從而改善器件性能。上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，其特征在于，包括 提供包含NMOS有源區(qū)、PMOS有源區(qū)和周邊區(qū)域的襯底； 在所述襯底的周邊區(qū)域中形成多個淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)； 刻蝕臨近所述NMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成拉應(yīng)力凹槽； 在所述拉應(yīng)力凹槽內(nèi)填充拉應(yīng)力材料； 刻蝕臨近所述PMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成壓應(yīng)力凹槽；以及 在所述壓應(yīng)力凹槽內(nèi)填充壓應(yīng)力材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，其特征在于在所述襯底的周邊區(qū)域形成多個淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的步驟包括 在所述襯底上形成氧化層； 在所述氧化層上形成第一硬掩膜層； 在所述第一硬掩膜層上形成圖形化的光刻膠； 以所述圖形化的光刻膠為掩膜刻蝕所述第一硬掩膜層和所述氧化層形成圖形化的第一硬掩膜層和圖形化的氧化層； 以所述圖形化的第一硬掩膜層為掩膜，刻蝕所述襯底形成隔離溝槽； 在所述隔離溝槽中以及圖形化的第一硬掩膜層上形成填充材料； 進行化學(xué)機械研磨工藝去除圖形化的第一硬掩膜層上的填充材料；以及 進行刻蝕工藝去除隔離溝槽上方的填充材料，以形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，其特征在于，在所述拉應(yīng)力凹槽內(nèi)填充拉應(yīng)力材料的步驟之后，還包括 去除剩余的圖形化的第一硬掩膜層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，其特征在于，去除所述圖形化的第一硬掩膜層后，在形成壓應(yīng)力凹槽之前，還包括 在所述圖形化的氧化層、淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)和拉應(yīng)力材料上形成第二硬掩膜層； 在所述第二掩膜層上形成圖形化的光刻膠；以及 以所述圖形化的光刻膠為掩膜刻蝕所述第二掩膜層形成圖形化的第二掩膜層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，其特征在于，在所述壓應(yīng)力凹槽內(nèi)填充壓應(yīng)力材料的步驟之后，還包括 去除所述圖形化的第二硬掩膜層和剩余的圖形化的氧化層。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，其特征在于濕法刻蝕臨近所述NMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成拉應(yīng)力凹槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，其特征在于濕法刻蝕臨近所述PMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成壓應(yīng)力凹槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，其特征在于通過外延生長的方式在所述拉應(yīng)力凹槽內(nèi)填充拉應(yīng)力材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，其特征在于所述拉應(yīng)力材料為Sic。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，其特征在于通過外延生長的方式在所述壓應(yīng)力凹槽內(nèi)填充壓應(yīng)力材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，其特征在于所述壓應(yīng)力材料為SiGe。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，其特征在于所述第一硬掩膜層和第二硬掩膜層為氮化硅層。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法，其特征在于，在所述壓應(yīng)力凹槽內(nèi)填充壓應(yīng)力材料的步驟之后，還包括 進行離子注入工藝形成N型阱區(qū)； 進行離子注入工藝形成P型阱區(qū)； 在所述NMOS有源區(qū)和PMOS有源區(qū)上分別形成柵極結(jié)構(gòu)；以及 在所述柵極結(jié)構(gòu)側(cè)壁形成柵極側(cè)墻。
14.一種采用權(quán)利要求1-13任意一項所述的制作方法制作的CMOS器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及集成電路制造領(lǐng)域，特別是涉及一種提高載流子遷移率的CMOS器件的制作方法及器件結(jié)構(gòu)，包括提供包含NMOS有源區(qū)、PMOS有源區(qū)和周邊區(qū)域的襯底；在所述襯底的周邊區(qū)域形成多個淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)；刻蝕臨近所述NMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成拉應(yīng)力凹槽；在所述拉應(yīng)力凹槽內(nèi)填充拉應(yīng)力材料；刻蝕臨近所述PMOS有源區(qū)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的襯底以形成壓應(yīng)力凹槽；以及在所述壓應(yīng)力凹槽內(nèi)填充壓應(yīng)力材料。本發(fā)明制作方法不會對器件形狀造成破壞而且避免了制作工藝對器件性能的干擾，并且制造工藝要求低，也有利于器件尺寸的持續(xù)縮小，同時提高了載流子遷移率從而改善器件性能。
文檔編號H01L21/8238GK102683286SQ201210169809
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者劉格致, 黃曉櫓 申請人:上海華力微電子有限公司