半導(dǎo)體器件及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體器件，包括襯底、襯底上的柵極堆疊結(jié)構(gòu)、柵極堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)襯底中的源漏區(qū)、襯底中源漏區(qū)之間的溝道區(qū)，其特征在于：源漏區(qū)中至少一個(gè)包括GeSn合金。依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件及其制造方法，通過注入前驅(qū)物然后激光快速退火，形成了高Sn含量的GeSn應(yīng)力源漏區(qū)，有效提高了溝道區(qū)器件載流子遷移率并進(jìn)一步提高了器件驅(qū)動(dòng)能力。
【專利說明】半導(dǎo)體器件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造領(lǐng)域，更具體地，涉及一種具有GeSn應(yīng)力源漏區(qū)的MOSFET及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路工藝持續(xù)發(fā)展，特別是器件尺寸不斷等比例縮減，器件的各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)例如閾值電壓等也隨之減小，功耗減小、集成度提高這些優(yōu)點(diǎn)促進(jìn)了器件整體性能提高。然而與此同時(shí)，器件的驅(qū)動(dòng)能力卻受制于傳統(tǒng)的硅材料工藝的限制，載流子遷移率較低，面臨了器件驅(qū)動(dòng)能力相比而言不足的問題。因此，高遷移率溝道器件在未來具有重要應(yīng)用背景。
[0003]現(xiàn)有的高遷移率溝道器件通常是采用SihGex或SihCx來作為應(yīng)力源漏區(qū)向Si的溝道區(qū)施加應(yīng)力，或者直接采用這些材料作為襯底和溝道區(qū)。在SihGex中引入壓應(yīng)變能夠進(jìn)一步提高空穴的遷移率，相應(yīng)地在在SihCx中引入張應(yīng)變能夠進(jìn)一步提高電子的遷移率。然而，這兩種材料晶格常數(shù)與Si差別仍不夠大，能夠提供的應(yīng)變有限，難以應(yīng)用在需要更高驅(qū)動(dòng)能力的器件中。
[0004]一種可選的替代材料是GeSn合金，該薄膜具有很高的載流子遷移率，并且可以通過調(diào)節(jié)Sn的含量調(diào)節(jié)合金的能帶結(jié)構(gòu)，因此廣泛應(yīng)用于先進(jìn)的CMOS器件和光電子器件中。
[0005]然而傳統(tǒng)的GeSn合金需要用分子束外延或者CVD，目前仍不成熟或者與CMOS不兼容。此外，由于Sn在Ge中的平衡固溶度非常的低，因此用常規(guī)的方法很難得到Sn的含量大于 I % 的 Ge1^SnxO
[0006]此外，其他高遷移率材料，諸如GaAs、InSb等也存在類似問題，難以與Si基的CMOS
工藝兼容。`

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有GeSn應(yīng)力源漏區(qū)的MOSFET及其制造方法，克服上述傳統(tǒng)工藝的缺陷，有效提高器件溝道區(qū)載流子遷移率。
[0008]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，是通過提供一種半導(dǎo)體器件，包括襯底、襯底上的柵極堆疊結(jié)構(gòu)、柵極堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)襯底中的源漏區(qū)、襯底中源漏區(qū)之間的溝道區(qū)，其特征在于:源漏區(qū)中至少一個(gè)包括GeSn合金。
[0009]其中，溝道區(qū)包括Si和/或SiGe。
[0010]其中，GeSn合金中Sn含量大于O并且小于30%。
[0011]其中，源漏區(qū)上還包括材質(zhì)相同的提升源漏區(qū)。
[0012]其中，源漏區(qū)上還包括金屬化源漏接觸層。
[0013]本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括:在襯底上形成柵極堆疊結(jié)構(gòu)；在柵極堆疊結(jié)構(gòu)至少一側(cè)的襯底中注入前驅(qū)物；激光快速退火，使得前驅(qū)物反應(yīng)形成GeSn合金，構(gòu)成源漏區(qū)。[0014]其中，GeSn合金中Sn含量大于O并且小于30%。
[0015]其中，注入前驅(qū)物的步驟進(jìn)一步包括:執(zhí)行非晶化離子注入，在襯底中形成非晶化區(qū)；在非晶化區(qū)中注入Sn。
[0016]其中，非晶化離子注入的離子包括Ge、B、Ga、In及其組合。
[0017]其中，Sn的注入劑量為5 X IO15?IXlO1W20
[0018]其中，在注入前驅(qū)物之后、在激光快速退火之前，在前驅(qū)物上形成保護(hù)層。
[0019]其中，在激光快速退火工藝中，激光處理的脈沖個(gè)數(shù)為I?100，能量密度為100mJ/cm2?lj/cm2,激光波長(zhǎng)為157nm?10.6 μ m,脈沖時(shí)間寬度為Ins?10 μ S。
[0020]依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件及其制造方法，通過注入前驅(qū)物然后激光快速退火，形成了高Sn含量的GeSn應(yīng)力源漏區(qū)，有效提高了溝道區(qū)器件載流子遷移率并進(jìn)一步提高了器件驅(qū)動(dòng)能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]以下參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:
[0022]圖1至圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法各步驟的剖面示意圖；
[0023]以及圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下參照附圖并結(jié)合示意性的實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果。需要指出的是，類似的附圖標(biāo)記表示類似的結(jié)構(gòu)，本申請(qǐng)中所用的術(shù)語“第一”、“第二”、“上”、“下”、“厚”、“薄”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾器件結(jié)構(gòu)的空間、次序或?qū)蛹?jí)關(guān)系。
[0025]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，參照?qǐng)D1至圖3，形成了具有GeSn應(yīng)力源漏區(qū)的常規(guī)MOSFET器件結(jié)構(gòu)。
[0026]首先參照?qǐng)D1，在襯底I上形成柵極堆疊結(jié)構(gòu)2和柵極側(cè)墻3。
[0027]提供襯底1，其可以是體3丨、501、體66、6601、5丨66、66513，也可以是II1-V族或者I1-VI族化合物半導(dǎo)體襯底，例如GaAs、GaN、InP、InSb等等。此外，也可以是玻璃、塑料、樹脂等透明基板。為了與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容以應(yīng)用于大規(guī)模數(shù)字集成電路制造，襯底I優(yōu)選地為體Si (單晶娃晶片)、SOI晶片。
[0028]在襯底I中先刻蝕形成淺溝槽，然后采用快速熱氧化(RTO)、LPCVD、PECVD、HDPCVD等常規(guī)方法，在淺溝槽中沉積填充氧化物(例如氧化硅)從而形成淺溝槽隔離(STI)IAt5STIIA包圍的襯底區(qū)域即構(gòu)成器件的有源區(qū)。
[0029]優(yōu)選地，在STI IA包圍的有源區(qū)內(nèi)形成埋層(未示出)，埋層用于增強(qiáng)源漏區(qū)向溝道區(qū)施加的應(yīng)力或者增強(qiáng)溝道區(qū)自身的應(yīng)力，從而進(jìn)一步提高載流子遷移率。埋層材質(zhì)是晶格常數(shù)介于襯底Si與稍后的源漏區(qū)GeSn之間的材料，例如是SiGe。形成埋層的方法可以是可選地在襯底I上沉積緩沖層、在襯底/緩沖層上外延生長(zhǎng)SiGe埋層、以及可選地在埋層上再外延生長(zhǎng)Si或者Ge頂層。此外，形成埋層的方法還可以是將Ge離子注入到Si襯底中一定深度，隨后退火使得注入的摻雜離子與襯底反應(yīng)形成SiGe埋層。埋層與襯底I表面的距離也即埋層深度，依照溝道區(qū)應(yīng)力分布需要而通過控制外延或者注入工藝參數(shù)而設(shè)定，埋層深度例如是10~30nm。
[0030]通過LPCVD、PECVD, HDPCVD, MOCVD, MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等常規(guī)方法，在襯底I上
依次沉積柵極絕緣層2A、柵極導(dǎo)電層2B，并隨后刻蝕形成柵極堆疊結(jié)構(gòu)2A/2B。在前柵工藝中，柵極堆疊結(jié)構(gòu)將一直保留，柵極絕緣層2A是高k材料，包括但不限于氮化物(例如SiN、AIN、TiN)、金屬氧化物(主要為副族和鑭系金屬元素氧化物，例如A1203、Ta2O5, TiO2, ZnO、ZrO2、HfO2、CeO2、Y2O3、La2O3)、鈣鈦礦相氧化物(例如 PbZrxTi1^xO3 (PZT) ,BaxSr1^xTiO3(BST))；柵極導(dǎo)電層2B是金屬和/或金屬氮化物，其中金屬包括Al、T1、Cu、Mo、W、Ta，金屬氮化物包括TiN、TaN。在后柵工藝中，此時(shí)的柵極堆疊結(jié)構(gòu)是假柵極堆疊結(jié)構(gòu)，在后續(xù)工藝中將去除，柵極絕緣層2A包括氧化硅、氮氧化硅，柵極導(dǎo)電層2B是多晶硅、非晶硅。層2A厚度例如是I~5nm，層2B厚度例如是10~lOOnm。
[0031]在襯底I以及柵極堆疊結(jié)構(gòu)2A/2B上通過PECVD、HDPCVD等常規(guī)方法沉積氮化硅、氮氧化娃、類金剛石無定形碳(DLC)等介質(zhì)材料并刻蝕形成柵極側(cè)墻3。
[0032]接著，參照?qǐng)D2，執(zhí)行摻雜注入，以柵極側(cè)墻3為掩模，在柵極側(cè)墻3至少一側(cè)的襯底I中注入前驅(qū)物，形成前驅(qū)物的摻雜區(qū)1B。
[0033]首先執(zhí)行非晶化離子注入(PAI)。注入能量例如是10~200KeV，注入劑量例如是IX IO15~IX IO17CnT2。當(dāng)襯底I為Si時(shí)，注入離子是Ge。注入的Ge離子破壞了待形成源漏區(qū)的襯底I表面一定區(qū)域(例如距離表面10~20nm)內(nèi)的晶格，使其非晶化而構(gòu)成非晶化區(qū)(未示出)，以利于稍后進(jìn)一步離子注入、以及退火時(shí)反應(yīng)形成合金。
[0034]優(yōu)選地，非晶化離子注入之前和/或之后，進(jìn)一步在非晶化區(qū)中注入B、Ga、In等雜質(zhì)離子，以調(diào)整源漏區(qū)導(dǎo)電類型和濃度。
[0035]此外，當(dāng)襯底I為SiGe或者是含有SiGe埋層的Si時(shí)(也即襯底本身含有Ge)，非晶化注入離子是B、Ga、In等雜質(zhì)離子，在非晶化的同時(shí)也調(diào)整源漏區(qū)導(dǎo)電類型和濃度，因此不再額外地執(zhí)行上述調(diào)節(jié)源漏導(dǎo)電類型和濃度的雜質(zhì)注入。
[0036]非晶化離子注入之后，在非晶化區(qū)中注入Sn。注入能量例如是20~200KeV，注入劑量例如是5 X IO15~I X IO17CnT2并優(yōu)選I X IO16CnT2。至此，非晶化區(qū)中至少包含了 Ge和Sn兩種摻雜離子以用作前驅(qū)物，從而構(gòu)成了前驅(qū)物的摻雜區(qū)1B。
[0037]此外，也可以在注入Sn之后再注入B、Ga、In等雜質(zhì)離子。
[0038]優(yōu)選地，在前驅(qū)物摻雜區(qū)IB上形成保護(hù)層(未示出)。例如采用PECVD、LPCVD等方法并且降低沉積溫度從而形成低溫保護(hù)層，也即低溫沉積保護(hù)層，例如低溫氧化硅(LTO)，沉積溫度例如低于400°C以避免此時(shí)Ge與Sn提前反應(yīng)?；蛘咄ㄟ^旋涂、絲網(wǎng)印刷、噴涂等方法，采用PSG、BPSG等玻璃材料，甚至可以是光刻膠等樹脂材料來形成保護(hù)層，用于避免稍后的激光處理過度而損壞材料。自然，如果能良好調(diào)整激光處理參數(shù)，保護(hù)層也可以省略。
[0039]然后，參照?qǐng)D3，執(zhí)行激光快速退火，使得前驅(qū)物的摻雜區(qū)IB中Ge與Sn反應(yīng)形成GeSn,從而構(gòu)成GeSn的源漏區(qū)4。采用激光脈沖照射前驅(qū)物摻雜區(qū)1B，使得至少包含Ge與Sn這兩種前驅(qū)物的摻雜區(qū)IB表面快速升溫融化并且相互反應(yīng)，并且在冷卻的過程中以相同于襯底I和/或SiGe埋層的晶向結(jié)晶，最終形成Gei_xSnx合金，其晶格常數(shù)大于溝道材料的晶格常數(shù)，沿載流子輸運(yùn)方向引入壓應(yīng)變，提高載流子的遷移率。此外，GeSn合金也可以減小器件的源漏接觸電阻。激光處理的脈沖個(gè)數(shù)為ml (例如是I~100的整數(shù))，能量密度為fl (例如100mJ/cm2?lj/cm2),激光波長(zhǎng)為157nm?10.6 μ m,脈沖時(shí)間寬度為tl (例如Ins?10μ s)。調(diào)節(jié)上述激光脈沖參數(shù),可以控制合金層的厚度以及GehSnx合金中Sn的含量(原子數(shù)目比)。優(yōu)選地，0〈χ〈0.3。
[0040]值得注意的是，雖然圖1至圖3所示為在柵極堆疊結(jié)構(gòu)2兩側(cè)均形成了 Gei_xSnx合金的源漏區(qū)，但是實(shí)際上也可以僅在一側(cè)形成，而另一側(cè)則為普通的Si或者SiGe源漏區(qū)。
[0041]此后，參照?qǐng)D4，可以繼續(xù)采用現(xiàn)有的前柵或者后柵工藝，完成MOSFET制造。例如在GeSn源漏區(qū)上形成金屬硅化物或者金屬鍺化物的源漏金屬化接觸層5，以進(jìn)一步減小源漏接觸電阻。在整個(gè)器件上沉積低k材料的層間介質(zhì)層(ILD)6?？涛gILD6形成源漏接觸孔，直至暴露源漏金屬化接觸層5，在接觸孔中沉積W、Cu、Al、Mo等金屬以及TiN、TaN等金屬氮化物而形成源漏接觸塞7。值得注意的是，雖然圖4所示結(jié)構(gòu)中柵極堆疊結(jié)構(gòu)為前柵工藝中平行層疊的柵極絕緣層2A與柵極導(dǎo)電層2B，但是也可以適用于后柵工藝，也即柵極絕緣層2A在柵極溝槽中包圍柵極導(dǎo)電層2B的底面以及側(cè)面(圖4中未示出)。
[0042]由此，依照本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體器件包括襯底、襯底上的柵極堆疊結(jié)構(gòu)、柵極堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)襯底中的源漏區(qū)、襯底中源漏區(qū)之間的溝道區(qū)，其特征在于源漏區(qū)中至少一個(gè)包括GehSnx合金。此外,溝道區(qū)包括Si或者SiGe。
[0043]依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件及其制造方法，通過注入前驅(qū)物然后激光快速退火，形成了高Sn含量的GeSn應(yīng)力源漏區(qū)，有效提高了溝道區(qū)器件載流子遷移率并進(jìn)一步提高了器件驅(qū)動(dòng)能力。
[0044]盡管已參照一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例說明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對(duì)形成器件結(jié)構(gòu)的方法做出各種合適的改變和等價(jià)方式。此外，由所公開的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式而公開的特定實(shí)施例，而所公開的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件，包括襯底、襯底上的柵極堆疊結(jié)構(gòu)、柵極堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)襯底中的源漏區(qū)、襯底中源漏區(qū)之間的溝道區(qū)，其特征在于:源漏區(qū)中至少一個(gè)包括GeSn合金。
2.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，溝道區(qū)包括Si和/或SiGe。
3.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件,其中，GeSn合金中Sn含量大于O并且小于30%。
4.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，源漏區(qū)上還包括材質(zhì)相同的提升源漏區(qū)。
5.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，源漏區(qū)上還包括金屬化源漏接觸層。
6.一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括: 在襯底上形成柵極堆疊結(jié)構(gòu)； 在柵極堆疊結(jié)構(gòu)至少一側(cè)的襯底中注入前驅(qū)物； 激光快速退火，使得前驅(qū)物反應(yīng)形成GeSn合金，構(gòu)成源漏區(qū)。
7.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，GeSn合金中Sn含量大于O并且小于30%。
8.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，注入前驅(qū)物的步驟進(jìn)一步包括: 執(zhí)行非晶化離子注入，在襯底中形成非晶化區(qū)； 在非晶化區(qū)中注入Sn。
9.如權(quán)利要求8的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，非晶化離子注入的離子包括Ge、B、Ga、In及其組合。
10.如權(quán)利要求8的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，Sn的注入劑量為5X1015?IX IO17Cm 2O
11.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，在注入前驅(qū)物之后、在激光快速退火之前，在前驅(qū)物上形成保護(hù)層。
12.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，在激光快速退火工藝中，激光處理的脈沖個(gè)數(shù)為I?100，能量密度為lOOmJ/cm2?lj/cm2，激光波長(zhǎng)為157nm?10.6 μ m，脈沖時(shí)間寬度為Ins?10 μ S。
【文檔編號(hào)】H01L29/08GK103594495SQ201210293241
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月16日
【發(fā)明者】馬小龍, 殷華湘, 付作振 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子研究所