專利名稱：具應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層之半導(dǎo)體組件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明系關(guān)于一種具應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層之半導(dǎo)體組件，及系關(guān)于其制造方法，及特別是關(guān)于具完全耗盡區(qū)的活動區(qū)域之次-100納米場效晶體管。
背景技術(shù)：
當(dāng)半導(dǎo)體組件的發(fā)展持續(xù)，以改良集成密度之觀點甚至更小的特征尺寸為所欲的。然而，因為在半導(dǎo)體材料中有限的電荷載體移動性而達(dá)到某些限制。因為對在半導(dǎo)體晶體中電子及電洞的電荷載體移動性的上限系依據(jù)半導(dǎo)體晶體的物理性質(zhì)而定，在非常小半導(dǎo)體組件的特征尺寸之情況下，所需要電荷載體移動性無法被建立或是無法以足夠的準(zhǔn)確度被建立。而且，所知的是高-k柵極介電體(具高介電常數(shù)的介電體)，其亦需要增加的集成密度，引起減少的電荷載體移動性。
所以，所知的是具應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層之半導(dǎo)體組件(經(jīng)應(yīng)變導(dǎo)體)已被發(fā)展，此使得可改良在應(yīng)力吸收半導(dǎo)體晶體中的電荷載體移動性。
圖1顯示說明此作用的晶體的簡化說明，做為應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層SA的應(yīng)力吸收或機械負(fù)載Si層一般由在載體晶體上生長薄晶體層而形成，其晶格常數(shù)與已生長的硅晶體之晶格常數(shù)不同。SiGe晶體層一般用做一般稱的應(yīng)力產(chǎn)生層SG，在此情況下，可調(diào)整Ge含量及較佳為約略20％，此使得SiGe晶體SG的晶格常數(shù)為約略0.8％大于沉積于其上的Si層SA的晶格常數(shù)。這些不同的晶格常數(shù)產(chǎn)生(特別是對應(yīng)力吸收Si層SA)由箭頭表示的機械應(yīng)力，且結(jié)果為最終可因為在此層的壓阻效應(yīng)而建立更佳的電荷載體移動性。
為達(dá)到半導(dǎo)體電路中的經(jīng)改良絕緣性質(zhì)及因而減少的漏電流及減少的電容，習(xí)慣使用已知為SOI(絕緣體上晶硅)基材，但上文所敘述技術(shù)無法直接應(yīng)用于此本質(zhì)的SOI基材。
圖2顯示穿過絕緣層上硅鍺晶nMOSFET的簡化區(qū)段視圖，如所知，例如由文獻(xiàn)參考T.Tezuka等”具高移動性SiGe表面溝道的新穎完全耗盡區(qū)的絕緣層上硅鍺晶pMOSFETs”IEEE 2001已知。在此情況下，非晶形SiO2層200形成于Si載體基材100，產(chǎn)生典型的SOI基材，接著，應(yīng)力產(chǎn)生層SG形成于SiO2層200表面，在應(yīng)力產(chǎn)生層SG下方區(qū)域包括結(jié)晶性Si層且SiGe接著沉積于其上以產(chǎn)生機械應(yīng)力，接著，Si層生長于其上做為應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層SA，因為不同的晶格常數(shù)，其受到機械應(yīng)力及所以具增加的電荷載體移動性，最后，柵極氧化物層300及多晶硅層400形成做為控制層，形成源極及漏極區(qū)域S及D用于應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層SA(其形成溝道區(qū)域K)的連接。然而，使用具此種型式的應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層SA的習(xí)知半導(dǎo)體組件，不可能進(jìn)一步減少特征尺寸，特別是在次-100范圍，或是進(jìn)一步改良電性質(zhì)。
所以，本發(fā)明系基于提供一種具應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層之半導(dǎo)體組件及其制造方法，其甚至在次-100范圍亦具經(jīng)改良電性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，關(guān)于半導(dǎo)體組件，此目的可由根據(jù)權(quán)利要求1的特征達(dá)到，及關(guān)于制造方法，此目的可由根據(jù)權(quán)利要求8的方法達(dá)到。
特別是由使用在載體材料上形成的結(jié)晶性應(yīng)力產(chǎn)生層及于其上形成的絕緣應(yīng)力傳送層，所產(chǎn)生及傳送的應(yīng)力可在于其上形成的應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層吸收至某個程度使得一方面經(jīng)改良電荷載體移動性被建立及另一方面經(jīng)改良電性質(zhì)可在半導(dǎo)體組件達(dá)到。
較佳為應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層包括本征半導(dǎo)體，其厚度為小于1/3的溝道區(qū)域長度，產(chǎn)生具完全耗盡區(qū)半導(dǎo)體本體的半導(dǎo)體組件。除了經(jīng)改良電荷載體移動性，此亦以簡單結(jié)構(gòu)產(chǎn)生減少的截止電流。
較佳為該應(yīng)力傳送層具與應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層的第二晶格常數(shù)相配的晶格常數(shù)，此產(chǎn)生機械負(fù)載或應(yīng)力的優(yōu)秀傳送性質(zhì)。
而且，以此方式，此為第一次可能使用具高介電常數(shù)的柵極介電體及具金屬柵極的控制層于具應(yīng)力吸收層的半導(dǎo)體組件中，且結(jié)果為可減少柵極介電體的等效氧化層厚度(EOT)及可達(dá)到優(yōu)異的柵極驅(qū)動性質(zhì)。
為達(dá)到優(yōu)秀的激活表面，Si基材較佳為具(100)表面位向及沉積于其上的Si緩沖層以用做載體材料。
所以，為改良表面品質(zhì)，應(yīng)力產(chǎn)生層亦可藉由分子束外延方法平坦化，產(chǎn)生半導(dǎo)體組件的進(jìn)一步改良電性質(zhì)。
較佳為使用Si做為載體材料，使用SiGe做為應(yīng)力產(chǎn)生層，使用CaF2做為應(yīng)力傳送層，使用Si做為應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層，使用HfO2做為柵極介電體及使用TiN做為控制層，且結(jié)果為，使用標(biāo)準(zhǔn)材料，可得到特別簡單的結(jié)構(gòu)及優(yōu)秀的性質(zhì)，特別是關(guān)于截止電流、電荷載體移動性、等效氧化層厚度等。
本發(fā)明的進(jìn)一步有利結(jié)構(gòu)系特征化于附屬權(quán)利要求。


本發(fā)明以示例具體實施例為基礎(chǔ)及參考相關(guān)圖式詳細(xì)敘述于下，其中圖1顯示一種晶體的簡化說明，其顯示在應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層的顯著作用；圖2顯示穿過具應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層之習(xí)知半導(dǎo)體組件的簡化區(qū)段視圖；及圖3A及3B顯示簡化的區(qū)段視圖，其說明根據(jù)本發(fā)明具應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體組件的制造所涉及的重要方法步驟。
具體實施例方式
本發(fā)明藉由以nMOSFET做為具應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層之半導(dǎo)體組件為基礎(chǔ)于下文敘述，然而，其不限于此應(yīng)用及以相同方式亦包含pMOSFETs及具用于改良電荷載體移動性的目的之應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層的其它相對應(yīng)半導(dǎo)體組件。
首先，根據(jù)圖3A，提供載體材料1，其包括如硅半導(dǎo)體材料。然而，或者是，亦可使用任何其它結(jié)晶性及約略晶格相相配的載體材料(如藍(lán)寶石等)。
特別是為改良表面品質(zhì)，載體材料1可例如包括具(100)表面位向的半導(dǎo)體基材1A，在此情況下較佳為使用Si基材。為達(dá)到高品質(zhì)起始表面及將分界面狀態(tài)埋入在1B及1A之間的界面，根據(jù)圖3A，做為實例，半導(dǎo)體緩沖層1B可被外延沉積，在此情況下硅緩沖層較佳為藉由分子束外延方法(MBE)或MOCVD(有機金屬化學(xué)氣相沉積法)方法沉積。特別是當(dāng)使用MBE方法時，此處理步驟產(chǎn)生已被平坦化至一個原子層范圍的起始表面，在此情況下此緩沖層1B的厚度僅由加工速度(產(chǎn)出)及預(yù)先決定起始品質(zhì)決定。
做為如上述平坦化方法的替代方法，亦可進(jìn)行習(xí)知平坦化方法，如CMP(化學(xué)機械拋光)方法。
接著，結(jié)晶性應(yīng)力產(chǎn)生層SG系形成于載體材料1或是半導(dǎo)體緩沖層1B的平滑起始表面上。此應(yīng)力產(chǎn)生層SG的晶體結(jié)構(gòu)基本上具產(chǎn)生機械負(fù)荷于后續(xù)形成的應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層的目的之第一晶格常數(shù)。
做為實例，應(yīng)力產(chǎn)生層SG包括IV-IV半導(dǎo)體或III-V半導(dǎo)體，然而，其亦可包括多層序列及/或藉由分子束外延方法逐漸變化，其必然產(chǎn)生后續(xù)層的經(jīng)改良生長性質(zhì)。特別是當(dāng)Si層用做應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層SA時，較佳為使用Si1-xGex做為應(yīng)力產(chǎn)生層SG的半導(dǎo)體材料，Ge含量一般設(shè)定于自10至50％(x＝0.1-0.5)，此產(chǎn)生些微與載體材料不同及特別是與要后續(xù)形成的應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層SA不同的應(yīng)力產(chǎn)生層SG的晶格常數(shù)，該應(yīng)力產(chǎn)生層的晶格常數(shù)因為其錯誤相配而在其(最后)原子層偏差數(shù)個百分率(小于10％)。
當(dāng)進(jìn)行次-100納米半導(dǎo)體組件時，此應(yīng)力產(chǎn)生層SG以10至300納米的典型厚度形成，較佳為是使用MOCVD(有機金屬化學(xué)氣相沉積法)方法。以顯著較少厚度接著形成的每一個晶體層因此將其晶格常數(shù)朝向此頂部層。
盡管在習(xí)知方法應(yīng)力吸收層SA在此時直接在應(yīng)力產(chǎn)生層SG上形成，在根據(jù)本發(fā)明方法中，應(yīng)力傳送層2現(xiàn)在形成，其傳送已產(chǎn)生的機械負(fù)荷及亦具絕緣性質(zhì)。
因熱形成或沉積的絕緣體層(如氧化物層)具非晶形結(jié)構(gòu)，他們原則上不適合用做應(yīng)力傳送層。相反的，具預(yù)先決定晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶性絕緣體層能夠傳送在應(yīng)力產(chǎn)生層SG產(chǎn)生的此種本質(zhì)機械應(yīng)力至應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層SA。此種型式的已知結(jié)晶性絕緣體層之實例包括CdF2、CaF2及其類似物。
當(dāng)使用由硅組成的應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層，特別是CaF2具特別好的性質(zhì)，因為CaF2的晶格常數(shù)為非常良好的相配(例如非常類似)于硅的晶格常數(shù)(CaF2的晶格常數(shù)＝0.546納米，硅的晶格常數(shù)＝0.543納米于室溫)。而且，CaF2構(gòu)成所有現(xiàn)有材料中具最高能帶間隙(價電帶至導(dǎo)帶＝12電子伏特)的電絕緣體。因為此非常大的能帶間隙(12電子伏特)，當(dāng)使用CaF2時，足以在應(yīng)力產(chǎn)生層SG的表面形成僅少數(shù)的原子層。因此，較佳為約1至2納米厚的CaF2應(yīng)力傳送層2藉由如原子層沉積方法(ALCVD，原子層化學(xué)氣相沉積方法)或是MBE方法沉積做為埋入式絕緣體。
接著，實際應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層SA系形成于絕緣應(yīng)力傳送層2的表面，且硅半導(dǎo)體層較佳為形成做為半導(dǎo)體組件的有源區(qū)域，如溝道區(qū)域K。特別是當(dāng)產(chǎn)生次-100納米半導(dǎo)體組件時，在此情況下場效晶體管可具15納米的溝道長度，在此情況下具厚度d小于1/3的溝道長度L的本征半導(dǎo)體材料，如本征硅被沉積。因此，對溝道長度L＝15納米，約略d＝5納米的本征半導(dǎo)體材料藉由ALCVD或MOCVD或MBE方法沉積，產(chǎn)生具完全耗盡有源區(qū)域或半導(dǎo)體本體(完全耗盡區(qū)的本體)之半導(dǎo)體組件。
在此情況下，絕緣應(yīng)力傳送層2負(fù)責(zé)確保此應(yīng)力或應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層SA的可靠的及完全的耗盡，且結(jié)果為除了經(jīng)改良電荷載體移動性，亦可得到所有完全耗盡區(qū)的半導(dǎo)體組件之優(yōu)點。因為該應(yīng)力傳送層2亦僅包括少數(shù)原子層，及而且，在CaF2及Si在其晶格常數(shù)方面最適地相符的情況下，在應(yīng)力產(chǎn)生層SG產(chǎn)生的機械負(fù)荷或應(yīng)力實質(zhì)上沒有損失地傳送至應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層SA。
接著，根據(jù)圖3A，柵極介電體3及控制層4形成于應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層SA的表面，該柵極介電體3為如包含習(xí)知柵極介電體，如氮化硅、二氧化硅、ONO層序列或進(jìn)一步新的高-k介電體等，然而控制層4可以相同方式由習(xí)知柵極材料構(gòu)成，例如經(jīng)摻雜多晶硅或金屬。
然而，較佳為使用具高介電常數(shù)的柵極介電體或是已知為高-k介電體做為柵極介電體，在此情況下，較佳為再次藉由ALCVD或MOCVD方法以典型約3納米的厚度沉積HfO2、HfSixOy、HfSiNO等，因為這些材料，亦即柵極介電體的晶格常數(shù)之顯著不相配，及因為應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層SA的低沉積溫度，該沉積方法以非晶形型式發(fā)生。
關(guān)于柵極材料或控制層4，已知為中能隙材料沉積做為柵極材料，特別是當(dāng)主動半導(dǎo)體本體的完全耗盡為所欲時，此種本質(zhì)的材料有利地影響與柵極介電體3的高-k材料之交互作用，在如上所述的鉿柵極材料之情況下，較佳為使用金屬柵極，如TiN，做為控制層4。
最后，根據(jù)圖3B，圖案化控制層4及柵極介電體3且源極及漏極S及D皆形成于應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層SA以完成場效晶體管。形成間隔物、接觸孔洞、連接區(qū)域等所涉及的進(jìn)一步步驟與先前技藝相當(dāng)，及因此不于下文敘述。
以此方式，可特別以簡單及不昂貴方式制造具應(yīng)力或應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層及/或以完全耗盡操作的半導(dǎo)體層之半導(dǎo)體組件，且結(jié)果為特別是截止電流被減少及電荷載體移動性及因而半導(dǎo)體組件的時鐘率被改良。
以相同方式，減少等效氧化層厚度(EOT)為可能，特別是當(dāng)使用具高介電常數(shù)的柵極介電體，且結(jié)果為該驅(qū)動可被改良及特別是減少的電壓可被實現(xiàn)。
而且，絕緣應(yīng)力傳送層減少已知為穿過效應(yīng)及特別是能夠顯著地減少離線漏電流。然而，特別是相對應(yīng)層結(jié)構(gòu)現(xiàn)在亦提供用于次-100納米半導(dǎo)體組件，其使得在電性質(zhì)僅具些微差異及具足夠重制性的半導(dǎo)體組件可被制造。
本發(fā)明已以nMOSFET為基礎(chǔ)于上文敘述，然而，其不受限此特定應(yīng)用及以相同方式亦包括pMOSFETs或具應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層的其它半導(dǎo)體組件。而且，本發(fā)明系以由硅所組成的應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層及以CaF2所組成的應(yīng)力傳送層為基礎(chǔ)于上文敘述。然而，以相同方式亦可能使用替代材料以制造這些層。
權(quán)利要求
1.一種包括應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體組件，其具有載體材料(1)；形成于該載體材料(1)上及基本上具有第一晶格常數(shù)的結(jié)晶性應(yīng)力產(chǎn)生層(SG)，其用以產(chǎn)生機械應(yīng)力；形成于該應(yīng)力產(chǎn)生層(SG)上及用于傳送所產(chǎn)生機械應(yīng)力的絕緣應(yīng)力傳送層(2)；形成于該絕緣應(yīng)力傳送層(2)及具有與該第一晶格常數(shù)不同的第二晶格常數(shù)的結(jié)晶性、應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層(SA)，其用以吸收已產(chǎn)生且被傳送的機械應(yīng)力以及用以實現(xiàn)源極/漏極(S、D)及溝道區(qū)域(K)；至少形成于該溝道區(qū)域(K)的表面之柵極介電體(3)；及用以驅(qū)動該溝道區(qū)域(K)的控制層(4)，其形成于該柵極介電體(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體組件，其中該應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層(SA)的厚度(d)小于該溝道區(qū)域(K)的長度(L)的1/3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體組件，其中該應(yīng)力傳送層(2)形成一結(jié)晶性絕緣體層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體組件，其中該應(yīng)力傳送層(2)具與該應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層(SA)的第二晶格常數(shù)相配的晶格常數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述中其中一項的半導(dǎo)體組件，其中該應(yīng)力產(chǎn)生層(SG)為約10至300納米厚的SiGe層，該應(yīng)力傳送層(2)為約1至2納米厚的CaF2層，及該應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層(SA)為約5納米厚的Si層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中其中一項所述的半導(dǎo)體組件，其中該柵極介電體(3)具高介電常數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中其中一項所述的半導(dǎo)體組件，其中該控制層(4)包括金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中其中一項所述的半導(dǎo)體組件，其中該載體材料(1)包括具(100)表面位向的Si基材(1A)，及Si緩沖層(1B)，用以產(chǎn)生該應(yīng)力產(chǎn)生層(SG)的平坦起始表面。
9.一種制造具應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體組件所述的方法，其包括步驟a)形成載體材料(1)；b)于該載體材料(1)上形成基本上具第一晶格常數(shù)的結(jié)晶性應(yīng)力產(chǎn)生層(SG)以產(chǎn)生機械應(yīng)力；c)于該應(yīng)力產(chǎn)生層(SG)上形成絕緣應(yīng)力傳送層(2)以傳送已產(chǎn)生的機械應(yīng)力；d)為了吸收該機械應(yīng)力，于該應(yīng)力傳送層(2)上形成具第二晶格常數(shù)的結(jié)晶性、應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層(SA)，此第二晶格常數(shù)具與該第一晶格常數(shù)不同；e)于該應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層(SA)形成柵極介電體(3)；f)于該柵極介電體(3)上形成控制層(4)；g)圖樣化該柵極介電體(3)及該控制層(4)；及h)于該應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層(SA)中形成源極/漏極區(qū)域(S、D)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在步驟a)乃提供具(100)表面位向的一半導(dǎo)體基材(1A)，而一半導(dǎo)體緩沖層(1B)乃外延性地沉積于其上以產(chǎn)生平坦表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中在步驟b)中乃使用IV-IV或III-V半導(dǎo)體。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在步驟b)中乃形成做為應(yīng)力產(chǎn)生層(SG)的一多重層序列。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中其中一項所述的方法，其中在步驟b)中，該應(yīng)力產(chǎn)生層(SG)乃藉由分子束外延方法而平坦化。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中其中一項所述的方法，其中在步驟c)乃形成做為應(yīng)力傳送層(2)的結(jié)晶性絕緣體層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中在步驟c)乃形成具與該應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層(SA)的第二晶格常數(shù)相配的晶格常數(shù)的一應(yīng)力傳送層(2)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中在步驟c)中僅有該應(yīng)力傳送層的數(shù)個原子層外延地沉積于該應(yīng)力產(chǎn)生層(SG)。
17.根據(jù)權(quán)利要求9至16中其中一項所述的方法，其中在步驟d)乃使用一完全耗盡區(qū)半導(dǎo)體材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求9至17中其中一項所述的方法，其中在步驟e)乃使用具高介電常數(shù)的材料做作柵極介電體(3)。
19.根據(jù)權(quán)利要求9至18中其中一項所述的方法，其中在步驟f)乃使用金屬做為控制層(4)。
20.根據(jù)權(quán)利要求9至19中其中一項所述的方法，其中在步驟a)中，以Si做為載體材料(1)；在步驟b)中，以SiGe做為應(yīng)力產(chǎn)生層(SG)；在步驟c)中，以CaF2做為應(yīng)力傳送層(2)；在步驟d)中，以Si做為應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層(SA)；在步驟e)中，以HfO2做為柵極介電體(3)；及在步驟f)中，以TiN做為控制層(4)。
全文摘要
本發(fā)明乃涉及一種具應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層(SA)之半導(dǎo)體組件及其制造方法，產(chǎn)生機械應(yīng)力的一結(jié)晶性應(yīng)力產(chǎn)生層(SG)乃形成于載體材料(1)上。傳送已產(chǎn)生的機械應(yīng)力至應(yīng)力吸收半導(dǎo)體層(SA)的絕緣應(yīng)力傳送層(2)乃形成于該結(jié)晶性應(yīng)力產(chǎn)生層(SG)的表面，而其除了改良電荷載體移動性之外，亦得到經(jīng)改良的該半導(dǎo)體組件的電性質(zhì)。
文檔編號H01L21/314GK1669123SQ03816784
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月15日
發(fā)明者G·坦佩 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司