專利名稱：應(yīng)變補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例通常涉及場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及，更具體而言，涉及具有 降低的驅(qū)動(dòng)電流溫度敏感性的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的栽流子遷移率是溫度敏感的。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在n 型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(n-FET)溝道區(qū)域中的電子遷移率與溫度成反比。相似 地，還發(fā)現(xiàn)在p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(p-FET)溝道區(qū)域中的空穴的遷移率的 變化與溫度成反比。由于載流子遷移率直接影響驅(qū)動(dòng)電流，溫度敏感性對(duì) 電路設(shè)計(jì)提出了較高的要求。具體而言，溫度敏感性對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)提出 了較高的要求，因?yàn)槟M電路通常需要非常緊的容差。因此，在場(chǎng)效應(yīng)晶 體管領(lǐng)域內(nèi)需要通過配置以便最小化或消除驅(qū)動(dòng)電流溫度敏感性。發(fā)明內(nèi)容鑒于上述，這里公開了具有降低的驅(qū)動(dòng)電流溫度敏感性的場(chǎng)效應(yīng)晶體 管(FET)的實(shí)施例。具體而言，配置所述FET，以便通過相反的依賴應(yīng) 變的載流子遷移率變化同時(shí)抵消在溝道區(qū)域中的任何依賴溫度的載流子遷 移率變化，以保證驅(qū)動(dòng)電流在響應(yīng)溫度改變時(shí)保持近似恒定或至少在預(yù)定 的范圍內(nèi)。通過配置至少一個(gè)應(yīng)變結(jié)構(gòu)以在溝道區(qū)域上施加預(yù)先選擇的應(yīng) 變類型的依賴溫度的量，來提供相反的依賴應(yīng)變的栽流子遷移率變化。還 公開了形成所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相關(guān)方法的多個(gè)實(shí)施例。具體而言，這里公開了場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的多個(gè)實(shí)施例，其包括 一個(gè)或多個(gè)預(yù)先配置的應(yīng)變結(jié)構(gòu)用于在FET溝道區(qū)域上施加依賴溫度的 應(yīng)變。*沒計(jì)該依賴溫度的應(yīng)變以保證總的載流子遷移率，由此4吏驅(qū)動(dòng)電流與溫度無關(guān)并保持近似恒定。
可以在FET結(jié)構(gòu)內(nèi)的各種位置引入該應(yīng)變結(jié)構(gòu)。例如，應(yīng)變結(jié)構(gòu)可以 包括在溝道區(qū)域之上的應(yīng)變材料層、在溝道區(qū)域之下的應(yīng)變材料層、構(gòu)成 柵極電極的應(yīng)變材料、由應(yīng)變材料構(gòu)成的在溝道區(qū)域任一側(cè)的源^漏極區(qū) 域、和/或鄰近源極/漏極區(qū)域并使用應(yīng)變材料填充的淺溝槽隔離(STI)區(qū) 域。
當(dāng)預(yù)先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)以在依賴溫度的栽流子遷移率變化與依賴應(yīng)變的 載流子遷移率變化之間獲得希望的平衡時(shí)，除了結(jié)構(gòu)位置之外，還存在至 少四個(gè)其他因素需要考慮(1)相對(duì)于溝道區(qū)域半導(dǎo)體材料的溫度膨脹系 數(shù)((5Si)的應(yīng)變材料的溫度膨脹系數(shù)(TCE ) ( pM ) ; ( 2 )從應(yīng)變材料 到溝道的應(yīng)變傳遞的相對(duì)符號(hào)(即，施加在溝道區(qū)域上的應(yīng)變的類型，壓 縮或拉伸的)；(3 )響應(yīng)溫度變化的該應(yīng)變傳遞的量值(即，響應(yīng)溫度變 化而施加到溝道區(qū)域上的應(yīng)變的相對(duì)量值)；以及U)對(duì)于給定溝道應(yīng)變 的給定變化(Ms)的遷移率變化(即，響應(yīng)應(yīng)變變化，溝道區(qū)域中的載流 子遷移率變化的方向和相對(duì)量值)。
如果溝道中的應(yīng)變與應(yīng)變材料中的應(yīng)變的比率是(T])并且，如果應(yīng)
變材料中的應(yīng)變的水平是(SM)，那么溝道中的應(yīng)變(Sc)可以由Sc = TixSM 給出。為了獲得本發(fā)明的FET，選擇應(yīng)變結(jié)構(gòu)和材料，以便應(yīng)變變化所導(dǎo) 致的遷移率的變化(隨溫度的改變)非常近似等于溝道載流子隨溫度的本 征(非應(yīng)變的)遷移率的變化但符號(hào)相反。通過求解下列公式，可以得到 溝道區(qū)域中的依賴溫度的載流子遷移率變化與依賴應(yīng)變的載流子遷移率變 化之間的希望的平衡
麵/dT:dXT!X(pM -pSi) 其中dA/dT代表響應(yīng)溫度的溝道區(qū)域中的載流子遷移率變化，d代表響應(yīng) 溝道區(qū)域中的應(yīng)變變化的溝道區(qū)域中的載流子遷移率變化(即，每應(yīng)變變
化的遷移率變化)，Tl代表從應(yīng)變材料到所述溝道區(qū)域的應(yīng)變的傳遞比率，
PM代表應(yīng)變材料的熱膨脹系數(shù)(TCE) ， Psi代表溝道區(qū)域中的半導(dǎo)體材 料的熱膨脹系數(shù)(TCE)。換言之，由于任何結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)的量值依賴其成分和尺寸， 一旦 通過該公式確定了應(yīng)變結(jié)構(gòu)的需要的熱膨脹系數(shù)，那么就可以預(yù)先配置應(yīng) 變結(jié)構(gòu)。也就是，可以預(yù)先確定應(yīng)變結(jié)構(gòu)的尺寸、組成、位置等，以侵羞 本上滿足該一^式并且產(chǎn)生的遷移的凈變化小。例如，在第一實(shí)施例中，F(xiàn)ET可以包括nFET。可以預(yù)先配置該第一 實(shí)施例中的應(yīng)變結(jié)構(gòu)以具有預(yù)先選擇的應(yīng)變材料，該預(yù)先選擇的應(yīng)變材料 具有壓縮應(yīng)變和預(yù)先確定的熱膨脹系數(shù)，以便應(yīng)變材料施加在溝道區(qū)域上 的壓縮應(yīng)變的量與溫度變化成反比。在第二實(shí)施例中，F(xiàn)ET同樣包括 nFET。然而，在該第二實(shí)施例中，可以預(yù)先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)具有預(yù)先選擇的 應(yīng)變材料，所述預(yù)先選擇的應(yīng)變材料具有拉伸應(yīng)變和預(yù)先確定的熱膨脹系 數(shù)，以便應(yīng)變材料施加在溝道區(qū)域上的拉伸應(yīng)變與溫度變化成正比。在第 三實(shí)施例中，F(xiàn)ET包括pFET。可以預(yù)先配置在該第三實(shí)施例中的應(yīng)變結(jié) 構(gòu)具有預(yù)先選擇的應(yīng)變材料，所述預(yù)先選擇的應(yīng)變材料具有拉伸應(yīng)變和預(yù) 先設(shè)定的熱膨脹系數(shù)，以便應(yīng)變材料施加在溝道區(qū)域上的拉伸應(yīng)變與溫度 變化成反比。在第四實(shí)施例中，所述FET同樣包括pFET。然而，在該第 四實(shí)施例中，可以預(yù)先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)以具有預(yù)先選擇的應(yīng)變材料，該預(yù)先 選擇的應(yīng)變材料具有壓縮應(yīng)變和預(yù)先確定的熱膨脹系數(shù)，以便應(yīng)變材料施 加在溝道區(qū)域上的壓縮應(yīng)變與溫度變化成正比。還公開了形成上述晶體管的方法的多個(gè)實(shí)施例。具體而言，可以通過 使用常規(guī)處理技術(shù)，形成n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(nFET)或p型場(chǎng)效應(yīng)晶體 管。如上所述，在半導(dǎo)體溝道區(qū)域中的載流子的遷移率，無論nFET中的 電子或pFET中的空穴，均是溫度敏感和應(yīng)變敏感的。本方法實(shí)施例還包括鄰近FET的溝道區(qū)域預(yù)先配置和形成由應(yīng)變材 料構(gòu)成的至少一個(gè)應(yīng)變結(jié)構(gòu)用于在溝道區(qū)域上施加依賴溫度的應(yīng)變?？梢?在FET結(jié)構(gòu)內(nèi)相對(duì)于溝道區(qū)域的各種位置處形成這樣的應(yīng)變結(jié)構(gòu)，以便保 證溝道區(qū)域中的依賴溫度的載流子遷移率變化同時(shí)被溝道區(qū)域中的近似相 等并相反的依賴應(yīng)變的載流子遷移率變化同所抵消。例如，可以通過在溝道區(qū)域之上，具體而言，在&出FET結(jié)構(gòu)之上，形成應(yīng)變材料的上層(overlayer)，以形成應(yīng)變結(jié)構(gòu)。還可以通過在溝道 區(qū)域之下形成應(yīng)變材料的下層(underlayer)，以形成應(yīng)變結(jié)構(gòu)。可以通 過使用應(yīng)變材料代替源^l/漏極區(qū)域中的硅，形成應(yīng)變結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^形成 鄰近源極/漏極區(qū)域的應(yīng)變材料填充的淺溝槽隔離區(qū)域，來形成應(yīng)變結(jié)構(gòu)。 最后，可以通過使用應(yīng)變材料形成FET柵極電極，來形成應(yīng)變結(jié)構(gòu)。
此外，當(dāng)預(yù)先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)以在依賴溫度的載流子遷移率變化與依賴 應(yīng)變的載流子遷移率變化之間獲得希望的平衡時(shí)，除了應(yīng)變結(jié)構(gòu)位置之外， 還存在可以考慮的至少四個(gè)其他因素(1)相對(duì)于溝道區(qū)域半導(dǎo)體材料的 溫度膨脹系數(shù)(Psi)的應(yīng)變材料的溫度膨脹系數(shù)(TCE) (Pm) ; (2) 從應(yīng)變材料到溝道的應(yīng)變傳遞的相對(duì)符號(hào)(即，施加在所述溝道區(qū)域上的 應(yīng)變的類型，壓縮的或拉伸的)；(3)響應(yīng)溫度變化的該應(yīng)變傳遞的量值
(即，響應(yīng)溫度變化而施加到溝道區(qū)域上的應(yīng)變的相對(duì)量值)；以及U) 對(duì)于給定溝道應(yīng)變的給定變化(Ms)的遷移率變化(即，響應(yīng)應(yīng)變變化， 溝道區(qū)域中的載流子遷移率變化的方向和相對(duì)量值)。
如果溝道中的應(yīng)變與應(yīng)變材料中的應(yīng)變的比率是(il)并且，如果應(yīng) 變材料中的應(yīng)變的水平是(SM),那么溝道中的應(yīng)變(Sc)可以由Sc = tixSm 給出。為了獲得本發(fā)明的FET，選擇應(yīng)變結(jié)構(gòu)和材料，以便應(yīng)變變化導(dǎo)致 的遷移率的變化(隨溫度的改變)非常近似等于溝道載流子隨溫度的#
(非應(yīng)變的)遷移率的變化但符號(hào)相反。通過求解下列公式，可以得到依 賴溫度的載流子遷移率變化與依賴應(yīng)變的載流子遷移率變化之間的平衡
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其中d^/dT代表響應(yīng)溫度的溝道區(qū)域中的載流子遷移率變化，d代表響應(yīng) 溝道區(qū)域中的應(yīng)變變化的溝道區(qū)域中的載流子遷移率變化(即，每應(yīng)變變 化的遷移率變化)，i]代表從所述應(yīng)變材料到溝道區(qū)域的應(yīng)變的傳遞比率， PM代表應(yīng)變材料的熱膨脹系數(shù)(TCE) ， Psi代表溝道區(qū)域中的半導(dǎo)體材 料的熱膨脹系數(shù)(TCE)。
換言之，由于任何結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)的量值依賴其成分和尺寸， 一旦 通過該公式確定了應(yīng)變結(jié)構(gòu)的需要的熱膨脹系數(shù)，那么就可以預(yù)先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)。也就是，可以預(yù)先確定應(yīng)變結(jié)構(gòu)的尺寸、組成、位置等，以侵羞 本上滿足該一&式并且產(chǎn)生的遷移率的凈變化小。例如，在第一實(shí)施例中，所述方法可以包括形成nFET。在該第一實(shí)施 例中，預(yù)先設(shè)置應(yīng)變結(jié)構(gòu)的方法包括，預(yù)先選擇具有壓縮應(yīng)變的應(yīng)變材料 并且預(yù)先確定應(yīng)變材料的熱膨脹系數(shù)，以便通過應(yīng)變材料施加在溝道區(qū)域 上的壓縮應(yīng)變的量與溫度變化成反比。在第二實(shí)施例中，所述方法同樣可 以包括形成nFET。在該第二實(shí)施例中，然而，預(yù)先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)的方法， 包括預(yù)先選擇具有拉伸應(yīng)變的應(yīng)變材料并預(yù)先確定應(yīng)變材料的熱膨脹系 數(shù)，以便通過所述應(yīng)變材料施加在溝道區(qū)域上的拉伸應(yīng)變與溫度變化成正 比。在第三實(shí)施例中，所述方法包括形成pFET。在該第三實(shí)施例中，預(yù) 先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)的方法包括，預(yù)先選擇具有拉伸應(yīng)變的應(yīng)變材料并預(yù)先設(shè) 確定應(yīng)變材料的熱膨脹系數(shù)，以便通過所述應(yīng)變材料施加在溝道區(qū)域上的 拉伸應(yīng)變的量與溫度變化成反比。在第四實(shí)施例中，所述方法同樣包括形 成pFET。在該第四實(shí)施例中，然而，預(yù)先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)的方法，包括預(yù) 先選擇具有壓縮應(yīng)變的應(yīng)變材料并預(yù)先確定應(yīng)變材料的熱膨脹系數(shù)，以便 通過所述應(yīng)變材料施加在溝道區(qū)域上的壓縮應(yīng)變與溫度變化成正比。當(dāng)結(jié)合下面的描述和附圖考慮時(shí)，將更好地了解和理解本發(fā)明的多個(gè) 實(shí)施例的這些和其他方面。應(yīng)該理解，然而，雖然下列描述指出了本發(fā)明 的多個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例以及其大量的具體細(xì)節(jié)，但其通過示例性而非限制性 的方式給出?？梢栽诒景l(fā)明的實(shí)施例的范圍內(nèi)做出改變和修改而不背離其 精神，本發(fā)明的實(shí)施例包括所有這樣的修改。


參考附圖，從下面的詳細(xì)描述可以更好地理解本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1是示例了具有上層應(yīng)變結(jié)構(gòu)的FET的示意圖；圖2是示例了具有下層應(yīng)變結(jié)構(gòu)的FET的示意圖；圖3是示例了具有源極/漏極應(yīng)變結(jié)構(gòu)的FET的示意圖；圖4是示例了具有溝槽隔離應(yīng)變結(jié)構(gòu)的FET的示意圖；圖5是示例了具有柵極電極應(yīng)變結(jié)構(gòu)的FET的示意圖6是示例了 n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(nFET)的溝道區(qū)域中的電子遷移 率與溫度之間的示例性反向關(guān)系的圖形；
圖7是示例了 p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(pFET)的溝道區(qū)域中空穴遷移率 和溫度之間的示例性反向關(guān)系的圖8是示例了 nFET的溝道區(qū)域中的電子遷移率與壓縮應(yīng)變之間的示 例性反向關(guān)系的圖9是示例了 nFET的溝道區(qū)域中的電子遷移率與拉伸應(yīng)變之間的示 例性正向關(guān)系的例性正向關(guān)系的例性反向關(guān)系的圖； '<—、、、'、、
圖12是示例了本發(fā)明的FET實(shí)施例中的載流子遷移率不隨溫度變化 的圖；以及
圖13是示例了本發(fā)明的方法的實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參考在附圖中示例的以及下面詳細(xì)描述的非限制性實(shí)施例，更充分地 解釋了本發(fā)明的實(shí)施例以及其各種特征和有利的細(xì)節(jié)。應(yīng)該注意在附圖中 示例的特征沒有嚴(yán)格地按比例繪制。省略了公知的元件和處理技術(shù)的描述 以避免不必要的模糊本發(fā)明的實(shí)施例。這里使用的實(shí)例僅僅旨在有利于理 解實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例的方法，以及進(jìn)一步使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺` 本發(fā)明的實(shí)施例。因此，這些實(shí)例不能解釋為本發(fā)明的實(shí)施例的限制。
如上所述，場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的溝道區(qū)域中的電荷載流子遷移率 是溫度敏感的，并且還直接影響驅(qū)動(dòng)電流。這對(duì)電路設(shè)計(jì)提出了更高的要 求，具體而言，對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)提出了更高的要求，因?yàn)槟M電路通常需 要非常緊的容差。鑒于上述，這里公開了具有降低的驅(qū)動(dòng)電流溫度敏感性的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的實(shí)施例。具體而言，在每個(gè)實(shí)施例中，F(xiàn)ET包括至少一個(gè)預(yù) 先配置的應(yīng)變結(jié)構(gòu)以便通過近似相等和相反的依賴應(yīng)變的栽流子遷移率改 變同時(shí)抵消在溝道區(qū)域中的任何依賴溫度的栽流子遷移率的改變，以保證 驅(qū)動(dòng)電流在響應(yīng)溫度改變時(shí)保持近似恒定或至少在預(yù)定的范圍內(nèi)。當(dāng)預(yù)先 配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮各種因素。例如，調(diào)節(jié)應(yīng)變結(jié)構(gòu)傳遞比率和應(yīng)變 層的溫度膨脹系數(shù)(TCE)以顯著地去掉隨晶體管的載流子溫度的遷移率 的本征變化。還^^開了形成該場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相關(guān)方法的實(shí)施例。具體而言，^^開了一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)(參見圖1-5的FET 100-500)的實(shí)施例。每個(gè)FET 100-500可以包括其中溝道區(qū)域中的載流 子是空穴的p型晶體管(pFET)或其中溝道區(qū)域中的載流子是電子的n 型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(nFET)。栽流子的遷移率(即，nFET中的電子或pFET中的空穴)直接影響 驅(qū)動(dòng)電流。此外，栽流子的遷移率依賴于溝道區(qū)域中的溫度(即，遷移率 是溫度敏感的)。例如，在pFET中(例如，具有{100}溝道平面并且具有 沿<110>方向的電流矢量)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在溝道區(qū)域中的空穴遷移率變化與 溫度變化成反比(參見圖7)。相似地，在nFET中(例如，具有{100}溝 道平面)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在溝道區(qū)域中的電子遷移率變化與溫度變化成反比。 最后，載流子的遷移率還依賴于溝道區(qū)域中的應(yīng)變的量和類型。例如，在 pFET中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)載流子遷移率的變化與施加到溝道區(qū)域上的單軸壓縮 應(yīng)變的量的變化成正比(參見圖10)，而與施加在溝道區(qū)域上的單軸拉伸 應(yīng)變的量成反比(參見圖11)。反之，在nFET中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)載流子遷移 率變化與施加在溝道區(qū)域上的單軸拉伸應(yīng)變的量成正比(參見圖9)，而 與施加在溝道區(qū)域上的單軸壓縮應(yīng)變的量成反比(參見圖8)。因此，本發(fā)明的FET實(shí)施例100-500包括一個(gè)或多個(gè)預(yù)先配置的應(yīng)變 結(jié)構(gòu)150-550用于在FET溝道區(qū)域上施加依賴溫度的應(yīng)變。設(shè)計(jì)該依賴溫 度的應(yīng)變以保證總的載流子遷移率，由此，使驅(qū)動(dòng)電流與溫度無關(guān)而保持 近似恒定。應(yīng)變結(jié)構(gòu)相對(duì)于溝道區(qū)域的位置可以改變，只要應(yīng)變結(jié)構(gòu)可以在溝道 區(qū)域上施加物理應(yīng)變力(例如，壓縮或拉伸應(yīng)變)。例如，如在圖l中所
示，應(yīng)變結(jié)構(gòu)可以包括在FET100的溝道區(qū)域110、柵極區(qū)域120和源^L/ 漏極區(qū)域130之上的應(yīng)變材料層150 (即，上層)。如在圖2中所示，應(yīng) 變結(jié)構(gòu)可以包括在FET 200的溝道區(qū)域210之下的應(yīng)變材料層250 (即， 下層)。如在圖3中所示，應(yīng)變結(jié)構(gòu)可以包括在FET 300的溝道區(qū)域310 的任一側(cè)的源極/漏極區(qū)域350，其中源^漏極區(qū)域350包括應(yīng)變材料(例 如，代替硅的外延生長(zhǎng)的珪鍺)。如在圖4中所示，應(yīng)變結(jié)構(gòu)可以包括鄰 近FET400的源極/漏極區(qū)域430的淺溝槽隔離(STI)區(qū)域，其中用應(yīng)變 材料填充STI。最后，如在圖5中所示，應(yīng)變結(jié)構(gòu)可以包括使用應(yīng)變材料 形成的柵極電極550。
應(yīng)該理解，雖然圖1-5中示例的實(shí)施例在每個(gè)晶體管100-500中僅僅 示出了單個(gè)應(yīng)變結(jié)構(gòu)，但是示例的應(yīng)變結(jié)構(gòu)150-550的任何合適的組合均 可引入到本發(fā)明的FET結(jié)構(gòu)中，以響應(yīng)溫度改變?cè)谝蕾嚋囟鹊妮d流子遷移 率變化和依賴應(yīng)變的栽流子遷移率變化之間獲得希望的平衡。
如上所述，栽流子遷移率的變化既是溫度敏感的，又是應(yīng)變敏感的(參 見圖5-10)。該溫度敏感性和應(yīng)變敏感性是可以預(yù)測(cè)的。也就是，響應(yīng)溫 度變化的載流子遷移率的變化是可以預(yù)測(cè)的。此外，響應(yīng)溫度變化的由 FET溝道區(qū)域上的應(yīng)變結(jié)構(gòu)施加的應(yīng)變的量(拉伸或壓縮應(yīng)變)是可預(yù)測(cè) 的。也就是，應(yīng)變材料的熱膨脹系數(shù)(即，溫度每增加一度應(yīng)變材料將膨 脹的量)，溝道區(qū)域的熱膨脹系數(shù)，以及其它因素包括，但不限于，熱膨 脹系數(shù)的失配，應(yīng)變結(jié)構(gòu)相對(duì)于溝道區(qū)域的尺寸和位置，都可以用于預(yù)測(cè) 溝道區(qū)域中的依賴溫度的應(yīng)變變化，該應(yīng)變變化歸因于響應(yīng)溫度變化的應(yīng) 變材料的膨脹或收縮。最后，響應(yīng)預(yù)測(cè)的應(yīng)變變化的栽流子遷移率變化的 量也是可預(yù)測(cè)的。也就是，由此，可以使用溝道區(qū)域中的預(yù)測(cè)的依賴溫度 的應(yīng)變變化來預(yù)測(cè)在溝道區(qū)域中的依賴應(yīng)變的遷移率的變化。
因此，了解到溝道區(qū)域110-510中的栽流子遷移率的溫度敏感性，可 以設(shè)計(jì)并物理地設(shè)置溫度敏感的應(yīng)變結(jié)構(gòu)150-550的配置以抵消預(yù)測(cè)的溫度敏感的遷移率變化。也就是，可以預(yù)先選擇每一個(gè)應(yīng)變結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變材料(參見圖1-5的結(jié)構(gòu)150-550)以具有給定的應(yīng)變類型(例如，壓縮的或 拉伸的)，以便在FET溝道區(qū)域110-510上施加給定應(yīng)變類型的應(yīng)變。同 樣可以預(yù)先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)150-550中的應(yīng)變材料以具有預(yù)定的熱膨脹系數(shù) (TCE)，以便應(yīng)變結(jié)構(gòu)在溝道區(qū)域上施加的應(yīng)變的量是溫度敏感的(即， 以便壓縮或拉伸應(yīng)變依賴于溫度改變)。更具體而言，當(dāng)預(yù)先配置該應(yīng)變結(jié)構(gòu)150-550以獲得溝道區(qū)域中的依 賴溫度的載流子遷移率變化與依賴應(yīng)變的載流子遷移率的變化之間的希望 的平衡時(shí)，存在至少四個(gè)因素需要考慮，由此，保證驅(qū)動(dòng)電流基本上不依 賴于溫度(1)相對(duì)于溝道區(qū)域半導(dǎo)體材料的溫度膨脹系數(shù)(pSi)的應(yīng) 變材料的溫度膨脹系數(shù)(TCE) (Pm) ; (2)從應(yīng)變材料至溝道的應(yīng)變 傳遞的相對(duì)符號(hào)(即，施加在溝道區(qū)域上的應(yīng)變的類型，壓縮的或拉伸的)； (3)響應(yīng)溫度變化的該應(yīng)變傳遞的量值(即，響應(yīng)溫度變化而施加在溝道 區(qū)域上的應(yīng)變的相對(duì)量值)；以及(4 )對(duì)于給定溝道應(yīng)變的給定變化(Ms) 的遷移率變化(即，響應(yīng)應(yīng)變變化，溝道區(qū)域中的載流子遷移率變化的方 向和相對(duì)量值)。如果溝道中的應(yīng)變與應(yīng)變材料中的應(yīng)變的比率是(ti)并且，如果應(yīng) 變材料中應(yīng)變的水平是(SM)，那么溝道中的應(yīng)變(Sc )可以由Sc = rixSM 給出。為了獲得本發(fā)明的FET，選擇應(yīng)變結(jié)構(gòu)和材料，以便應(yīng)變變化導(dǎo)致 的遷移率的變化(隨溫度的改變)非常近似等于溝道載流子隨溫度的4^E (非應(yīng)變的)遷移率的變化但符號(hào)相反。通過求解下列^^式，可以得到溝 道區(qū)域的依賴溫度的載流子遷移率變化與依賴應(yīng)變的載流子遷移率變化之間的希望的平衡dT=-dXT!X(pM -pSi)其中d^/dT代表響應(yīng)溫度的溝道區(qū)域的載流子遷移率變化，d代表響應(yīng)溝 道區(qū)域中的應(yīng)變變化的溝道區(qū)域的載流子遷移率變化(即，每應(yīng)變變化的遷移率變化)，Tl代表從應(yīng)變材料到溝道區(qū)域的應(yīng)變的傳遞比率，卩m代表應(yīng)變材料熱膨脹系數(shù)(TCE) ， psi代表溝道區(qū)域中的半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)(TCE)。
換言之，由于任何結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)的量值依賴其成分和尺寸， 一旦 通過該公式確定了應(yīng)變結(jié)構(gòu)的需要的熱膨脹系數(shù)，那么就可以預(yù)先配置應(yīng) 變結(jié)構(gòu)。也就是，可以預(yù)先確定應(yīng)變結(jié)構(gòu)的尺寸、組成、位置等，以便基 本上滿足該>&式并且產(chǎn)生的遷移率的凈變化小。
在示例性的情況下，可以配置nFET具有在FET之上的應(yīng)變上層，并 可以預(yù)先選擇上層材料，以便上層材料的熱膨脹系數(shù)小于晶體管半導(dǎo)體材 料的熱膨脹系數(shù)(例如，小于硅的熱膨脹系數(shù))。這樣的系統(tǒng)的應(yīng)變傳遞 典型為T]~0.1 (正)，使得隨溫度增加，nFET的溝道區(qū)域中的應(yīng)變的絕 對(duì)值減小(即，傾向于增加拉伸)。該因素趨向?qū)е码娮舆w移率隨溫度增 加而增加，由此^J氐消否則將導(dǎo)致的電子遷移率的本征減小?？梢酝ㄟ^上層 與晶體管溝道的間隔、上層材料的厚度、凹進(jìn)源極和漏極結(jié)到溝it^面之 下、以及其它因素，來進(jìn)行傳遞效率的調(diào)整?？梢酝ㄟ^淀積工藝的細(xì)節(jié)例 如溫度、壓力、速率以及化學(xué)反應(yīng)物改變上層材料的溫度系數(shù)。注意，在 上層材料中預(yù)先存在的應(yīng)變可以是壓縮的(<0)、拉伸的(<0)或中性的 (=0)，只要上層材料的相對(duì)TCE小于晶體管半導(dǎo)體材料的TCE?？梢?應(yīng)用相同的分析以設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。
例如，參考圖l和2，應(yīng)變結(jié)構(gòu)包括具有預(yù)定的厚度的氮化物層。該 氮化物層可以被i殳置在溝道區(qū)域之上(參見圖1中FET 100的結(jié)構(gòu)150) 或之下(參見圖2中FET 200的結(jié)構(gòu)250 )，并且依賴于淀積條件以及應(yīng) 變材料的氮與其它元素(例如，硅、氫等)的鍵合比率，可以是壓縮的或 拉伸的。可選地，參考圖4中的FET 400，應(yīng)變結(jié)構(gòu)450包括氧化物填充 的淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)，其鄰接FET的源極/漏極區(qū)域430并具有預(yù)定 的體積。該氧化物填充材料可以是壓縮的的(例如，高密度等離子體(HDP) 氧化物)或拉伸的(例如，四乙氧^Ji:烷(tetraethooxysihme ) ( TEOS ) 氧化物)。參考圖3中的FET 300，應(yīng)變結(jié)構(gòu)350還包括代替FET源457 漏極區(qū)域中的硅的預(yù)定體積的壓縮硅鍺。最后，參考圖5中的FET 500，域之上的柵極電極。
同樣，預(yù)先配置上面描述的這些特征150-550中的每一個(gè)具有特定的 應(yīng)變類型、熱膨脹系數(shù)和相對(duì)溝道區(qū)域的位置，以^更響應(yīng)溫度變化，希望 地增加或減小壓縮或拉伸應(yīng)變。例如，在第一實(shí)施例中，F(xiàn)ET 100-500可 以包括nFET，在應(yīng)變結(jié)構(gòu)150-550中的預(yù)先選擇的應(yīng)變材料的應(yīng)變可以 包括壓縮應(yīng)變，并且熱膨脹系數(shù)可以被預(yù)先確定，以便在溝道區(qū)域上通過 應(yīng)變材料施加的壓縮應(yīng)變的量可以與溫度成反比地改變。更具體而言，如 上所述，電子遷移率與溫度變化成反比(參見圖6)。這樣，隨著溫度增 加，電子遷移率減小，而隨溫度減小，電子遷移率增加。此外，同樣如上 所述，對(duì)于nFET，電子遷移率與壓縮應(yīng)變成反比(參見圖8)。也就是， 對(duì)于nFET，隨著溝道區(qū)域的壓縮應(yīng)變的增加，電子遷移率減小，而隨著 溝道區(qū)域的壓縮應(yīng)變減小，電子遷移率增加。因此，溫度的增加將導(dǎo)致 nFET溝道區(qū)域的依賴溫度的電子遷移率的減小，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域 上的依賴溫度的壓縮應(yīng)變的減小。該依賴溫度的壓縮應(yīng)變的減小將依次導(dǎo) 致溝道區(qū)域中依賴應(yīng)變的電子遷移率的增加。相反地，溫度的減小將導(dǎo)致 nFET溝道區(qū)域中依賴溫度的電子遷移率的增加，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域 上的依賴溫度的壓縮應(yīng)變的增加。該依賴溫度的壓縮應(yīng)變的增加將依次導(dǎo) 致溝道區(qū)域中依賴應(yīng)變的電子遷移率的減小。這樣，凈載流子遷移率保持 近似不變(如圖12所示)或至少具有預(yù)定的范圍。
在笫二實(shí)施例中，F(xiàn)ET 100-500還可以包括nFET，應(yīng)變結(jié)構(gòu)150-550 的預(yù)先選擇的應(yīng)變可以包括拉伸應(yīng)變，并預(yù)先設(shè)定熱膨脹系數(shù)，以便在溝 道區(qū)域上的拉伸應(yīng)變正比于溫度變化。更具體而言，如上所述，電子遷移 率與溫度變化成反比(參見圖6)。這樣，隨著溫度增加，電子遷移率減 小，而隨溫度減小，電子遷移率增加。此外，同樣如上所述，對(duì)于nFET， 電子遷移率正比于拉伸應(yīng)變。也就是，隨著溝道區(qū)域中拉伸應(yīng)變的增加， 電子遷移率增加，而隨著溝道區(qū)域中拉伸應(yīng)變減小，電子遷移率減小(參 見圖9)。因此，溫度的增加將導(dǎo)致nFET溝道區(qū)域中依賴溫度的電子遷 移率的減小，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域上依賴溫度的拉伸應(yīng)變的增加。該依增加。相反地，溫度的減小將導(dǎo)致nFET溝道區(qū)域中依賴溫度的電子遷移 率的增加，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域上依賴溫度的拉伸應(yīng)變的減小。該依賴 溫度的拉伸應(yīng)變的減小將依次導(dǎo)致溝道區(qū)域中依賴應(yīng)變的電子遷移率的減 小。這樣，凈遷移率保持近似不變(如圖12所示)或至少具有預(yù)定的范圍。在第三實(shí)施例中，F(xiàn)ET100-500可以包括pFET，應(yīng)變結(jié)構(gòu)150-550中 預(yù)先選擇的應(yīng)變可以包括拉伸應(yīng)變，并預(yù)先設(shè)定熱膨脹系數(shù)，以便在溝道 區(qū)域上拉伸應(yīng)變與溫度變化成反比(即，以便，對(duì)于正應(yīng)變傳遞系數(shù)，上 層的TCE小于硅的TCE，或作為負(fù)應(yīng)變傳遞系數(shù)，上層的TCE大于硅的 TCE)。更具體而言，如上所述，空穴遷移率與溫度變化成反比(參見圖 7)。這樣，隨著溫度增加，空穴遷移率減小，而隨溫度減小，空穴遷移率 增加。此外，同才羊如上所述，對(duì)于pFET，空穴遷移率與拉伸應(yīng)變成反比。 也就是，隨著溝道區(qū)域中拉伸應(yīng)變減小，空穴遷移率增加，而隨著溝道區(qū) 域中拉伸應(yīng)變?cè)黾?，空穴遷移率減小(參見圖11)。因此，溫度的增加將 導(dǎo)致pFET溝道區(qū)域中依賴溫度的空穴遷移率的減小，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道 區(qū)域上的依賴溫度的拉伸應(yīng)變的減小。該依賴溫度的拉伸應(yīng)變的減小將依 次導(dǎo)致溝道區(qū)域中依賴應(yīng)變的空穴遷移率的增加。相反地，溫度的減小將 導(dǎo)致pFET溝道區(qū)域中依賴溫度的空穴遷移率的增加，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道 區(qū)域上依賴溫度的拉伸應(yīng)變的增加。該依賴溫度的拉伸應(yīng)變的增加將依次 導(dǎo)致溝道區(qū)域中依賴應(yīng)變的空穴遷移率的減小。這樣，凈遷移率保持近似 不變(如圖12所示)或至少在預(yù)定的范圍內(nèi)。在第四實(shí)施例中，F(xiàn)ET 100-500同樣包括pFET，應(yīng)變結(jié)構(gòu)150-550中 預(yù)先選擇的應(yīng)變可以包括壓縮應(yīng)變，并且熱膨脹系數(shù)可以被預(yù)先設(shè)定，以 便在溝道區(qū)域上壓縮應(yīng)變與溫度變化成正比。更具體而言，如上所述，(非 應(yīng)變的)空穴遷移率與溫度變化成反比(參見圖7)。因此，隨著溫度增 加，空穴遷移率減小，而隨溫度減小，空穴遷移率增加。此外，同樣如上 所述，對(duì)于pFET，空穴遷移率與壓縮應(yīng)變成正比。也就是，隨著溝道區(qū) 域中壓縮應(yīng)變的增加，空穴遷移率增加，而隨著溝道區(qū)域中壓縮應(yīng)變減小，空穴遷移率減小(參見圖10)。因此，溫度的增加將導(dǎo)致pFET溝道區(qū)域 中依賴溫度的本征空穴遷移率的減小，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域上依賴溫度 的壓縮應(yīng)變的增加。該依賴溫度的壓縮應(yīng)變的增加將依次導(dǎo)致溝道區(qū)域中 依賴應(yīng)變的空穴遷移率的增加。相反地，溫度的減小將導(dǎo)致pFET溝道區(qū) 域中依賴溫度的空穴遷移率的增加，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域上依賴溫度的 壓縮應(yīng)變的減小。該依賴溫度的壓縮應(yīng)變的減小將依次導(dǎo)致溝道區(qū)域中依 賴應(yīng)變的空穴遷移率的減小。這樣，凈遷移率保持近似不變(如圖12所示) 或至少具有預(yù)定的范圍。參考圖13，還公開了形成上迷晶體管的方法的實(shí)施例。在本方法實(shí)施 例中，形成n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(nFET )或p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(pFET X 1302 )。 具體而言，可以使用常規(guī)處理技術(shù)形成nFET。例如，提供晶片(例如， 絕緣體上硅(SOI)晶片)，并在晶片的半導(dǎo)體層的n摻雜的源^l/漏極區(qū) 域之間形成溝道區(qū)域。在溝道區(qū)域之上形成(例如，構(gòu)圖和蝕刻)柵極電 極。這樣的nFET的溝道區(qū)域中的栽流子是電子?？蛇x地，可以使用常規(guī) 處理技術(shù)形成p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(pFET)。例如，提供晶片(例如，SOI 晶片)，并在晶片的半導(dǎo)體層的p摻雜的源^L/漏極區(qū)域之間形成溝道區(qū)域。 在溝道區(qū)域之上形成柵極(例如，構(gòu)圖和蝕刻)電極。這樣的pFET的溝 道區(qū)域中的載流子是空穴。如上所討論，溝道區(qū)域中的這些載流子的遷移 率，無論nFET中的電子或者pFET中的空穴，均是溫度敏感以及應(yīng)變敏 感的。本方法實(shí)施例還包括鄰近溝道區(qū)域預(yù)先配置和形成一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變結(jié) 構(gòu)(1304)，用于在溝道區(qū)域上施加物理應(yīng)變力?？梢栽贔ET形成工藝 1302期間的各種階段以及在相對(duì)于FET的溝道區(qū)域的各種位置中形成應(yīng) 變結(jié)構(gòu)，以便確保溝道區(qū)域中的依賴溫度的載流子遷移率變化同時(shí)被溝道 區(qū)域中的近似相等并相反的依賴應(yīng)變的載流子遷移率變化所抵消(1305 )。例如，參考圖1，在FET100形成工藝1302期間，可以通過使用常規(guī) 處理技術(shù)形成應(yīng)變結(jié)構(gòu)，以在溝道區(qū)域110以及其它FET組件之上(例如， 柵極電極120、柵極側(cè)壁間離物、源極/漏極區(qū)域130等之上)形成(例如，淀積)應(yīng)變材料上層150。例如，該上層150可以包括淀積的氮化物層， 該氮化物層可以是壓縮的或拉伸的，依賴于淀積條件和氮與應(yīng)變材料的其 它元素(例如，硅，氫等)的鍵合比率。參考圖2，也可以在FET的形成 工藝之前1302形成應(yīng)變結(jié)構(gòu)，通過提供具有在半導(dǎo)體層260之下的應(yīng)變材 料的預(yù)制的下層250 (例如，氮化物下層)的晶片，在半導(dǎo)體材料層260 中形成溝道區(qū)域210和源^漏極區(qū)域。參考圖3，還可以通過選擇地蝕刻 掉FET的源^l/漏極區(qū)域中的硅，并用應(yīng)變材料替代硅(例如，通過在溝 道區(qū)域310的側(cè)面的源^漏極區(qū)域中外延生長(zhǎng)珪鍺350)，來形成應(yīng)變結(jié) 構(gòu)。參考圖4，可以通過鄰近FET源^L/漏極區(qū)域430形成應(yīng)變材料填充的 淺溝槽隔離(STI)區(qū)域450來形成應(yīng)變結(jié)構(gòu)。該STI填充材料可以是壓 縮的(例如，高密度等離子體(HDP)氧化物)或拉伸的(例如，四乙氧 基硅烷(TEOS)氧化物)。最后，參考圖5中的FET 500，可以通過以 導(dǎo)電應(yīng)變材料形成柵極電極550 (例如，通過常規(guī)淀積和構(gòu)圖方法)來形 成應(yīng)變結(jié)構(gòu)。
應(yīng)該理解，雖然在這里討論并在圖1-5中示例的多個(gè)方法實(shí)施例示出 了在每個(gè)晶體管100-500中形成單應(yīng)變結(jié)構(gòu)，但是可以形成多個(gè)應(yīng)變結(jié)構(gòu) 的任何適宜的組合并將其引入到FET結(jié)構(gòu)中，以便響應(yīng)溫度變化，在依賴 溫度的栽流子遷移率變化與依賴應(yīng)變的載流子遷移率變化之間獲得希望的 平衡。
此外，當(dāng)預(yù)先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)以在依賴溫度的載流子遷移率變化與依賴 應(yīng)變的載流子遷移率變化之間獲得希望的平衡時(shí)，除了應(yīng)變結(jié)構(gòu)位置，還 存在至少四個(gè)其它的因素需要考慮(1306-1310) : (1)相對(duì)于溝道區(qū)域 半導(dǎo)體材料的溫度膨脹系數(shù)(pSi )的應(yīng)變材料的溫度膨脹系數(shù)(TCE )(|5M );
(2)從應(yīng)變材料到溝道的應(yīng)變傳遞的相對(duì)符號(hào)(即，施加在溝道區(qū)域上的， 應(yīng)變的類型，壓縮的或拉伸的)；(3)響應(yīng)溫度變化的該應(yīng)變傳遞的量值
(即，響應(yīng)溫度變化在溝道區(qū)域上施加的應(yīng)變的相對(duì)量值)以及(4)對(duì)于 給定的溝道應(yīng)變的給定變化(Ms)的遷移率變化(即，響應(yīng)應(yīng)變變化，溝 道區(qū)域中載流子遷移率的方向和相對(duì)量值的變化)。如果溝道中的應(yīng)變與應(yīng)變材料中的應(yīng)變的比率是(Tl)并且，如果應(yīng) 變材料的應(yīng)變的水平是(SM)，那么溝道中的應(yīng)變(Sc)可以由Sc-TlXS]M 給出。通過求解下列公式，可以得到溝道區(qū)域中依賴溫度的載流子遷移率變化與依賴應(yīng)變的載流子遷移率的變化之間的希望的平衡其中djLli/dT代表響應(yīng)溫度的溝道區(qū)域中載流子遷移率的變化，d代表響應(yīng)溝道區(qū)域中應(yīng)變變化的溝道區(qū)域中載流子遷移率的變化(即，每應(yīng)變變化的遷移率變化)，il代表自應(yīng)變材料的溝道區(qū)域的應(yīng)變的傳遞比率，Pm代 表應(yīng)變材料熱膨脹系數(shù)(TCE) ， Psi代表溝道區(qū)域中半導(dǎo)體材料的熱膨脹 系數(shù)(TCE)。換言之，由于任何結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)的量值依賴其成分和尺寸， 一旦 通過該公式確定了應(yīng)變結(jié)構(gòu)的希望的熱膨脹系數(shù)，那么就可以預(yù)先設(shè)定應(yīng) 變結(jié)構(gòu)。也就是，可以預(yù)先確定應(yīng)變結(jié)構(gòu)的尺寸、組成、位置等，以侵l 本上滿足該公式，并且產(chǎn)生的遷移率的凈變化小。例如，在第一實(shí)施例中，本方法可以包括在工藝1302處形成nFET。 在該實(shí)施例中，預(yù)先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)的工藝1304可以包括預(yù)先選擇具有壓縮 應(yīng)變的應(yīng)變材料和預(yù)先確定該應(yīng)變材料的熱膨脹系數(shù)，以便通過應(yīng)變材料 施加到溝道區(qū)域上的壓縮應(yīng)變的量與溫度變化成反比。更具體而言，如上 所述，電子遷移率與溫度變化成反比(參見圖6)。這樣，隨著溫度增加， 電子遷移率減小，而隨溫度減小，電子遷移率增加。此外，同樣如上所述， 對(duì)于nFET，電子遷移率與壓縮應(yīng)變成反比(參見圖8)。也就是，隨著溝 道區(qū)域中壓縮應(yīng)變的增加，電子遷移率減小，而隨著溝道區(qū)域中壓縮應(yīng)變 減小，電子遷移率增加。因此，溫度的增加將導(dǎo)致nFET溝道區(qū)域中依賴 溫度的電子遷移率的減小，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域上依賴溫度的壓縮應(yīng)變 的減小。該依賴溫度的壓縮應(yīng)變的減小將依次導(dǎo)致溝道區(qū)域中依賴應(yīng)變的 電子遷移率的增加。相反地，溫度的減小將導(dǎo)致nFET溝道區(qū)域中依賴溫 度的電子遷移率的增加，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域上依賴溫度的壓縮應(yīng)變的 增加。該依賴溫度的壓縮應(yīng)變的增加將依次導(dǎo)致溝道區(qū)域中依賴應(yīng)變的電子遷移率的減小。
例如，在第二實(shí)施例中，本方法還可以包括在步驟1302處形成nFET。 在該實(shí)施例中，預(yù)先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)的工藝1304可以包括預(yù)先選擇具有拉伸 應(yīng)變的應(yīng)變材料和預(yù)先確定該應(yīng)變材料的熱膨脹系數(shù)，以便溝道區(qū)域上的 拉伸應(yīng)變正比于溫度改變。更具體而言，如上所述，電子遷移率反比于溫 度變化(參見圖6)。這樣，隨著溫度增加，電子遷移率減小，而隨溫度 減小，電子遷移率增加。此外，同樣如上所述，對(duì)于nFET，電子遷移率 正比于拉伸應(yīng)變(參見圖9)。也就是，隨著溝道區(qū)域中拉伸應(yīng)變的增加， 電子遷移率增加，而隨著溝道區(qū)域中拉伸應(yīng)變減小，電子遷移率減小。因 此，溫度的增加將導(dǎo)致nFET溝道區(qū)域中依賴溫度的電子遷移率的減小， 而將同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域上依賴溫度的拉伸應(yīng)變的增加。該依賴溫度的拉伸 應(yīng)變的增加將依次導(dǎo)致溝道區(qū)域中依賴應(yīng)變的電子遷移率的增加。相反地， 溫度的減小將導(dǎo)致nFET溝道區(qū)域中依賴溫度的電子遷移率的增加，而將 同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域上依賴溫度的拉伸應(yīng)變的減小。該依賴溫度的拉伸應(yīng)變 的減小將依次導(dǎo)致溝道區(qū)域中依賴應(yīng)變的電子遷移率的減小。
在第三實(shí)施例中，本方法可以包括在步驟1302處形成pFET。在該實(shí) 施例中，預(yù)先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)的工藝1304可以包括預(yù)先選擇具有拉伸應(yīng)變的 應(yīng)變材料并預(yù)先確定該應(yīng)變材料的熱膨脹系數(shù)，以便通過應(yīng)變材料施加到 溝道區(qū)域上的拉伸應(yīng)變的量與溫度變化成反比。更具體而言，如上所述， 空穴遷移率反比于溫度變化(參見圖7)。這樣，隨著溫度增加，空穴遷 移率減小，而隨溫度減小，空穴遷移率增加。此外，同樣如上所述，對(duì)于 pFET，空穴遷移率反比于拉伸應(yīng)變(參見圖11)。也就是，隨著溝道區(qū) 域中拉伸應(yīng)變?cè)黾?，空穴遷移率減小，隨著溝道區(qū)域中拉伸應(yīng)變的減小， 空穴遷移率增加。因此，溫度的增加將導(dǎo)致pFET溝道區(qū)域中依賴溫度的 空穴遷移率的減小，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域上依賴溫度的拉伸應(yīng)變的減小。 該依賴溫度的拉伸應(yīng)變的減小將依次導(dǎo)致溝道區(qū)域中依賴應(yīng)變的空穴遷移 率的增加。相反地，溫度的減小將導(dǎo)致pFET溝道區(qū)域中依賴溫度的空穴 遷移率的增加，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域上依賴溫度的拉伸應(yīng)變的增加。該依賴溫度的拉伸應(yīng)變的增加將依次導(dǎo)致溝道區(qū)域中依賴應(yīng)變的空穴遷移率 的減小。在第四實(shí)施例中，本方法可以包括在步驟1302處形成pFET。在該實(shí) 施例中，預(yù)先配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)的工藝1304可以包括預(yù)先選擇具有壓縮應(yīng)變的 應(yīng)變材料并預(yù)先確定該應(yīng)變材料的熱膨脹系數(shù)，以便施加在溝道區(qū)域上的 壓縮應(yīng)變與溫度變化成正比。更具體而言，如上所述，空穴遷移率與溫度 變化成反比(參見圖7)。因此，隨著溫度增加，空穴遷移率減小，而隨 溫度減小，空穴遷移率增加。此外，同樣如上所述，對(duì)于pFET，空穴遷 移率正比于壓縮應(yīng)變(參見圖10)。也就是，隨著溝道區(qū)域中壓縮應(yīng)變的 增加，空穴遷移率增加，而隨著溝道區(qū)域中壓縮應(yīng)變減小，空穴遷移率減 小。因此，溫度的增加將導(dǎo)致pFET溝道區(qū)域中依賴溫度的本征空穴遷移 率的減小，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域上依賴溫度的壓縮應(yīng)變的增加。該依賴 溫度的壓縮應(yīng)變的增加將依次導(dǎo)致溝道區(qū)域中依賴應(yīng)變的空穴遷移率的增 加。相反地，溫度的減小將導(dǎo)致pFET溝道區(qū)域中依賴溫度的空穴遷移率 的增加，而將同時(shí)導(dǎo)致溝道區(qū)域上依賴溫度的壓縮應(yīng)變的減小。該依賴溫 度的壓縮應(yīng)變的減小將依次導(dǎo)致溝道區(qū)域中依賴應(yīng)變的空穴遷移率的減 小。因此，上面公開了具有降低的驅(qū)動(dòng)電流溫度敏感性的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)的多個(gè)實(shí)施例。具體而言，通過相反的依賴應(yīng)變的載流子遷移率 變化，同步抵消FET溝道區(qū)域的任何依賴溫度的載流子遷移率變化，以保 證響應(yīng)溫度改變，驅(qū)動(dòng)電流保持近似恒定或至少在預(yù)先確定的范圍內(nèi)。通 過這樣的應(yīng)變結(jié)構(gòu)來提供反向的依賴應(yīng)變的栽流子遷移率變化，該應(yīng)變結(jié) 構(gòu)被預(yù)先配置以在溝道區(qū)域上施加預(yù)先選擇的應(yīng)變類型的依賴溫度的量。 還公開了形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相關(guān)方法的實(shí)施例。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果包括，但不限于，由于較小的特性變化，晶體 管能夠在較寬的電壓和溫度范圍下操作。此外，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)補(bǔ)償具有較小 要求的較簡(jiǎn)單的模擬電路，降低成本并改善了電路性能。還可以產(chǎn)生更寬 的制造容差，由此降低制造成本并提高成品率。上述特定實(shí)施例的描述完全揭示了本發(fā)明的一般本質(zhì)，以至于其他技 術(shù)人員可以通過應(yīng)用電流知識(shí)容易地修改該特定的實(shí)施例和/或使該特定 的實(shí)施例適應(yīng)各種應(yīng)用而不背離一般概念，因此，希望在公開的實(shí)施例的 等價(jià)物的意義和范圍內(nèi)來理解這樣的適應(yīng)和修改。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，這里采用 的措辭和術(shù)語(yǔ)旨在描述而非限制。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)修改地實(shí)踐本發(fā)明的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括溝道區(qū)域，包括多個(gè)載流子；以及結(jié)構(gòu)，鄰近所述溝道區(qū)域并包括設(shè)置的應(yīng)變材料以在所述溝道區(qū)域上施加應(yīng)變，其中預(yù)先配置所述結(jié)構(gòu)，以便通過所述結(jié)構(gòu)在所述溝道區(qū)域上施加的所述應(yīng)變是依賴溫度的，從而，響應(yīng)溫度變化，通過所述溝道區(qū)域中近似相等并相反的依賴應(yīng)變的載流子遷移率變化同時(shí)抵消在所述溝道區(qū)域中的依賴溫度的載流子遷移率變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述應(yīng)變材料具有預(yù)先確定 的熱膨脹系數(shù)，其滿足下列公式<formula>formula see original document page 2</formula>其中dui/dT代表響應(yīng)溫度的所述溝道區(qū)域中的第一載流子遷移率變 化，d代表響應(yīng)所述溝道區(qū)域中的應(yīng)變變化的所述溝道區(qū)域中的笫二載流 子遷移率變化，t]代表從所述應(yīng)變材料至所述溝道區(qū)域的應(yīng)變的傳遞比率，Pm代表所述應(yīng)變材料的第 一熱膨脹系數(shù)，PSi代表構(gòu)成所述溝道區(qū)域的半導(dǎo)體材料的第二熱膨脹系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述結(jié)構(gòu)包括下列中的至少 一個(gè)所述應(yīng)變材料的層，在所述溝道區(qū)域之上； 所述應(yīng)變材料的層，在所述溝道區(qū)域之下； 柵極電極，包括所述應(yīng)變材料，在所述溝道區(qū)域之上； 溝槽隔離區(qū)域，鄰近源極/漏極區(qū)域，其中所述源極/漏極區(qū)域鄰近所述溝道區(qū)域的側(cè)面，并且其中使用所述應(yīng)變材料填充所述溝槽隔離區(qū)域；以及所述源極/漏極區(qū)域，其中所述源極/漏極區(qū)域包括在所述溝道區(qū)域的 所述側(cè)面上的所述應(yīng)變材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 其中所述依賴溫度的應(yīng)變包括壓縮應(yīng)變，以及 其中所述壓縮應(yīng)變與溫度變化成反比。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 其中所述依賴溫度的應(yīng)變包括拉伸應(yīng)變，以及 其中所述拉伸應(yīng)變與溫度變化成正比。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管； 其中所述依賴溫度的應(yīng)變包括拉伸應(yīng)變，以及 其中所述拉伸應(yīng)變與溫度變化成反比。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 其中所述依賴溫度的應(yīng)變包括壓縮應(yīng)變，以及 其中所述壓縮應(yīng)變與溫度變化成正比。
8. —種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括溝道區(qū)域，包括半導(dǎo)體材料并具有多個(gè)載流子，其中所述載流子的遷移率依賴于所述溝道區(qū)域的溫度和應(yīng)變；以及結(jié)構(gòu)，鄰接所述溝道區(qū)域并包括設(shè)置的應(yīng)變材料以在所述溝道區(qū)域上施力口應(yīng)變，其中基于相對(duì)于所述半導(dǎo)體材料的第二溫度膨脹系數(shù)(TCE)的所述 應(yīng)變材料的至少第一溫度膨脹系數(shù)(TCE)、在所述溝道區(qū)域上施加的所 述應(yīng)變的類型、響應(yīng)溫度變化的在所述溝道區(qū)域上施加的所述應(yīng)變的相對(duì) 量值、以及響應(yīng)應(yīng)變變化的所述溝道區(qū)域中的載流子遷移率變化的方向和 相對(duì)量值，來預(yù)先配置所述結(jié)構(gòu)，以便，響應(yīng)溫度變化，通過所述溝道區(qū) 域中的近似相等并相反的依賴應(yīng)變的栽流子遷移率變化同時(shí)抵消所述溝道 區(qū)域中的依賴溫度的栽流子遷移率變化。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述應(yīng)變材料具有預(yù)先確定 的熱膨脹系數(shù)，其滿足下列公式(WdT=-dxnx(pM -Pa)其中d]Lli/dT代表響應(yīng)溫度的所述溝道區(qū)域中的第一載流子遷移率變化，d代表響應(yīng)所述溝道區(qū)域中的應(yīng)變變化的所述溝道區(qū)域中的第二栽流子遷移率變化，T！代表從所述應(yīng)變材料至所述溝道區(qū)域的應(yīng)變的傳遞比率，Pm代表所述應(yīng)變材料的第一熱膨脹系數(shù)，pSi代表構(gòu)成所述溝道區(qū)域的半導(dǎo)體材料的第二熱膨脹系數(shù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述結(jié)構(gòu)包括下列中的至 少一個(gè)所述應(yīng)變材料的層，在所述溝道區(qū)域之上； 所述應(yīng)變材料的層，在所述溝道區(qū)域之下； 柵極電極，包括所述應(yīng)變材料，在所述溝道區(qū)域之上； 溝槽隔離區(qū)域，鄰近源極/漏極區(qū)域，其中所述源極/漏極區(qū)域鄰近所述溝道區(qū)域的側(cè)面，并且其中使用所述應(yīng)變材料填充所述溝槽隔離區(qū)域；以及所述源極/漏極區(qū)域，其中所述源極/漏極區(qū)域包括在所述溝道區(qū)域的 所述側(cè)面上的所述應(yīng)變材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 其中所述依賴溫度的應(yīng)變包括壓縮應(yīng)變，以及 其中所述壓縮應(yīng)變與所述溫度變化成反比。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 其中所述依賴溫度的應(yīng)變包括拉伸應(yīng)變，以及 其中所述拉伸應(yīng)變與所述溫度變化成正比。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述依賴溫度的應(yīng)變包括拉伸應(yīng)變，以及 其中所述拉伸應(yīng)變與所述溫度變化成反比。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 其中所述依賴溫度的應(yīng)變包括壓縮應(yīng)變，以及 其中所述壓縮應(yīng)變與所述溫度變化成正比。
15. —種形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，包括以下步驟 形成具有多個(gè)栽流子的溝道區(qū)域；以及鄰近所述溝道區(qū)域形成結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括用于在所述溝道區(qū)域上施 加應(yīng)變的應(yīng)變材料，其中形成所述結(jié)構(gòu)包括預(yù)先配置所述結(jié)構(gòu)，以^l通過所述結(jié)構(gòu)在所述 溝道區(qū)域上施加的所述應(yīng)變是依賴溫度的，從而，響應(yīng)溫度變化，通過近 似相等并相反的依賴應(yīng)變的載流子遷移率變化同時(shí)抵消在所述溝道區(qū)域中 的依賴溫度的載流子遷移率變化。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述預(yù)先配置包括通過求解下列公 式來預(yù)先確定所述應(yīng)變材料的熱膨脹系數(shù)dA/dT= -pSi)其中dpi/dT代表響應(yīng)溫度的所述溝道區(qū)域中的第一載流子遷移率變 化，d代表響應(yīng)所述溝道區(qū)域中的應(yīng)變變化的所述溝道區(qū)域中的笫二栽流子遷移率變化，I]代表從所述應(yīng)變材料至所述溝道區(qū)域的應(yīng)變的傳遞比率，|3M代表所述應(yīng)變材料的第 一熱膨脹系數(shù)，pSi代表構(gòu)成所述溝道區(qū)域的半導(dǎo)體材料的第二熱膨脹系數(shù)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中形成所述結(jié)構(gòu)包括形成下列中的至 少一個(gè)所述應(yīng)變材料的層，在所述溝道區(qū)域之上； 所述應(yīng)變材料的層，在所述溝道區(qū)域之下； 柵極電極，包括所述應(yīng)變材料，在所述溝道區(qū)域之上； 溝槽隔離區(qū)域，鄰近源極/漏極區(qū)域，其中所述源極/漏極區(qū)域鄰近所述溝道區(qū)域的側(cè)面，并且其中使用所述應(yīng)變材料填充所述溝槽隔離區(qū)域； 以及所述源極/漏極區(qū)域，其中所述源極/漏極區(qū)域包括在所述溝道區(qū)域的 所述側(cè)面上的所述應(yīng)變材料。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括n型場(chǎng)效應(yīng) 晶體管并且其中所述預(yù)先配置包括下列之一 對(duì)于所述應(yīng)變材料，預(yù)先選擇壓縮應(yīng)變并預(yù)先確定熱膨脹系數(shù)，以便 在所述溝道區(qū)域上施加的所述壓縮應(yīng)變與溫度變化成反比；以及對(duì)于所述應(yīng)變材料，預(yù)先選擇拉伸應(yīng)變并預(yù)先確定熱膨脹系數(shù)，以<更 在所述溝道區(qū)域上施加的所述拉伸應(yīng)變與溫度變化成正比。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括p型場(chǎng)效應(yīng) 晶體管并且其中所述預(yù)先配置包括下列之一 對(duì)于所述應(yīng)變材料，預(yù)先選擇拉伸應(yīng)變并預(yù)先確定熱膨脹系數(shù)，以便 在所述溝道區(qū)域上施加的所述拉伸應(yīng)變與溫度變化成反比；以及對(duì)于所述應(yīng)變材料，預(yù)先選擇壓縮應(yīng)變并預(yù)先確定熱膨脹系數(shù)，以便 在所述溝道區(qū)域上施加的所述壓縮應(yīng)變與溫度變化成正比。
20. —種形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，包括以下步驟 形成包括半導(dǎo)體材料并具有多個(gè)載流子的溝道區(qū)域；以及 鄰近所述溝道區(qū)域形成結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括用于在所述溝道區(qū)域上施加應(yīng)變的應(yīng)變材料，其中形成所述結(jié)構(gòu)包括基于相對(duì)于所述半導(dǎo)體材料的第二溫度膨脹系 數(shù)(TCE)的所述應(yīng)變材料的至少第一溫度膨脹系數(shù)(TCE)、在所述溝 道區(qū)域上施加的所述應(yīng)變的類型，響應(yīng)溫度變化的在所述溝道區(qū)域上施加 的所述應(yīng)變的相對(duì)量值、以及響應(yīng)應(yīng)變變化的所述溝道區(qū)域中的載流子遷 移率變化的方向和相對(duì)量值，來預(yù)先配置所述結(jié)構(gòu)，以便，響應(yīng)溫度變化， 通過所述溝道區(qū)域中的近似相等并相反的依賴應(yīng)變的載流子遷移率變化同 時(shí)抵消所述溝道區(qū)域中的依賴溫度的載流子遷移率變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及應(yīng)變補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法。公開了具有降低的驅(qū)動(dòng)電流溫度敏感性的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的實(shí)施例。具體而言，通過相反的依賴應(yīng)變的載流子遷移率變化同時(shí)抵消FET溝道區(qū)域中的任何依賴溫度的載流子遷移率變化，以確保響應(yīng)溫度變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流保持近似恒定或至少在預(yù)先確定的范圍內(nèi)。通過配置應(yīng)變結(jié)構(gòu)以在溝道區(qū)域上施加預(yù)先選擇的應(yīng)變類型的依賴溫度的量，由此提供所述相反的依賴應(yīng)變的載流子遷移率變化。還公開了形成所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相關(guān)方法的實(shí)施例。
文檔編號(hào)H01L21/335GK101330105SQ20081010978
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者A·埃斯科巴爾, B·J·格林, E·J·諾瓦克 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司