專利名稱：Mos晶體管及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別涉及一種MOS晶體管及其形成方法。
背景技術(shù)：
MOS晶體管的制造工藝包括前柵工藝(feite-First)和后柵工藝(feite-Last)。在 32nm及其以下工藝節(jié)點中，具有低等效氧化物厚度(EOT，Equivalent Oxide Thickness)的高k材料的柵介質(zhì)層和金屬柵電極相結(jié)合的柵堆疊結(jié)構(gòu)受到了廣泛的應(yīng)用。由于自然氧化等因素，在高介電常數(shù)(高k)材料的柵介質(zhì)層和半導(dǎo)體襯底之間通常會存在界面氧化層，界面氧化層本身的厚度約為4 A,因而使得使用高k材料和金屬柵的 MOS晶體管的柵介質(zhì)層的等效氧化層厚度很難減小至Inm以下，阻礙了器件尺寸的進(jìn)一步減小。為了獲得更小的等效氧化層厚度，現(xiàn)有技術(shù)采用置于高k材料的柵介質(zhì)層和金屬柵電極之間的犧牲金屬層來去除界面氧化層中的氧元素，以降低柵堆疊結(jié)構(gòu)的等效氧化層厚度，所述犧牲金屬層的厚度一般采用鈦(Ti)、鉭(Ta)等。圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的一種MOS晶體管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，包括半導(dǎo)體襯底10 ；形成在所述半導(dǎo)體襯底10中的隔離結(jié)構(gòu)11，所述隔離結(jié)構(gòu)11可以是淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)(STI，Shallow Trench Isolation)；形成在所述半導(dǎo)體襯底10上的柵堆疊結(jié)構(gòu) 12，所述柵堆疊結(jié)構(gòu)12包括依次形成在半導(dǎo)體襯底10上的柵介質(zhì)層12a、犧牲金屬層12b 和柵電極12c，所述柵介質(zhì)層12a的材料為高k材料，所述犧牲金屬層12b的材料為鈦、鉭等，所述柵電極12c的材料為金屬及導(dǎo)電材料；形成在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)12兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底10中的源區(qū)13和漏區(qū)14。此外，所述柵介質(zhì)層1 下方以及半導(dǎo)體襯底10的表面還形成有界面氧化層10a。在經(jīng)過退火及其他熱工藝步驟之后，犧牲金屬層12b將吸收并去除所述界面氧化層IOa和柵介質(zhì)層12a中的氧元素，從而降低整個MOS晶體管的柵介質(zhì)層的等效氧化層厚度。但是，上述方法中，犧牲金屬層12b在吸收去除氧元素之后轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傺趸铮蔀榻橘|(zhì)材料，因而也需計算至所述MOS晶體管的柵介質(zhì)層的等效氧化層厚度中，導(dǎo)致等效氧化層厚度增加；此外，犧牲金屬層12b可能并未完全轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傺趸?，如界面氧化?IOa中的氧元素不足以使?fàn)奚趸瘜?2b完全轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣的金屬氧化物，導(dǎo)致不同器件之間的功函數(shù)(work function)和等效氧化物厚度都不同，使得不同器件之間的閾值電壓等性能參數(shù)的一致性(uniformity)較差。而且上述方法并不能對MOS晶體管產(chǎn)生應(yīng)力，無法提高載流子遷移率等器件性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有技術(shù)無法有效的降低等效氧化層厚度、器件性能的一致性較差、無法提高器件性能的問題。
為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種MOS晶體管，包括半導(dǎo)體襯底；位于所述半導(dǎo)體襯底上的柵堆疊結(jié)構(gòu)，所述柵堆疊結(jié)構(gòu)包括依次位于所述半導(dǎo)體襯底上的柵介質(zhì)層和柵電極；源區(qū)和漏區(qū)，位于所述柵堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底中；還包括犧牲金屬側(cè)墻，位于所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，且具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力?？蛇x的，所述MOS晶體管為NMOS晶體管，所述犧牲金屬側(cè)墻具有張應(yīng)力。可選的，所述犧牲金屬側(cè)墻的材料為鋁、鉻、鋯或它們的氧化物?？蛇x的，所述MOS晶體管為PMOS晶體管，所述犧牲金屬側(cè)墻具有壓應(yīng)力?？蛇x的，所述犧牲金屬側(cè)墻的材料為鋁、鉭或鋯或它們的氧化物?？蛇x的，所述MOS晶體管還包括L型側(cè)墻，位于所述犧牲金屬側(cè)墻與所述柵堆疊結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體襯底之間?？蛇x的，所述MOS晶體管還包括介質(zhì)側(cè)墻，位于所述半導(dǎo)體襯底上、所述犧牲金屬側(cè)墻的外圍側(cè)壁上?？蛇x的，所述MOS晶體管還包括L型側(cè)墻，位于所述介質(zhì)側(cè)墻和所述犧牲金屬側(cè)墻之間，以及所述犧牲金屬側(cè)墻和半導(dǎo)體襯底之間。為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種MOS晶體管的形成方法，包括提供半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底上形成柵堆疊結(jié)構(gòu)，所述柵堆疊結(jié)構(gòu)包括依次位于所述半導(dǎo)體襯底上的柵介質(zhì)層和柵電極；在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻，所述犧牲金屬側(cè)墻具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力；在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底中形成源區(qū)和漏區(qū)?？蛇x的，所述在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻包括形成金屬層，覆蓋所述半導(dǎo)體襯底的表面和所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的表面和側(cè)壁；對所述金屬層進(jìn)行各向異性刻蝕，去除所述半導(dǎo)體襯底表面和柵堆疊結(jié)構(gòu)表面的金屬層，在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成所述犧牲金屬側(cè)墻?？蛇x的，在形成所述金屬層之前還包括形成隔離介質(zhì)層，覆蓋所述半導(dǎo)體襯底的表面和柵堆疊結(jié)構(gòu)的表面和側(cè)壁，所述金屬層形成于所述隔離介質(zhì)層之上；在對所述金屬層進(jìn)行各向異性刻蝕之后，還包括對所述隔離介質(zhì)層進(jìn)行各向異性刻蝕，去除所述柵堆疊結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體襯底表面的隔離介質(zhì)層，在所述犧牲金屬側(cè)墻與柵堆疊結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體襯底之間形成L型側(cè)墻?？蛇x的，所述MOS晶體管為NMOS晶體管，所述金屬層具有張應(yīng)力?？蛇x的，所述金屬層的材料為鋁、鉻、鋯?？蛇x的，所述MOS晶體管為PMOS晶體管，所述金屬層具有壓應(yīng)力?？蛇x的，所述金屬層的材料為鋁、鉭或鋯。
可選的，在形成所述犧牲金屬側(cè)墻之后，形成所述源區(qū)和漏區(qū)之前，所述MOS晶體管的形成方法還包括
在所述半導(dǎo)體襯底上、所述犧牲金屬側(cè)墻的外圍側(cè)壁上形成介質(zhì)側(cè)墻。
本發(fā)明還提供了一種MOS晶體管的形成方法，包括
提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中形成有開口，所述開口底部暴露出所述半導(dǎo)體襯底，所述開口兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底中形成有源區(qū)和漏區(qū)；
在所述開口的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻，所述犧牲金屬側(cè)墻具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力；
形成柵介質(zhì)層，覆蓋所述犧牲金屬側(cè)墻和所述開口底部的半導(dǎo)體襯底；
在所述開口中填充柵電極。
可選的，所述在所述開口的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻包括
形成金屬層，覆蓋所述介質(zhì)層的表面和所述開口的底部和側(cè)壁；
對所述金屬層進(jìn)行各向異性刻蝕，去除所述介質(zhì)層表面和開口底部的金屬層，在所述開口側(cè)壁上形成所述犧牲金屬側(cè)墻。
可選的，所述MOS晶體管為NMOS晶體管，所述金屬層具有張應(yīng)力。
可選的，所述金屬層的材料為鋁、鉻、鋯。
可選的，所述MOS晶體管為PMOS晶體管，所述金屬層具有壓應(yīng)力。
可選的，所述金屬層的材料為鋁、鉭或鋯。
可選的，在形成所述金屬層之前，所述MOS晶體管的形成方法還包括
形成隔離介質(zhì)層，覆蓋所述介質(zhì)層的表面和所述開口的底部和側(cè)壁，所述金屬層形成于所述隔離介質(zhì)層之上；
在對所述金屬層進(jìn)行各向異性刻蝕形成所述犧牲金屬側(cè)墻之后，還包括
對所述隔離介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕，去除所述介質(zhì)層表面和開口底部的隔離介質(zhì)層，在所述犧牲金屬側(cè)墻與所述介質(zhì)層和半導(dǎo)體襯底之間形成L型側(cè)墻。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案有如下優(yōu)點
本技術(shù)方案在柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻，以吸收和去除柵堆疊結(jié)構(gòu)中的氧元素，避免了現(xiàn)有技術(shù)可能導(dǎo)致等效氧化層厚度增加、器件性能的一致性較差的問題。而且本技術(shù)方案的犧牲金屬側(cè)墻還具有應(yīng)力，有利于提高M(jìn)OS晶體管的載流子遷移率， 改善器件性能。
進(jìn)一步的，本技術(shù)方案可以同時適用于前柵工藝和后柵工藝，便于工藝集成，工業(yè)可用性強(qiáng)。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種MOS晶體管的剖面圖2是本發(fā)明MOS晶體管的形成方法的第一實施例的流程示意圖3至圖9是本發(fā)明MOS晶體管的形成方法的第一實施例的中間結(jié)構(gòu)的剖面圖10是本發(fā)明MOS晶體管的形成方法的第二實施例的流程示意圖11至圖16是本發(fā)明MOS晶體管的形成方法的第二實施例的中間結(jié)構(gòu)的剖面圖。
具體實施例方式現(xiàn)有技術(shù)中的MOS晶體管中，為了達(dá)到較小的等效氧化層厚度，在柵介質(zhì)層和柵電極之間形成犧牲金屬層，以吸收和去除界面氧化層以及柵介質(zhì)層中的氧元素，但是所述犧牲金屬層吸收氧元素被氧化后形成金屬氧化物介質(zhì)層，不僅導(dǎo)致等效氧化層厚度增加， 而且會影響MOS晶體管的功函數(shù)。本技術(shù)方案在柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻，以吸收和去除柵堆疊結(jié)構(gòu)中的氧元素，避免了現(xiàn)有技術(shù)可能導(dǎo)致等效氧化層厚度增加、器件性能的一致性較差的問題。而且本技術(shù)方案的犧牲金屬側(cè)墻還具有應(yīng)力，有利于提高M(jìn)OS晶體管的載流子遷移率， 改善器件性能。進(jìn)一步的，本技術(shù)方案可以同時適用于前柵工藝和后柵工藝，便于工藝集成，工業(yè)可用性強(qiáng)。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細(xì)的說明。在以下描述中闡述了具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以多種不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施方式
的限制。第一實施例圖2示出了本發(fā)明的MOS晶體管的形成方法的第一實施例的流程示意圖，第一實施例采用前柵工藝，如圖2所示，包括步驟S21，提供半導(dǎo)體襯底；步驟S22，在所述半導(dǎo)體襯底上形成柵堆疊結(jié)構(gòu)，所述柵堆疊結(jié)構(gòu)包括依次位于所述半導(dǎo)體襯底上的柵介質(zhì)層和柵電極；步驟S23，在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻，所述犧牲金屬側(cè)墻具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力；步驟S24，在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底中形成源區(qū)和漏區(qū)。圖3至圖9示出了第一實施例的中間結(jié)構(gòu)的剖面圖，下面結(jié)合圖2和圖3至圖9 對本發(fā)明的MOS晶體管的形成方法的第一實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。結(jié)合圖2和圖3，執(zhí)行步驟S21，提供半導(dǎo)體襯底。具體的，如圖3所示，提供半導(dǎo)體襯底20，所述半導(dǎo)體襯底20的材料可以是硅襯底、鍺硅襯底、III-V族元素化合物襯底、 碳化硅襯底或其疊層結(jié)構(gòu)，或絕緣體上硅結(jié)構(gòu)，或金剛石襯底，或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他半導(dǎo)體材料襯底。本實施例中，所述半導(dǎo)體襯底20為硅襯底，其中還形成有隔離結(jié)構(gòu)21， 所述隔離結(jié)構(gòu)21可以是淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他用于器件隔離或有源區(qū)隔離的隔離結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖2和圖4，執(zhí)行步驟S22，在所述半導(dǎo)體襯底上形成柵堆疊結(jié)構(gòu)，所述柵堆疊結(jié)構(gòu)包括依次位于所述半導(dǎo)體襯底上的柵介質(zhì)層和柵電極。具體的，在所述半導(dǎo)體襯底 20的表面上形成柵堆疊結(jié)構(gòu)22，所述柵堆疊結(jié)構(gòu)22包括依次位于所述半導(dǎo)體襯底20上的柵介質(zhì)層2 和柵電極22b。本實施例中，所述柵介質(zhì)層22a的材料為高k材料，如氧化鉿 (HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鑭(La2O3)，或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他高k材料，所述柵電極22b的材料為金屬或其他導(dǎo)電材料，如鈦(Ti)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鎢(W)等，或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他可以用作柵電極的導(dǎo)電材料。需要說明的是，由于自然氧化等因素，在所述柵介質(zhì)層2 和半導(dǎo)體襯底20的接觸面上，即柵介質(zhì)層22a的下表面、半導(dǎo)體襯底20的上表面還形成有界面氧化層(圖中未示出)。結(jié)合圖2、圖5和圖6，執(zhí)行步驟S23，在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻，所述犧牲金屬側(cè)墻具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力。具體的，首先參考圖5，在所述半導(dǎo)體襯底20的表面，以及柵堆疊結(jié)構(gòu)22的表面和側(cè)壁依次形成隔離介質(zhì)層23和金屬層M，所述金屬層M具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力。所述隔離介質(zhì)層23的材料可以是氧化硅、氮化硅或它們的組合。根據(jù)MOS晶體管的類型不同，若為 NMOS晶體管，則所述金屬層M應(yīng)當(dāng)具有張應(yīng)力，其材料可以是鋁、鉻、鋯，優(yōu)選為鉻或鋯，其形成方法為濺射法，可以通過控制濺射過程中的反應(yīng)條件，如壓強(qiáng)、氣流速率，功率等，使得形成的金屬層M具有張應(yīng)力。若為PMOS晶體管，則所述金屬層M應(yīng)當(dāng)具有壓應(yīng)力，其材料可以是鋁、鉭或鋯，優(yōu)選為β相位鉭，其形成方法可以包括使用濺射法形成β相位鉭薄膜，通過控制濺射過程的反應(yīng)條件，如壓強(qiáng)、功率等，使得形成的β相位鉭薄膜具有壓應(yīng)力；之后對所述β相位鉭薄膜進(jìn)行熱處理，所述熱處理可以是將所述β相位鉭薄膜加熱至380°C至420°C，加熱速率為8°C /min至12°C /min。熱處理過程可以加強(qiáng)β相位鉭薄膜的壓應(yīng)力，為了得到更高的壓應(yīng)力，可以重復(fù)所述加熱過程至少1次，如3次，7次。在一具體實施例中，通過濺射形成的β相位鉭薄膜的壓應(yīng)力為-1至_4GPa，經(jīng)過包括7次加熱過程的熱處理之后，其壓應(yīng)力上升至-6至-7GPa。之后參考圖6，對所述金屬層和隔離介質(zhì)層分別進(jìn)行各向異性刻蝕，去除所述半導(dǎo)體襯底20表面和所述柵堆疊結(jié)構(gòu)22表面的金屬層，在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)22的側(cè)壁上形成L 型側(cè)墻23a和犧牲金屬側(cè)墻Ma，所述L型側(cè)墻23a位于所述犧牲金屬側(cè)墻2 與柵堆疊結(jié)構(gòu)22和半導(dǎo)體襯底20之間。所述各向異性刻蝕可以是干法刻蝕。所述犧牲金屬側(cè)墻Ma 位于所述柵堆疊結(jié)構(gòu)22的側(cè)壁上，在后續(xù)的退火和熱工藝中，可以吸收所述柵介質(zhì)層2 中的氧元素，以及柵介質(zhì)層2 與半導(dǎo)體襯底20之間的界面氧化層中的氧元素，從而降低等效氧化層厚度，而且由于其位于所述柵堆疊結(jié)構(gòu)22的側(cè)壁上，因此在吸收氧元素被氧化之后，并不會影響等效氧化層厚度，對功函數(shù)的影響也非常小，有利于減小整個MOS晶體管的柵介質(zhì)層的等效氧化層厚度，保持器件性能參數(shù)的一致性。而且，所述犧牲金屬側(cè)墻2 在被氧化后還具有應(yīng)力，對于NMOS晶體管，具有溝道長度方向的張應(yīng)力，對于PMOS晶體管， 具有溝道長度方向的壓應(yīng)力，能夠提高載流子的遷移率，改善器件性能。此外，所述犧牲金屬側(cè)墻2 在吸收氧元素之后可能并不一定完全被氧化為金屬氧化物介質(zhì)，L型側(cè)墻23a有利于犧牲金屬側(cè)墻2 和柵電極22a之間的隔離，當(dāng)然，所述L型側(cè)墻23a的形成過程是可選的，在其他實施例中，也可以將所述犧牲金屬側(cè)墻2 直接形成在柵堆疊結(jié)構(gòu)22側(cè)壁的半導(dǎo)體襯底20上。參考圖7，在形成所述犧牲金屬側(cè)墻2 之后，在所述犧牲金屬側(cè)墻2 的外圍側(cè)壁上形成介質(zhì)側(cè)墻25，所述介質(zhì)側(cè)墻25的材料可以是氧化硅、氮化硅或它們的組合。其形成方法可以包括通過化學(xué)氣相沉積(CVD)等方法形成介質(zhì)材料層，覆蓋所述半導(dǎo)體襯底20和柵堆疊結(jié)構(gòu)22的表面，以及犧牲金屬側(cè)墻2 的側(cè)壁；之后對所述介質(zhì)材料層進(jìn)行選擇性回刻(selective etch back)，去除所述半導(dǎo)體襯底20和柵堆疊結(jié)構(gòu)22表面的介質(zhì)材料層，在所述半導(dǎo)體襯底20上、犧牲金屬側(cè)墻Ma的外圍側(cè)壁上形成介質(zhì)側(cè)墻25。所述介質(zhì)側(cè)墻25可以用于保護(hù)所述犧牲金屬側(cè)墻Ma。當(dāng)然，所述介質(zhì)側(cè)墻25的形成過程是可選的，在具體實施例中，也可以不形成所述介質(zhì)側(cè)墻25。需要說明的是，在形成所述介質(zhì)側(cè)墻25的過程中，其中的化學(xué)氣相沉積、回刻等工藝都包括相應(yīng)的熱工藝，即對所述半導(dǎo)體襯底20進(jìn)行加熱，在此類熱工藝過程中，所述犧牲金屬側(cè)墻2 都會吸收氧元素，在減小等效氧化層厚度的同時逐漸被氧化。參考圖2和圖8，執(zhí)行步驟S24，在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底中形成源區(qū)和漏區(qū)。具體的，通過離子注入等手段，在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)22兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底20中形成源區(qū)沈和漏區(qū)27。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，所述源區(qū)沈和漏區(qū)27的形成過程可以不限于此，例如，在形成所述L型側(cè)墻23a、犧牲金屬側(cè)墻2 和介質(zhì)側(cè)墻25之前，可以先對所述柵堆疊結(jié)構(gòu)22兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底20進(jìn)行輕摻雜離子注入，注入劑量較小，形成輕摻雜注入?yún)^(qū)，所述輕摻雜注入中注入離子的類型依MOS晶體管的類型而定；在形成所述L型側(cè)墻23a、犧牲金屬側(cè)墻2 和介質(zhì)側(cè)墻25之后，再進(jìn)行源/漏注入，形成所述源區(qū)沈和漏區(qū) 27，所述源/漏注入中注入離子的類型依MOS晶體管的類型而定，與所述輕摻雜注入的離子類型相同。在形成所述源區(qū)沈和漏區(qū)27之后，對所述半導(dǎo)體襯底20進(jìn)行退火，以激活源區(qū) 26和漏區(qū)27中注入的離子，并同時使得所述犧牲金屬側(cè)墻2 吸收氧元素，降低器件的等效氧化層厚度。可以通過控制退火過程中的反應(yīng)條件，使得被氧化后的犧牲金屬側(cè)墻2 保持其氧化之前具有的應(yīng)力，如對于NMOS晶體管，氧化后的犧牲金屬側(cè)墻2 保持張應(yīng)力， 對于PMOS晶體管，氧化后的犧牲金屬側(cè)墻2 保持壓應(yīng)力。之后，參考圖9，本實施例還在所述MOS晶體管上形成應(yīng)力層28，以進(jìn)一步提高載流子遷移率，改善器件性能。具體的，根據(jù)MOS晶體管的類型，若為PMOS晶體管，則所述應(yīng)力層觀為壓應(yīng)力層，覆蓋所述半導(dǎo)體襯底20、柵堆疊結(jié)構(gòu)22、L型側(cè)墻23a、犧牲金屬側(cè)墻 Ma、介質(zhì)側(cè)墻25的表面，所述壓應(yīng)力層的材料可以為具有壓應(yīng)力的氧化硅、氧化鉭或氧化鋯等；若為NMOS晶體管，則所述應(yīng)力層觀為張應(yīng)力層，覆蓋所述半導(dǎo)體襯底20、柵堆疊結(jié)構(gòu)22、L型側(cè)墻23a、犧牲金屬側(cè)墻Ma、介質(zhì)側(cè)墻25的表面，所述張應(yīng)力層的材料可以為具有張應(yīng)力的氮化硅、氧化鋁、氧化鉻或氧化鋯。所述應(yīng)力層觀能夠進(jìn)一步在溝道長度方向產(chǎn)生應(yīng)力，提高載流子遷移率。類似的，在其他相關(guān)的熱工藝中，所述犧牲金屬側(cè)墻2 吸收氧元素后也保持其氧化前具有的應(yīng)力。至此，第一實施例中形成的MOS晶體管的結(jié)構(gòu)如圖9所示，包括半導(dǎo)體襯底20 ； 位于所述半導(dǎo)體襯底20上的柵堆疊結(jié)構(gòu)22，所述柵堆疊結(jié)構(gòu)22包括依次位于所述半導(dǎo)體襯底20上的柵介質(zhì)層2 和柵電極22b ；源區(qū)沈和漏區(qū)27，位于所述柵堆疊結(jié)構(gòu)22兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底20中；犧牲金屬側(cè)墻Ma，位于所述柵堆疊結(jié)構(gòu)22的側(cè)壁，且具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力，若所述MOS晶體管為NMOS晶體管，則所述犧牲金屬側(cè)墻2 具有張應(yīng)力，若所述MOS 晶體管為PMOS晶體管，則所述犧牲金屬側(cè)墻2 具有壓應(yīng)力。此外，本實施例中的MOS晶體管還包括位于所述犧牲金屬側(cè)墻2 與半導(dǎo)體襯底20、柵堆疊結(jié)構(gòu)22之間的L型側(cè)墻 23a ；位于所述半導(dǎo)體襯底20上、所述犧牲金屬側(cè)墻2 的外圍側(cè)壁上的介質(zhì)側(cè)墻25 ；以及覆蓋所述半導(dǎo)體襯底20、柵堆疊結(jié)構(gòu)22、L型側(cè)墻23a、犧牲金屬側(cè)墻Ma、介質(zhì)側(cè)墻25表面的應(yīng)力層28，若為NMOS晶體管，則所述應(yīng)力層觀為張應(yīng)力層，若為PMOS晶體管，則所述應(yīng)力層觀為壓應(yīng)力層。當(dāng)然，在其他具體實施例中，還可以在半導(dǎo)體襯底上同時形成NMOS晶體管和PMOS 晶體管，其各自的柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上分別形成犧牲金屬側(cè)墻，且根據(jù)MOS晶體管的類型具有相應(yīng)的應(yīng)力；此外，還可以在NMOS晶體管上形成張應(yīng)力層，在PMOS晶體管上形成壓應(yīng)力層，以進(jìn)一步提高載流子遷移率。第二實施例圖10示出了本發(fā)明的MOS晶體管的形成方法的第二實施例的流程示意圖，第二實施例采用后柵工藝，如圖10所示，包括步驟S31，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中形成有開口，所述開口底部暴露出所述半導(dǎo)體襯底，所述開口兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底中形成有源區(qū)和漏區(qū)；步驟S32，在所述開口的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻，所述犧牲金屬側(cè)墻具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力；步驟S33，形成柵介質(zhì)層，覆蓋所述犧牲金屬側(cè)墻和所述開口底部的半導(dǎo)體襯底；步驟S34，在所述開口中填充柵電極。圖11至圖16示出了第二實施例的中間結(jié)構(gòu)的剖面圖，下面結(jié)合圖10和圖11至圖16對本發(fā)明的MOS晶體管的形成方法的第二實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。結(jié)合圖10和圖11，執(zhí)行步驟S31，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中形成有開口，所述開口底部暴露出所述半導(dǎo)體襯底，所述開口兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底中形成有源區(qū)和漏區(qū)。具體的，提供半導(dǎo)體襯底30，所述半導(dǎo)體襯底30上形成有介質(zhì)層32，所述介質(zhì)層32中形成有開口 33，所述開口 33底部暴露出所述半導(dǎo)體襯底30，所述開口 33兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底30中形成有源區(qū)35和漏區(qū)36。所述半導(dǎo)體襯底30的材料以是硅襯底、鍺硅襯底、III-V族元素化合物襯底、碳化硅襯底或其疊層結(jié)構(gòu)，或絕緣體上硅結(jié)構(gòu)，或金剛石襯底，或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他半導(dǎo)體材料襯底。本實施例中，所述半導(dǎo)體襯底30為硅襯底，其中還形成有隔離結(jié)構(gòu)31，所述隔離結(jié)構(gòu)31可以是淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他用于器件隔離或有源區(qū)隔離的隔離結(jié)構(gòu)。所述開口 33的形成方法可以是通過常規(guī)后柵工藝中相同的方法形成，即去除所述介質(zhì)層32中的偽柵結(jié)構(gòu)之后，形成開口 33。此外，本實施例中，所述開口 33側(cè)壁的介質(zhì)層32中還形成有介質(zhì)側(cè)墻34，其材料可以是氧化硅、氮化硅或其組合。與第一實施例類似的，所述開口 33底部的半導(dǎo)體襯底30的表面也形成有界面氧化層。結(jié)合圖10、圖12和圖13，執(zhí)行步驟S32，在所述開口的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻， 所述犧牲金屬側(cè)墻具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力。具體的，首先參考圖12，依次形成金屬層隔離介質(zhì)層37和金屬層38，所述隔離介質(zhì)層37覆蓋所述介質(zhì)層32的表面和所述開口 33的底部和側(cè)壁，所述金屬層38形成于所述隔離介質(zhì)層37之上。所述隔離介質(zhì)層37的材料可以是氧化硅、氮化硅等。所述金屬層38具有應(yīng)力，根據(jù)MOS晶體管的類型，若為NMOS晶體管，則所述金屬層38應(yīng)當(dāng)具有張應(yīng)力，其材料可以是鋁、鉻、鋯等，優(yōu)選的，所述金屬層38的材料為鉻或鋯， 其形成方法為濺射法，可以通過控制濺射過程中的反應(yīng)條件，如壓強(qiáng)、功率等使得形成的金屬層38具有張應(yīng)力。若為PMOS晶體管，則所述金屬層38應(yīng)當(dāng)具有壓應(yīng)力，其材料可以是鋁、鉭或鋯，優(yōu)選為β相位鉭，其形成方法可以包括使用濺射法形成β相位鉭薄膜，通過控制濺射過程的反應(yīng)條件，如壓強(qiáng)、功率等，使得形成的β相位鉭薄膜具有壓應(yīng)力；之后對所述β相位鉭薄膜進(jìn)行熱處理，所述熱處理可以是將所述β相位鉭薄膜加熱至380°C至420°C，加熱速率為8°C /min至12°C /min。熱處理過程可以加強(qiáng)β相位鉭薄膜的壓應(yīng)力，為了得到更高的壓應(yīng)力，可以重復(fù)所述加熱過程至少1次，如3次，7次。在一具體實施例中，通過濺射形成的β相位鉭薄膜的壓應(yīng)力為-1至_4GPa，經(jīng)過包括7次加熱過程的熱處理之后，其壓應(yīng)力上升至-6至-7GPa。之后參考圖13，對所述金屬層進(jìn)行各向異性刻蝕，去除開口 33底部以及位于介質(zhì)層32表面上方的金屬層，在所述開口 33的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻38a ；在形成犧牲金屬側(cè)墻38a之后，對所述隔離介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕，去除所述開口 33底部以及介質(zhì)層32表面上的隔離介質(zhì)層，剩余的隔離介質(zhì)層形成L型側(cè)墻37a，所述L型側(cè)墻37a位于所述犧牲金屬側(cè)墻38a與介質(zhì)側(cè)墻34之間，以及犧牲金屬側(cè)墻38a與半導(dǎo)體襯底30之間。由于所述犧牲金屬側(cè)墻38a在后續(xù)去氧過程中，可能并不會被完全氧化，所述L型側(cè)墻37a可以隔離所述犧牲金屬側(cè)墻38a和源區(qū)35及漏區(qū)36，防止它們之間短接。當(dāng)然，在其他具體實施例中，也可以不形成所述L型側(cè)墻37a，而是直接將所述犧牲金屬側(cè)墻38形成在所述開口 33的側(cè)壁上，直接位于所述半導(dǎo)體襯底30上。結(jié)合圖10和圖14，執(zhí)行步驟S33和步驟S34，形成柵介質(zhì)層，覆蓋所述犧牲金屬側(cè)墻和所述開口底部的半導(dǎo)體襯底；在所述開口中填充柵電極。具體的，形成柵介質(zhì)層39，覆蓋所述犧牲金屬側(cè)墻38a和所述開口底部的半導(dǎo)體襯底30 ；之后在所述開口中填充柵電極40，柵介質(zhì)層39和柵電極40構(gòu)成了本實施例的柵堆疊結(jié)構(gòu)。本實施例中，所述柵介質(zhì)層39的材料為高k材料，如氧化鉿(Hf02)、氧化鋯 (ZrO2)、氧化鑭(La2O3)，或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他高k材料，所述柵電極40的材料為金屬或其他導(dǎo)電材料，如鈦(Ti)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鎢(W)等，或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他可以用作柵電極的導(dǎo)電材料包括TiN，TiAlN等。在形成所述柵介質(zhì)層39之后，可以對所述半導(dǎo)體襯底30進(jìn)行退火，以使得所述犧牲金屬側(cè)墻38a吸收所述界面氧化層中的氧元素和柵介質(zhì)層39內(nèi)部的氧元素，與第一實施例類似的，所述犧牲金屬側(cè)墻38a在經(jīng)過退火及其他熱工藝之后，保持其在氧化前具有的應(yīng)力。之后，作為一個優(yōu)選的實施例，還可以在所述MOS晶體管上形成應(yīng)力層。具體的， 參考圖15和圖16，去除所述介質(zhì)層；形成應(yīng)力層41，覆蓋所述半導(dǎo)體襯底30、犧牲金屬側(cè)墻38a、柵電極40、柵介質(zhì)層39、L型側(cè)墻37a和介質(zhì)側(cè)墻34的表面。根據(jù)MOS晶體管的類型，若為NMOS晶體管，則所述應(yīng)力層41為張應(yīng)力層，其材料可以是具有張應(yīng)力的氮化硅、氧化鋁、氧化鉻或氧化鋯等；若為PMOS晶體管，則所述應(yīng)力層41為壓應(yīng)力層，其材料可以是具有壓應(yīng)力的氮化硅、氧化鉭或氧化鋯等。至此，第二實施例中形成的MOS晶體管如圖16所示，包括半導(dǎo)體襯底30 ；位于所述半導(dǎo)體襯底30上的柵堆疊結(jié)構(gòu)，所述柵堆疊結(jié)構(gòu)包括柵介質(zhì)層39和位于其上的柵電極 40 ；源區(qū)35和漏區(qū)36，位于所述柵堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底30中；犧牲金屬側(cè)墻38a， 位于所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，且具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力，若所述MOS晶體管為NMOS晶體管，則所述犧牲金屬側(cè)墻38a具有張應(yīng)力，若所述MOS晶體管為PMOS晶體管，則所述犧牲金屬側(cè)墻38a具有壓應(yīng)力。此外，本實施例中的MOS晶體管還包括位于所述犧牲金屬側(cè)墻38a外圍側(cè)壁的介質(zhì)側(cè)墻34，以及位于所述犧牲金屬側(cè)墻38a和介質(zhì)側(cè)墻34之間以及犧牲金屬側(cè)墻38a和半導(dǎo)體襯底30之間的L型側(cè)墻37a ；以及覆蓋所述MOS晶體管的應(yīng)力層41，若為NMOS晶體管，則所述應(yīng)力層41為張應(yīng)力層，若為PMOS晶體管，則所述應(yīng)力層41為壓應(yīng)力層。當(dāng)然，在其他具體實施例中，還可以在半導(dǎo)體襯底上同時形成NMOS晶體管和PMOS 晶體管，其各自的柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上分別形成犧牲金屬側(cè)墻，且根據(jù)MOS晶體管的類型具有相應(yīng)的應(yīng)力；此外，還可以在NMOS晶體管上形成張應(yīng)力層，在PMOS晶體管上形成壓應(yīng)力層，以進(jìn)一步提高載流子遷移率。綜上，本技術(shù)方案在柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻，以吸收和去除柵堆疊結(jié)構(gòu)中的氧元素，避免了現(xiàn)有技術(shù)可能導(dǎo)致等效氧化層厚度增加、器件性能的一致性較差的問題。而且本技術(shù)方案的犧牲金屬側(cè)墻還具有應(yīng)力，有利于提高M(jìn)OS晶體管的載流子遷移率，改善器件性能。進(jìn)一步的，本技術(shù)方案可以同時適用于前柵工藝和后柵工藝，便于工藝集成，工業(yè)可用性強(qiáng)。本發(fā)明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種MOS晶體管，包括 半導(dǎo)體襯底；位于所述半導(dǎo)體襯底上的柵堆疊結(jié)構(gòu)，所述柵堆疊結(jié)構(gòu)包括依次位于所述半導(dǎo)體襯底上的柵介質(zhì)層和柵電極；源區(qū)和漏區(qū)，位于所述柵堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底中； 其特征在于，還包括犧牲金屬側(cè)墻，位于所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，且具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MOS晶體管，其特征在于，所述MOS晶體管為NMOS晶體管，所述犧牲金屬側(cè)墻具有張應(yīng)力。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MOS晶體管，其特征在于，所述犧牲金屬側(cè)墻的材料為鋁、鉻、 鋯或它們的氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MOS晶體管，其特征在于，所述MOS晶體管為PMOS晶體管，所述犧牲金屬側(cè)墻具有壓應(yīng)力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的MOS晶體管，其特征在于，所述犧牲金屬側(cè)墻的材料為鋁、鉭或鋯或它們的氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MOS晶體管，其特征在于，還包括L型側(cè)墻，位于所述犧牲金屬側(cè)墻與所述柵堆疊結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體襯底之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MOS晶體管，其特征在于，還包括 介質(zhì)側(cè)墻，位于所述半導(dǎo)體襯底上、所述犧牲金屬側(cè)墻的外圍側(cè)壁上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的MOS晶體管，其特征在于，還包括L型側(cè)墻，位于所述介質(zhì)側(cè)墻和所述犧牲金屬側(cè)墻之間，以及所述犧牲金屬側(cè)墻和半導(dǎo)體襯底之間。
9.一種MOS晶體管的形成方法，其特征在于，包括 提供半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底上形成柵堆疊結(jié)構(gòu)，所述柵堆疊結(jié)構(gòu)包括依次位于所述半導(dǎo)體襯底上的柵介質(zhì)層和柵電極；在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻，所述犧牲金屬側(cè)墻具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力；在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底中形成源區(qū)和漏區(qū)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的MOS晶體管的形成方法，其特征在于，所述在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻包括形成金屬層，覆蓋所述半導(dǎo)體襯底的表面和所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的表面和側(cè)壁； 對所述金屬層進(jìn)行各向異性刻蝕，去除所述半導(dǎo)體襯底表面和柵堆疊結(jié)構(gòu)表面的金屬層，在所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成所述犧牲金屬側(cè)墻。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的MOS晶體管的形成方法，其特征在于，在形成所述金屬層之前還包括形成隔離介質(zhì)層，覆蓋所述半導(dǎo)體襯底的表面和柵堆疊結(jié)構(gòu)的表面和側(cè)壁，所述金屬層形成于所述隔離介質(zhì)層之上；在對所述金屬層進(jìn)行各向異性刻蝕之后，還包括對所述隔離介質(zhì)層進(jìn)行各向異性刻蝕，去除所述柵堆疊結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體襯底表面的隔離介質(zhì)層，在所述犧牲金屬側(cè)墻與柵堆疊結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體襯底之間形成L型側(cè)墻。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的MOS晶體管的形成方法，其特征在于，所述MOS晶體管為 NMOS晶體管，所述金屬層具有張應(yīng)力。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的MOS晶體管的形成方法，其特征在于，所述金屬層的材料為招、恪、錯。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的MOS晶體管的形成方法，其特征在于，所述MOS晶體管為 PMOS晶體管，所述金屬層具有壓應(yīng)力。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的MOS晶體管的形成方法，其特征在于，所述金屬層的材料為鋁、鉭或鋯。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的MOS晶體管的形成方法，其特征在于，在形成所述犧牲金屬側(cè)墻之后，形成所述源區(qū)和漏區(qū)之前，還包括在所述半導(dǎo)體襯底上、所述犧牲金屬側(cè)墻的外圍側(cè)壁上形成介質(zhì)側(cè)墻。
17.—種MOS晶體管的形成方法，其特征在于，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中形成有開口，所述開口底部暴露出所述半導(dǎo)體襯底，所述開口兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底中形成有源區(qū)和漏區(qū)；在所述開口的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻，所述犧牲金屬側(cè)墻具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力；形成柵介質(zhì)層，覆蓋所述犧牲金屬側(cè)墻和所述開口底部的半導(dǎo)體襯底；在所述開口中填充柵電極。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的MOS晶體管的形成方法，其特征在于，所述在所述開口的側(cè)壁上形成犧牲金屬側(cè)墻包括形成金屬層，覆蓋所述介質(zhì)層的表面和所述開口的底部和側(cè)壁；對所述金屬層進(jìn)行各向異性刻蝕，去除所述介質(zhì)層表面和開口底部的金屬層，在所述開口側(cè)壁上形成所述犧牲金屬側(cè)墻。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的MOS晶體管的形成方法，其特征在于，所述MOS晶體管為 NMOS晶體管，所述金屬層具有張應(yīng)力。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的MOS晶體管的形成方法，其特征在于，所述金屬層的材料為招、恪、錯。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的MOS晶體管的形成方法，其特征在于，所述MOS晶體管為 PMOS晶體管，所述金屬層具有壓應(yīng)力。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的MOS晶體管的形成方法，其特征在于，所述金屬層的材料為鋁、鉭或鋯。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的MOS晶體管的形成方法，其特征在于，在形成所述金屬層之前,還包括形成隔離介質(zhì)層，覆蓋所述介質(zhì)層的表面和所述開口的底部和側(cè)壁，所述金屬層形成于所述隔離介質(zhì)層之上；在對所述金屬層進(jìn)行各向異性刻蝕形成所述犧牲金屬側(cè)墻之后，還包括對所述隔離介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕，去除所述介質(zhì)層表面和開口底部的隔離介質(zhì)層，在所述犧牲金屬側(cè)墻與所述介質(zhì)層和半導(dǎo)體襯底之間形成L型側(cè)墻。
全文摘要
一種MOS晶體管及其形成方法，所述MOS晶體管包括半導(dǎo)體襯底；位于所述半導(dǎo)體襯底上的柵堆疊結(jié)構(gòu)，所述柵堆疊結(jié)構(gòu)包括依次位于所述半導(dǎo)體襯底上的柵介質(zhì)層和柵電極；源區(qū)和漏區(qū)，位于所述柵堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底中；犧牲金屬側(cè)墻，位于所述柵堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，且具有張應(yīng)力或壓應(yīng)力。本發(fā)明有利于降低等效氧化層厚度，增強(qiáng)器件一致性，提高載流子遷移率，增強(qiáng)器件性能。
文檔編號H01L21/336GK102544098SQ20101061828
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者楊達(dá), 梁擎擎, 趙超, 鐘匯才 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所