[發明專利]應變硅通道半導體結構及其制作方法

有效

• 申請號: 201110328839.4
• 申請日: 2011-10-26
• 公開（公告）號: CN103077959A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 楊建倫;郭敏郎;廖晉毅;簡金城;詹書儼;吳俊元
• 申請（專利權）人: 聯華電子股份有限公司
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L27/092;H01L21/8238
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 陳小雯

技術領域

本發明涉及一種應變硅通道半導體結構及其制作方法，特別是涉及一種具有較佳載流子遷移率的應變硅通道半導體結構及其制作方法。

背景技術

隨著現今半導體元件朝向微型化的尺寸發展，晶體管中柵極、源極、漏極的尺寸也隨著特征尺寸的減小而跟著不斷地縮小。但由于材料先天物理性質的限制，柵極、源極、漏極的尺寸減小會造成晶體管元件中決定電流大小的載流子量減少，進而影響晶體管的效能。因此，提升載流子遷移率以增加晶體管的速度已成為目前半導體技術領域中的一大課題。

為了增加載流子遷移率，目前現有的技術手段之一為形成應變硅通道。應變硅通道技術可在不改變柵極寬度的情況下增加電子團和空穴團的遷移率，進而改進其晶體管的運作速度。此作法不須增加電路制造或設計的復雜度即可改善半導體元件的效能，故為業界廣為采用。

在目前實作中，形成應變硅通道的方法之一即為使用選擇性外延成長(selective?epitaxial?growth，SEG)技術于一基底形成一晶格排列與基底相同的外延層來作為應力源。該些外延材會具有與硅基底不同的晶格常數，故會對鄰近硅通道的晶格造成應力，進而產生應變硅通道，達成遷移率提升的效果。

舉例言之，對以空穴(h+)作為通道載流子的PMOS晶體管而言，其硅基底上的源極/漏極區域可以形成一硅鍺(SiGe)外延層。由于硅鍺外延的晶格常數本質上比硅還大，故該硅鍺外延層會對鄰近通道的晶格造成應力，進而形成一壓縮性的應變通道(compressive?strained?channel)。該壓縮性應變通道的能帶結構有利于空穴的遷移，故可增加PMOS元件作動的速度。

同樣地，對以電子(e-)作為載流子的NMOS晶體管而言，其硅基底上的源極/漏極區域可以形成一碳化硅(SiC)外延層。由于碳化硅外延的晶格常數本質上比硅還小，故該碳化硅外延層會對鄰近通道的晶格造成應力，進而形成一伸張性的應變通道(tensile?strained?channel)。該伸張性應變通道的能帶結構有利于電子的遷移，故可增加NMOS元件作動的速度。

現在請參照圖1，其為先前技術中一使用應變硅通道技術的CMOS晶體管結構的截面示意圖。如圖所示，一般的CMOS晶體管結構100中會具有一PMOS區域102與一NMOS區域104，其間以一淺溝槽隔離結構(STI)105來分隔。該PMOS區域102與NMOS區域104中除了會具有一般現有的柵極106、源極/漏極區域(未示出)、間隙壁108等結構外，其源極/漏極區域中還會另外形成有凹槽110，以供對應的應力材(如SiGe或SiC)填入形成外延層112。形成在凹槽110中的外延層112會對PMOS區域102與NMOS區域104中源極/漏極間的硅通道區域114分別施加不同態樣的應力，因而形成應變硅通道，達成遷移率提升的效果。

目前業界仍在致力于研究如何去提升半導體元件中的載流子遷移率以及其電性表現，以因應未來半導體元件尺寸越來越小的趨勢。對此，就現有以應變硅通道為基礎的半導體技術而言，如何改良其結構以進一步提升其電性表現是為相關領域的技術人士今后研究的重要課題。

發明內容

為了進一步提升應變硅通道半導體結構的效能表現，本發明提出了一種改良的應變硅通道半導體結構及其制作方法，以此方法所制作出的應變硅通道半導體結構由于其作為應力源的外延層較接近硅通道區域之故，其會具有較佳的載流子遷移率

本發明的目的之一在于提供一種應變硅通道半導體結構，該應變硅通道半導體結構包含一具有一上表面的基底、一設于該上表面的柵極結構、至少一形成于該柵極結構側邊基底中的凹槽，其中該凹槽具有至少一側壁，該側壁更具有一上側壁面與一下側壁面向該柵極結構方向凹入且該上側壁面與水平面呈一介于54.5°～90°之間的夾角、以及一外延層填滿該凹槽作為應力源。

本發明的另一目的在于一種制作應變硅通道半導體結構的方法，其步驟包含提供一基底、在該基底上形成至少一柵極結構、進行一蝕刻制作工藝以于該柵極結構側邊的該基底中形成至少一凹槽、進行一溫度介于700℃～1000℃的預烤制作工藝、以及進行一外延成長制作工藝以于該凹槽內形成外延層作為應力源。

無疑地，本發明的這類目的與其他目的在閱者讀過下文以多種圖示與繪圖來描述的較佳實施例細節說明后將變得更為顯見。

附圖說明

本說明書含有附圖并于文中構成了本說明書的一部分，俾使閱者對本發明實施例有進一步的了解。該些圖示描繪了本發明一些實施例并連同本文描述一起說明了其原理。在該些圖示中：