專利名稱：形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方式總體上涉及用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)力記憶方法，更具體地，涉及用于鰭式或三柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)力記憶方法。
背景技術(shù)：
經(jīng)過金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的溝道區(qū)的電荷載流子的遷移率直接影響性能。具體地，載流子遷移率影響在溝道區(qū)中流動(dòng)的電流或電荷(比如電子或空穴)的量。降低的載流子遷移率可以減慢特定的晶體管的開關(guān)速度。降低的載流子遷移率還可以縮小開和關(guān)狀態(tài)之間的區(qū)別，從而提高了對(duì)噪聲的敏感度。已經(jīng)使用了各種技術(shù)來提高在這樣的器件中的電荷載流子遷移率。
例如，使用一種公知的應(yīng)力記憶技術(shù)(Stress MemorizationTechnology)已經(jīng)有益地提高了平面型互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件的遷移率。這種技術(shù)使用溝道區(qū)的機(jī)械應(yīng)力控制來提高p型FET(p-FET)中的空穴遷移率和n型FET(n-FET)中的電子遷移率。在溝道區(qū)中的單軸向張應(yīng)變(平行于電流方向)增加電子遷移率，降低空穴遷移率，而在溝道區(qū)中的單軸向壓應(yīng)變(平行于電流方向)增加空穴遷移率，降低電子遷移率。
具體地，參見圖1，所述技術(shù)始于平面型FET結(jié)構(gòu)200。所述FET200包括設(shè)置在晶片的硅層中的源/漏區(qū)220之間的溝道區(qū)230，還包括在所述溝道區(qū)230上方的多晶硅柵210(102，見圖2a)。在形成FET結(jié)構(gòu)200的柵極210和源/漏區(qū)220之后，在所述FET結(jié)構(gòu)上方淀積合適地選擇的應(yīng)變層250(106，見圖2c)。例如，可以將壓應(yīng)變層淀積在p-FET上方，將張應(yīng)變層淀積在n-FET上方。
在形成應(yīng)變層250之前或之后，進(jìn)行非晶化注入工藝以非晶化多晶硅柵210和源/漏區(qū)220的硅(104，見圖2b)。使用快速熱退火工藝來使硅源/漏區(qū)220和多晶硅柵210再結(jié)晶(再晶化)，使得應(yīng)變層250的應(yīng)變分別被“記憶”在源/漏區(qū)220和柵極210的硅和多晶硅中。通過向源/漏區(qū)和柵極中引入張應(yīng)變或壓應(yīng)變，相似的應(yīng)變被給予溝道區(qū)230(108)。另外，可以去除應(yīng)變層250(110)，并可以在所述晶片表面上淀積第二應(yīng)變層，這樣，上面所述的最終好處只要通過簡(jiǎn)單的淀積應(yīng)變膜即可得到(112)。
遺憾的是，這種應(yīng)力記憶技術(shù)不能直接地轉(zhuǎn)用到非平面型FET(例如雙柵FET，如鰭式FET或三柵FET)中。因此，此領(lǐng)域需要一種適用于非平面型FET的應(yīng)力記憶技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述，在此公開了一種適用于形成一個(gè)或多個(gè)非平面型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)(比如鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(finFET)和三柵FET)的應(yīng)力記憶技術(shù)的實(shí)施方式。所述技術(shù)在非平面型FET的多晶硅柵電極中引入選定的應(yīng)變以在FET溝道區(qū)上給予相似的應(yīng)變，從而優(yōu)化了FET性能，同時(shí)保護(hù)了半導(dǎo)體鰭片的源/漏區(qū)。具體地，在所述鰭片的源/漏區(qū)的頂面上形成保護(hù)蓋層以在隨后的非晶化離子注入工藝中保護(hù)所述源/漏區(qū)。由于在平行于鰭片的平面中并相對(duì)于垂直軸線傾斜地將離子束引向柵極，在這個(gè)注入工藝期間進(jìn)一步保護(hù)了所述鰭片。結(jié)果，鰭片的非晶化和對(duì)鰭片的損壞得到了限制。在注入工藝(其可在形成應(yīng)變層之前或之后進(jìn)行)之后進(jìn)行再結(jié)晶退火，這樣應(yīng)變層的應(yīng)變就被“記憶”在多晶硅柵中。
更具體地，在此方法的一個(gè)實(shí)施方式中，在襯底上形成非平面型FET(例如，finFET或三柵FET)。所述非平面型FET可以包括半導(dǎo)體鰭片，半導(dǎo)體鰭片在相對(duì)端具有源/漏區(qū)，并在所述鰭片的中心具有設(shè)置在所述源/漏區(qū)之間的溝道區(qū)。所述FET還可以包括和所述溝道區(qū)毗鄰的在鰭片上方的柵極。
在半導(dǎo)體鰭片的頂面上形成保護(hù)層(例如，SiO2或Si3N4)。根據(jù)要被形成的FET的類型，保護(hù)層可以在形成所述柵極之前或之后形成。例如，如果非平面型FET要被形成為finFET或者將是三柵FET，則所述保護(hù)層可以在所述柵極之后形成，這樣所述保護(hù)層只形成在所述源/漏區(qū)上而不在所述溝道區(qū)上。但是，如果非平面型FET要被形成為finFET，則所述保護(hù)層還可以在所述柵極之前形成，這樣所述保護(hù)層位于所述源/漏區(qū)和所述溝道區(qū)上。
和使用傳統(tǒng)的應(yīng)力記憶技術(shù)一樣，注入離子是為了非晶化所述柵極。但是，在此公開的本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種新的技術(shù)，該技術(shù)用于通過注入離子來進(jìn)一步防止對(duì)鰭片的損壞和限制所述鰭片的源/漏區(qū)的非晶化。具體地，通過將離子在和包括鰭片的平面平行的平面中引向柵極以及通過將離子以非直角引向襯底(例如，通過使離子束相對(duì)于垂直軸線傾斜)來完成非晶化離子注入工藝。在所述鰭片的頂面上的保護(hù)層防止離子通過源/漏區(qū)的頂面被注入。另外，通過在與鰭片相同的平面中引導(dǎo)離子束并使離子束相對(duì)于垂直軸線傾斜，所述離子被引入到柵極的相對(duì)側(cè)壁中而不被引入到所述鰭片的相對(duì)側(cè)壁中。由此，避免了對(duì)所述鰭片的損壞以及鰭片的源/漏區(qū)的完全非晶化。
然后，在柵極上形成合適的應(yīng)變層。在離子注入工藝和應(yīng)變層形成之后，可以進(jìn)行熱退火工藝以使柵極和半導(dǎo)體鰭片的在離子注入工藝期間可能已經(jīng)被非晶化的那些部分再結(jié)晶。如上所述，這個(gè)再結(jié)晶工藝使得應(yīng)變層的應(yīng)變被“記憶”在溝道區(qū)上的多晶硅柵中，這樣，向鰭片中的溝道區(qū)中給予了相似的應(yīng)變。在所述再結(jié)晶工藝之后，可以去除應(yīng)變層?？蛇x地，在去除所述第一應(yīng)變層之后，可以在所述FET結(jié)構(gòu)上，具體地，在柵極上，形成第二應(yīng)變層，以進(jìn)一步增強(qiáng)在所述FET的溝道區(qū)中的應(yīng)變。
在所述方法的另一個(gè)實(shí)施方式中，多個(gè)非平面型FET形成在同一襯底上。所述非平面型FET中的每一個(gè)可以包括在相對(duì)末端具有源/漏區(qū)、在中央具有設(shè)置在所述源/漏區(qū)之間的溝道區(qū)的半導(dǎo)體鰭片。所述每一個(gè)FET還可以包括和所述溝道區(qū)毗鄰的鰭片上方的柵極。此外，所述每一個(gè)FET的鰭片可以取向在相同的方向或不同的方向。
在所述每一個(gè)鰭片的頂面上同時(shí)形成保護(hù)層(例如，SiO2或Si3N4層)。根據(jù)使用本發(fā)明的方法要被形成的FET的類型，保護(hù)層可以在形成所述柵極之前或之后形成。例如，如果非平面型FET要被形成為finFET或者將是三柵FET，則所述保護(hù)層可以在所述柵極之后形成，這樣所述保護(hù)層只形成在所述鰭片的源/漏區(qū)上而不在溝道區(qū)上。但是，如果非平面型FET要被形成為finFET，則所述保護(hù)層還可以在所述柵極之前形成，這樣所述保護(hù)層位于所述鰭片的源/漏區(qū)和溝道區(qū)上。
和傳統(tǒng)的應(yīng)力記憶技術(shù)一樣，離子被注入每一個(gè)柵極。具體地，通過在與包括鰭片的平面平行的平面中將離子引向(也就是將離子束引向)柵極，并通過以非直角將離子引向襯底(例如，通過使離子束相對(duì)于垂直軸線傾斜)來完成非晶化離子注入工藝。
例如，如果所述鰭片(比如，所述第一和第二半導(dǎo)體鰭片)被取向在同一方向，則可以向所述柵極(比如，所述第一和第二柵極)同時(shí)注入離子來同時(shí)非晶化兩個(gè)柵極。也就是，所述離子束在平行于兩個(gè)半導(dǎo)體鰭片的平面中被引向柵極。另外，所述離子束還以非直角(比如，在大約50到80度之間)被引向所述襯底。預(yù)先確定所述角度使得注入工藝不會(huì)被所述襯底的任何其它部件(比如其它柵極、其它器件等)阻擋。
在所述鰭片的頂面上的保護(hù)層阻止離子通過源/漏區(qū)的頂面被注入。另外，通過在與鰭片相同的平面中引導(dǎo)離子束并使離子束傾斜，所述離子被引入到柵極的相對(duì)側(cè)壁中，而不進(jìn)入所述鰭片的相對(duì)側(cè)壁中。由此，避免了對(duì)所述鰭片的損壞以及鰭片的源/漏區(qū)的完全非晶化。
或者，如果所述鰭片(比如，所述第一和第二半導(dǎo)體鰭片)取向在不同方向，則可以使用掩蔽/步進(jìn)式工藝來完成非晶化離子注入工藝。例如，可以掩蔽第二半導(dǎo)體鰭片和柵極。然后可以向第一柵極注入離子。具體地，所述離子以離子束的形式在平行于第一半導(dǎo)體鰭片的第一平面中被引向第一柵極。所述離子還被以第一非直角地(比如，在大約50到80度之間)引向所述襯底。預(yù)先確定所述角度使得注入工藝不會(huì)被所述襯底上的任何其它部件(比如掩模、其它器件等)阻擋。第一鰭片的頂面上的保護(hù)層阻止離子通過源/漏區(qū)的頂面被注入。此外，通過在與第一鰭片相同的平面中引導(dǎo)離子并使離子束傾斜，所述離子被特定地引向第一柵極的側(cè)壁而不引向第一半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁。
在非晶化第一柵極后，第二半導(dǎo)體鰭片和柵極被解除掩蔽，然后掩蔽第一半導(dǎo)體鰭片和柵極。重復(fù)所述注入工藝。也就是，向第二柵極注入離子。具體地，所述離子以離子束的形式在平行于第二半導(dǎo)體鰭片的第二平面中被引向第二柵極。所述離子還以第二非直角(比如，在大約50到80度之間)被引向所述襯底。預(yù)先確定所述角度使得注入工藝不會(huì)被所述襯底上的任何其它部件(比如，掩模，其它器件等)阻擋。第二鰭片的頂面上的保護(hù)層阻止離子通過過源/漏區(qū)的頂面被注入。此外，通過在與第二鰭片相同的平面中的引導(dǎo)離子以及使離子束傾斜，所述離子被特定地引向第二柵極的側(cè)壁而不被引向第二半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁。這樣，避免了對(duì)所述鰭片的損壞以及鰭片的源/漏區(qū)的完全非晶化。
然后，可以在所有柵極上形成合適的應(yīng)變層。例如，如果所有的要被形成的FET都是p型FET，則淀積壓應(yīng)變層(例如，壓性氮化物層)?；蛘?，如果所有的要被形成的FET都是n型FET，則淀積張應(yīng)變層(例如，張性氮化物層)。如果p型FET和n型FET要被形成在同一襯底上，則可以應(yīng)用傳統(tǒng)技術(shù)在所述襯底上形成雙應(yīng)變層，使得p型FET由雙應(yīng)變層的壓性部分覆蓋而n型FET由雙應(yīng)變層的張性部分覆蓋。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解盡管可以優(yōu)選地在非晶化柵極之后形成所述應(yīng)變層，但是也可以在非晶化多晶硅柵之前形成所述應(yīng)變層。
繼離子注入工藝和應(yīng)變層形成之后，可以進(jìn)行熱退火工藝以使所述柵極(也就是，第一和第二柵極)以及半導(dǎo)體鰭片的那些在離子注入工藝期間可能已經(jīng)被非晶化的部分(也就是，部分第一和第二半導(dǎo)體鰭片)再結(jié)晶。如上所述，這個(gè)再結(jié)晶工藝使得應(yīng)變層的應(yīng)變被“記憶”在多晶硅柵中，這樣，向在柵極下方的鰭片中的溝道區(qū)給予了相似的應(yīng)變。
在所述再結(jié)晶工藝之后，可以去除所述應(yīng)變層，可以在所述FET結(jié)構(gòu)上形成另一應(yīng)變層，以進(jìn)一步增強(qiáng)在每一個(gè)FET的溝道區(qū)中的應(yīng)變。
結(jié)合下面的說明和附圖將更好地理解本發(fā)明的實(shí)施方式的這些和其它方面。但是，應(yīng)當(dāng)理解，盡管下面的說明表達(dá)了本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式和本發(fā)明的大量具體細(xì)節(jié)，但它是為了說明的目的，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)，在本發(fā)明的實(shí)施方式的范圍中可以進(jìn)行許多改變和修改，而本發(fā)明的實(shí)施方式包括所有這樣的修改。


從下面結(jié)合附圖的具體說明將更好地理解本發(fā)明的實(shí)施方式，其中圖1是圖解了應(yīng)力記憶技術(shù)的流程圖；圖2a到2c是圖解了根據(jù)圖1的方法形成的部分完成的平面型FET200的示意圖；圖3a和3b是分別圖解示例的非平面型FET300的橫截面示意圖和頂視示意圖；圖4是圖解了本發(fā)明的方法的一種實(shí)施方式的流程圖；圖5是圖解了根據(jù)圖4的方法形成的部分完成的非平面型FET500的示意圖；圖6是圖解了根據(jù)圖4的方法形成的部分完成的非平面型FET500的示意圖；圖7是圖解了根據(jù)圖4的方法形成的部分完成的非平面型FET500的示意圖；圖8是圖解了本發(fā)明的方法的另外的實(shí)施方式的流程圖；圖9是圖解了根據(jù)圖8的方法形成的多個(gè)部分完成的非平面型FET900a-b的示意圖；圖10是圖解了根據(jù)圖8的方法形成的多個(gè)部分完成的非平面型FET900a-b的示意圖；圖11是圖解了根據(jù)圖8的方法形成的多個(gè)部分完成的非平面型FET900a-b的示意圖；圖12是圖解了根據(jù)圖8的方法形成的多個(gè)部分完成的非平面型FET1200a-b的示意圖；圖13是圖解了根據(jù)圖8的方法形成的多個(gè)部分完成的非平面型FET1200a-b的示意圖；圖14是圖解了根據(jù)圖8的方法形成的多個(gè)部分完成的非平面型FET1200a-b的示意圖；以及圖15是圖解了根據(jù)圖8的方法形成的多個(gè)部分完成的非平面型FET900a-b的示意圖。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合在附圖中圖解和下面說明中詳細(xì)描述的非限制性實(shí)施方式，將更徹底地說明本發(fā)明的實(shí)施方式和本發(fā)明的各種詳細(xì)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)注意，所述附圖中圖示的器件未按比例繪制。省略了對(duì)公知的元件和處理技術(shù)的描述以免不必要地模糊本發(fā)明的實(shí)施方式。在此使用的例子僅僅意在便于理解可以實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例的方式并進(jìn)而使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明的實(shí)施方式。因此，不能將所述例子認(rèn)作是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限制。
如上所述，已經(jīng)使用了包括圖1的流程圖中圖解的和上面說明的應(yīng)力記憶技術(shù)的各種技術(shù)，以提高平面型器件比如平面互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件中的電荷載流子遷移率。遺憾的是，這種應(yīng)力記憶技術(shù)不能以直接的方式轉(zhuǎn)用到非平面型FET比如雙柵FET(也就是，鰭式FET)或三柵FET上。
更具體地，綜合參見圖3a-b，非平面型FET300是具有在半導(dǎo)體鰭片305的相對(duì)末端處的源/漏區(qū)320和在鰭片305的中間的在源/漏區(qū)320之間設(shè)置的溝道區(qū)330的晶體管，比如鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(finFET)和三柵FET。在鰭片305上形成和溝道區(qū)330相鄰(也就是，在所述鰭片的中間區(qū)的頂面和相對(duì)側(cè)壁上)的柵極310。
對(duì)于finFET，鰭片305較薄(例如，柵極310長(zhǎng)度的大約四分之一或更小)以確保完全耗盡(depleted)溝道區(qū)330并確保抑制有害的短溝道效應(yīng)，比如閾電壓的可變性和過度的漏極泄漏電流。這樣，和溝道區(qū)330相鄰的柵極310提供了二維場(chǎng)效應(yīng)(也就是，和所述鰭片的相對(duì)側(cè)相關(guān)的場(chǎng)效應(yīng))。
對(duì)于三柵FET，鰭片305較厚，以提供三維場(chǎng)效應(yīng)(也就是，和所述鰭片的相對(duì)側(cè)和所述鰭片的頂面相關(guān)的場(chǎng)效應(yīng))，但還是足夠薄以允許溝道區(qū)330保持完全耗盡(例如，所述鰭片的寬和高的比可以在3∶2和2∶3之間的范圍內(nèi))。所述三維場(chǎng)效應(yīng)允許在平面晶體管上實(shí)現(xiàn)更大的驅(qū)動(dòng)電流和改善的短溝道特性。
這樣的非平面型FET300的溝道區(qū)330可以得益于應(yīng)力記憶來提高載流子遷移率；但是，上述的圖1圖示的應(yīng)力記憶技術(shù)不適用于非平面型FET300，因?yàn)樵诜瞧矫嫘虵ET(例如，finFET或三柵FET)中的半導(dǎo)體鰭片305脆而易損壞，這是由于用離子注入工藝104來非晶化多晶硅柵310。此外，所述注入工藝104可能將鰭片305的源/漏區(qū)320非晶化到使得再結(jié)晶鰭片305的工藝108變得困難的程度，這是因?yàn)轹捚?05不是體晶體結(jié)構(gòu)的一部分。
鑒于以上所述，在此公開了適用于形成一個(gè)或多個(gè)非平面型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，比如鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(finFET)和三柵FET的應(yīng)力記憶技術(shù)的實(shí)施方式。所述技術(shù)在非平面型FET的多晶硅柵電極中產(chǎn)生選擇的應(yīng)變，以在FET溝道區(qū)上給予相似的應(yīng)變，由此優(yōu)化了FET性能，同時(shí)保護(hù)了半導(dǎo)體鰭片的源/漏區(qū)。具體地，對(duì)于每一個(gè)FET，在所述鰭片的源/漏區(qū)的頂面上形成保護(hù)蓋層以在隨后的非晶化離子注入工藝期間保護(hù)那些區(qū)域。在這個(gè)注入工藝期間進(jìn)一步保護(hù)鰭片，因?yàn)殡x子束在平行于所述鰭片的平面中被引向柵極且相對(duì)于垂直軸線傾斜。這樣，限制了對(duì)鰭片的非晶化和損壞。在注入工藝(其可以在形成應(yīng)變層之前或之后進(jìn)行)之后，進(jìn)行再結(jié)晶退火使得所述應(yīng)變層的應(yīng)變被“記憶”到多晶硅柵中。
更具體地，參見圖4，在所述方法的一種實(shí)施方式中，在襯底上形成半導(dǎo)體非平面型FET結(jié)構(gòu)(例如，finFET結(jié)構(gòu)或三柵FET結(jié)構(gòu))(401)。具體地，半導(dǎo)體鰭片505可以被形成并配置為結(jié)合到n型或p型finFET或者三柵FET500中(見圖5-6)。所述鰭片505可以由硅形成并可以在其相對(duì)末端上形成有源/漏區(qū)520，并在所述源/漏區(qū)之間設(shè)置溝道區(qū)530。對(duì)于n型或p型FET，可以適當(dāng)?shù)氐負(fù)诫s源/漏區(qū)520和溝道區(qū)530。此外，可以將包括柵電介質(zhì)層和多晶硅柵導(dǎo)體的柵極510形成為與鰭片505的溝道區(qū)530相鄰(也就是，柵極510形成在鰭片505的中間區(qū)的相對(duì)側(cè)壁和頂面上)。
在源/漏區(qū)620上的半導(dǎo)體鰭片606的頂面506上形成保護(hù)層550(401)?？梢酝ㄟ^例如淀積氧化物層(比如SiO2)或氮化物層(比如Si3N4)形成保護(hù)層550。
根據(jù)使用本發(fā)明的方法來形成的FET的類型(例如，finFET或三柵FET)，可以在形成柵極之前或之后來形成所述保護(hù)層(403-404)。具體地，如果非平面型FET500將是finFET或者是三柵FET，則可以在柵極510之后形成保護(hù)層550，這樣保護(hù)層550只位于源/漏區(qū)520上和而不在溝道區(qū)530上。但是，如果非平面型FET500將是finFET，則還可以在柵極510之前形成保護(hù)層550，這樣保護(hù)層550同時(shí)位于源/漏區(qū)520和溝道區(qū)530上。由于finFET表現(xiàn)了和溝道區(qū)的相對(duì)側(cè)而不是頂面相關(guān)的場(chǎng)效應(yīng)，在所述finFET溝道區(qū)的頂面上的保護(hù)層將不會(huì)干擾FET性能。
和傳統(tǒng)應(yīng)力記憶技術(shù)一樣(見圖1的上述說明)，將離子注入柵極510以非晶化所述柵極510(406)。也就是，使用電場(chǎng)將離子加速到所需要的能量并以離子束570的形式將所述離子引向柵極510的表面(見圖6)。離子的能量決定注入的深度，因此，預(yù)先確定這個(gè)能量以確保在注入工藝期間完全非晶化多晶硅柵510。然而，在此公開的所述方法的實(shí)施方式提供了一種用于注入離子的新技術(shù)以進(jìn)一步防止對(duì)鰭片505的損壞，以及限制鰭片505的源/漏區(qū)520的非晶化。具體地，通過在平行于包含鰭片505的平面的平面555中向柵極510引導(dǎo)離子(也就是，引導(dǎo)離子束570)，并以非直角(也就是，使離子束570相對(duì)于垂直軸線傾斜)向襯底引導(dǎo)離子，來完成非晶化離子注入工藝(406)。鰭片505的頂面506上的保護(hù)層550防止離子通過源/漏區(qū)520的頂面被注入。此外，通過在與鰭片505相同的平面555中引導(dǎo)離子束并使離子束傾斜，將離子引入柵極的相對(duì)側(cè)壁511中而不引入鰭片505的相對(duì)側(cè)壁507中。由此，避免了對(duì)所述鰭片505的損壞以及鰭片505的源/漏區(qū)520的完全非晶化。
然后在FET結(jié)構(gòu)500，具體地在柵極510(410，見圖7)上方形成合適的應(yīng)變層560。例如，可以在p-FET上方淀積壓應(yīng)變層(例如壓性氮化物層)，或者在n-FET上方淀積張應(yīng)變層(例如張性氮化物層)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解盡管可能最好在非晶化多晶硅柵之后形成應(yīng)變層，但是也可以在非晶化多晶硅柵之前形成所述應(yīng)變層。
在離子注入工藝(406)和應(yīng)變層形成(410)之后，可用進(jìn)行熱退火工藝以再結(jié)晶柵極510和半導(dǎo)體鰭片505的在離子注入工藝(412)期間可能已被非晶化的那些部分。如上所述，這個(gè)再結(jié)晶工藝使得應(yīng)變層550的應(yīng)變被“記憶”在溝道區(qū)530上的多晶硅柵510中，這樣，在鰭片505的溝道區(qū)530中給予了相似的應(yīng)變。在所述再結(jié)晶工藝之后，可以去除應(yīng)變層550(414)。
可選地，在去除所述第一應(yīng)變層550(在工藝414)之后，可以在所述FET結(jié)構(gòu)500上，具體地在柵極510上，形成第二應(yīng)變層，以進(jìn)一步提高溝道區(qū)530的應(yīng)變(416)。
一旦所希望的應(yīng)變被給予在FET500的溝道區(qū)530上，就可以進(jìn)行傳統(tǒng)加工技術(shù)來完成FET結(jié)構(gòu)500。
參見圖8，在所述方法的另一種實(shí)施方式中，使用傳統(tǒng)加工技術(shù)在襯底(801)上形成多個(gè)非平面型FET(例如，多個(gè)finFET結(jié)構(gòu)或三柵FET)。所述FET可以被形成為在相同的方向(見圖9和10中的FET900a-b)或在不同的方向(見圖12中的以人字形形成的FET1200a-b)取向(802)。具體地，半導(dǎo)體鰭片905a-b、1205a-b(也就是，第一和第二半導(dǎo)體鰭片)形成在襯底901、1201上并被配置為結(jié)合到p型和/或n型finFET或者三柵FET900a-b、1200a-b中。半導(dǎo)體鰭片900a-b，1200a-b可以由硅形成，其中每一個(gè)可以被形成為在它們的相對(duì)末端上具有源/漏區(qū)920a-b、1220a-b，在所述源/漏區(qū)920a-b、1220a-b之間的中間設(shè)置溝道區(qū)930a-b、1230a-b。對(duì)于n型或p型FET，可以適當(dāng)?shù)負(fù)诫s每一個(gè)鰭片905a-b、1205a-b的源/漏區(qū)920a-b、1220a-b和溝道區(qū)930a-b、1230a-b。
在形成鰭片后，可以將包括柵電介質(zhì)層和多晶硅柵導(dǎo)體的柵極910a-b、1210a-b形成為與每一個(gè)鰭片905a-b、1205a-b的溝道區(qū)930a-b、1230a-b相鄰。例如，第一柵極910a、1210a可以形成為與第一鰭片905a、1205a的第一溝道區(qū)930a、1230a相鄰(也就是，在第一半導(dǎo)體鰭片的中間處的頂面和相對(duì)側(cè)壁上)。同時(shí)，第二柵極910b、1210b可以形成為與第二半導(dǎo)體鰭片905b、1205b的第二溝道區(qū)930b、1230b相鄰(也就是，在第二半導(dǎo)體鰭片的中間處的第二頂面和第二相對(duì)側(cè)壁上)。
在源/漏區(qū)920a-b、1220a-b上的鰭片905a-b、1205a-b中的每一個(gè)的頂面上同時(shí)形成保護(hù)層(例如，見圖9的層950a-b)(801)。例如，如圖9所示，在相對(duì)兩端，在第一半導(dǎo)體鰭片905a的頂面906a上形成第一保護(hù)層950a，在相對(duì)兩端在第二半導(dǎo)體鰭片905b的頂面906b上形成第二保護(hù)層950b?？梢酝ㄟ^例如淀積氧化物層(比如SiO2)或氮化物層(比如Si3N4)形成保護(hù)層(例如，950a-b)。
根據(jù)使用本發(fā)明的方法來形成的非平面場(chǎng)效應(yīng)晶體管的類型(例如，finFET或三柵FET)，可以在形成柵極之前或之后來形成所述保護(hù)層(例如，層950a-b)(803-804)。例如，如果非平面型FET將是finFET或者是三柵FET，則可以在柵極之后形成保護(hù)層，這樣保護(hù)層只形成鰭片的源/漏區(qū)上和而不在溝道區(qū)上。但是，如果非平面型FET將是finFET，則還可以在柵極之前形成保護(hù)層，這樣保護(hù)層同時(shí)形成在鰭片的源/漏區(qū)和溝道區(qū)上。
和傳統(tǒng)應(yīng)力記憶技術(shù)一樣，將離子注入每一個(gè)柵極以非晶化所述柵極910a-b、1210a-b(806)。也就是，使用電場(chǎng)將離子加速到所需要的能量并以離子束的方式將所述離子引向柵極的表面。離子的能量決定注入的深度，因此，預(yù)先確定這個(gè)能量以確保在注入工藝期間徹底地非晶化每一個(gè)多晶硅柵。然而，在此公開的所述方法的實(shí)施方式提供了一種用于注入離子的新技術(shù)，以進(jìn)一步防止對(duì)鰭片的損壞，以及限制鰭片的源/漏區(qū)的非晶化。具體地，通過在平行于包括鰭片的平面的平面中向柵極引導(dǎo)離子(也就是，引導(dǎo)離子束)(807)，并以非直角引導(dǎo)離子到襯底(也就是，通過使離子束相對(duì)于垂直軸線傾斜)(808)來完成非晶化離子注入工藝(806)。
例如，參見圖9-11，如果所述鰭片(比如，所述第一和第二半導(dǎo)體鰭片905a-b)被取向在同一方向，則可以向所述柵極(比如，所述第一和第二柵極910a-b)同時(shí)注入離子來同時(shí)非晶化兩個(gè)柵極910a-b。也就是，所述離子束970在平行于兩個(gè)半導(dǎo)體鰭片905a-b的平面955中被引向柵極910a-b(807，見圖10)。另外，所述離子束970還被以非直角980(比如，在大約50到80度之間)引向襯底901(808，見圖11)。預(yù)先確定該角度980使得注入工藝不會(huì)被所述襯底上的任何其它部件(比如，被其它柵極(見圖11)、其它器件等)阻擋。
在所述鰭片905a-b的頂面上的保護(hù)層阻止離子通過源/漏區(qū)920a-b的頂面被注入。另外，通過在與鰭片905a-b相同的平面955中引導(dǎo)離子束970并使離子束970傾斜，所述離子被引入柵極910a-b的相對(duì)側(cè)壁911a-b中而不被引入所述鰭片905a-b的相對(duì)側(cè)壁907a-b中。由此，避免了對(duì)所述鰭片905a-b的損壞以及鰭片905a-b的源/漏區(qū)920a-b的完全非晶化。
或者，參見圖12-14，如果所述鰭片(比如，第一和第二半導(dǎo)體鰭片1205a-b)被取向在不同的方向(例如，以人字形)，則可以使用掩蔽/分步處理(809)來完成非晶化離子注入工藝(806)。例如，可以掩蔽第二半導(dǎo)體鰭片1205b和柵極1210b(例如，見圖13的掩模1290b)。然后可以向第一柵極1210a注入離子。具體地，所述離子以離子束1270a的形式在平行于第一半導(dǎo)體鰭片1205a的第一平面1255a中被引向第一柵極1210a(807)。所述離子還被以第一非直角1280a(比如，在大約50到80度之間)引向所述襯底1201(808)。預(yù)先確定所述角度1280a使得注入工藝不會(huì)被所述襯底的任何其它部件(比如，掩模1290b(如圖示)、其它器件等)阻擋。第一鰭片1205a的頂面上的保護(hù)層1250a阻止離子通過源/漏區(qū)1220a的頂面被注入。此外，通過在與第一鰭片1205a相同的平面1255a中引導(dǎo)離子并通過使離子束1270a傾斜，所述離子被特定地引向第一柵極1210a的側(cè)壁1211a而不被引向第一半導(dǎo)體鰭片1205a的側(cè)壁1207a。
在非晶化第一柵極1210a后，第二半導(dǎo)體鰭片1205b和柵極被解除掩蔽，然后掩蔽一半導(dǎo)體鰭片1205a和柵極(見圖14的掩模1290a)。重復(fù)所述注入工藝。也就是，向第二柵極1210b注入離子。具體地，所述離子以離子束1270b的形式在平行于第二半導(dǎo)體鰭片1205b的第二平面1255b中被引向第二柵極1210b。所述離子還被以第二非直角1280b(比如，在大約50到80度之間)引向所述襯底1201。預(yù)先確定所述角度1280b使得注入工藝不會(huì)被所述襯底上的任何其它部件(比如，掩模1290b(如圖示)、其它器件等)阻擋。第二鰭片1205b的頂面上的保護(hù)層1250b阻止離子通過源/漏區(qū)1220b的頂面被注入。此外，通過在與第二鰭片1205b相同的平面1255b中引導(dǎo)離子并使離子束1270b傾斜，所述離子被特定地引向第二柵極1210b的側(cè)壁1211b而不被引向第二半導(dǎo)體鰭片1205b的側(cè)壁1207b。這樣，避免了對(duì)所述鰭片1205a-b的損壞以及鰭片1205a-b的源/漏區(qū)1220a-b的完全非晶化。在注入工藝806之后，第一半導(dǎo)體鰭片和柵極被解除掩蔽。
然后可以在所有柵極上形成合適的應(yīng)變層(801)(例如，見圖3中的FET900a-b的柵極910a-b上的應(yīng)變層960)。具體地，如果所有的要被形成的FET900a-b都是p型FET，則淀積壓應(yīng)變層960(例如，壓性氮化物層)。或者，如果所有的要被形成的FET900a-b都是n型FET，則可淀積壓張應(yīng)變層960(例如，張性氮化物層)。如果p型FET900a和n型FET900b要被形成在同一襯底上，則可以應(yīng)用傳統(tǒng)技術(shù)在所述襯底上形成雙應(yīng)變層使得n型FET900a由雙應(yīng)變層960的張性部分961a覆蓋而p型FET900b由雙應(yīng)變層960的壓性部分961b覆蓋。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解盡管可以優(yōu)選地在非晶化柵極910a-b之后形成所述應(yīng)變層960，但是在處理806中也可以在非晶化多晶硅柵之前形成所述應(yīng)變層960。
繼離子注入工藝(806)和應(yīng)變層形成(810)之后，可以進(jìn)行熱退火工藝以再結(jié)晶所述柵極(也就是，第一和第二柵極)以及半導(dǎo)體鰭片的那些在離子注入工藝(812)期間可能已經(jīng)被非晶化的部分(也就是，第一和第二半導(dǎo)體鰭片的一部分)。如上所述，這個(gè)再結(jié)晶工藝使得應(yīng)變層的應(yīng)變被“記憶”在多晶硅柵中，這樣向在柵極下方的鰭片中的溝道區(qū)中給予了相似的應(yīng)變。
在所述再結(jié)晶工藝之后，可以去除所述應(yīng)變層(814)，然后，可選地，可以在所述FET結(jié)構(gòu)上形成另一應(yīng)變層，以進(jìn)一步提高在所述每一個(gè)FET的溝道區(qū)中的應(yīng)變(816)。
一旦所希望的應(yīng)變被給予在FET900a-b、1200a-b的溝道區(qū)930a-b、1230a-b上，就可以進(jìn)行傳統(tǒng)加工技術(shù)來完成FET結(jié)構(gòu)(818)。
因此，上面說明了一種適用于形成一個(gè)或多個(gè)非平面型FET(例如，finFET和三柵FET)的應(yīng)力記憶技術(shù)的實(shí)施方式。所述技術(shù)在非平面型FET的多晶硅柵電極中產(chǎn)生選定的應(yīng)變以在FET溝道區(qū)上給予相似的應(yīng)變，從而，優(yōu)化了FET性能，同時(shí)保護(hù)了半導(dǎo)體鰭片的源/漏區(qū)。具體地，對(duì)于每一個(gè)FET，在所述鰭片的源/漏區(qū)的頂面上形成保護(hù)蓋層以在隨后的非晶化離子注入工藝過程中保護(hù)所述源/漏區(qū)。由于在平行于鰭片的平面中將離子束引向柵極以及使離子束相對(duì)于垂直軸線傾斜，在此注入工藝期間進(jìn)一步保護(hù)了所述鰭片。結(jié)果，鰭片的非晶化和對(duì)鰭片的損壞得到了限制。在注入工藝(其可在形成應(yīng)變層之前或之后進(jìn)行)之后進(jìn)行再結(jié)晶退火，這樣，在多晶硅柵中“記憶”了應(yīng)變層的應(yīng)變。通過根據(jù)本發(fā)明的方法形成非平面型FET，可以提高FET驅(qū)動(dòng)電流，使得電路延遲減少和/或者功耗下降。根據(jù)本發(fā)明的方法的非平面型FET的形成還可以用來提高電路密度，從而，降低了制造成本，因?yàn)榭梢允垢俚啮捚Y(jié)合進(jìn)入電路而實(shí)現(xiàn)相同的開關(guān)速度。
上面說明的具體的實(shí)施方式將完全地展現(xiàn)本發(fā)明的總體性質(zhì)，通過應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)，可以針對(duì)各種應(yīng)用輕松地修改和/或調(diào)整這樣的具體的實(shí)現(xiàn)方式而不脫離本發(fā)明的總體構(gòu)思。因此，這樣的調(diào)整和改變應(yīng)當(dāng)視為包括所公開的實(shí)施方式的等同方案的范圍之內(nèi)。應(yīng)當(dāng)理解在此使用的措辭或術(shù)語(yǔ)是用于說明的目的，不是對(duì)本發(fā)明的限制。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解在不脫離所附權(quán)利要求的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)可以修改應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，所述方法包括在半導(dǎo)體鰭片的頂面和相對(duì)側(cè)壁上形成柵極，其和所述鰭片的溝道區(qū)相鄰；在所述鰭片的源/漏區(qū)上方的所述頂面上形成保護(hù)層；將離子注入所述柵極以非晶化所述柵極，其中所述注入包括將所述離子在平行于所述鰭片的平面中以非直角引向所述柵極；在所述柵極上方形成應(yīng)變層；以及執(zhí)行熱退火處理以使所述柵極再結(jié)晶。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述應(yīng)變層的形成包括形成張性氮化物層和壓性氮化物層中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述應(yīng)變層的形成包括在所述離子注入之后形成所述應(yīng)變層，或者在所述離子注入之前形成所述應(yīng)變層。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管是鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述保護(hù)層的所述形成包括在所述柵極的所述形成之后形成所述保護(hù)層，以使得所述保護(hù)層僅形成在所述源/漏區(qū)上方，或者在所述柵極的所述形成之前形成所述保護(hù)層，以使得所述保護(hù)層形成在所述源/漏區(qū)和所述溝道區(qū)上方。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管是三柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述保護(hù)層的所述形成包括在所述柵極的所述形成之后形成所述保護(hù)層，以使得所述保護(hù)層僅形成在所述源/漏區(qū)上方。
6.一種形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，所述方法包括在半導(dǎo)體鰭片的頂面和相對(duì)側(cè)壁上形成柵極，其和所述鰭片的溝道區(qū)相鄰；在所述鰭片的源/漏區(qū)上方的所述頂面上形成保護(hù)層；將離子注入所述柵極以非晶化所述柵極，其中所述所述離子在平行于所述鰭片的平面中以非直角被引向所述柵極；在所述柵極上方形成第一應(yīng)變層；執(zhí)行熱退火處理以再結(jié)晶所述柵極；去除所述第一應(yīng)變層；以及在所述柵極上方形成第二應(yīng)變層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一應(yīng)變層的形成和所述第二應(yīng)變層的形成分別包括形成張性氮化物層和壓性氮化物層中的一種。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一應(yīng)變層的形成包括在所述離子注入之后形成所述第一應(yīng)變層，或者在所述離子注入之前形成所述第一應(yīng)變層。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管是鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述保護(hù)層的所述形成包括在所述柵極的所述形成之后形成所述保護(hù)層，以使得所述保護(hù)層僅形成在所述源/漏區(qū)上方，或者在所述柵極的所述形成之前形成所述保護(hù)層，以使得所述保護(hù)層形成在所述源/漏區(qū)和所述溝道區(qū)上方。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管是三柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述保護(hù)層的所述形成包括在所述柵極的所述形成之后形成所述保護(hù)層，以使得所述保護(hù)層僅形成在所述源/漏區(qū)上方。
11.一種形成多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，所述方法包括在第一半導(dǎo)體鰭片的第一頂面和第一相對(duì)側(cè)壁上形成第一柵極，其和所述第一鰭片的第一溝道區(qū)相鄰，以及在第二半導(dǎo)體鰭片的第二頂面和第二相對(duì)側(cè)壁上形成第二柵極，其和所述第二鰭片的第二溝道區(qū)相鄰；在所述第一鰭片的第一源/漏區(qū)上方的所述第一頂面上和所述第二鰭片的第二源/漏區(qū)上方的所述第二頂面上形成保護(hù)層；將離子注入所述第一柵極和所述第二柵極以同時(shí)非晶化所述第一柵極和所述第二柵極，其中所述注入包括在平行于所述第一半導(dǎo)體鰭片和第二半導(dǎo)體鰭片的平面中以預(yù)定的非直角將所述離子引向所述第一柵極和所述第二柵極；在所述第一柵極和所述第二柵極上形成應(yīng)變層；以及執(zhí)行熱退火處理以使所述第一柵極和所述第二柵極再結(jié)晶。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述應(yīng)變層的形成包括形成張性氮化物層、雙應(yīng)變氮化物層和壓性氮化物層中的一種。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管是鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述保護(hù)層的所述形成包括在所述第一柵極和所述第二柵極的所述形成之后形成所述保護(hù)層，或者在所述第一柵極和所述第二柵極的所述形成之前形成所述保護(hù)層。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管是三柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述保護(hù)層的所述形成包括在所述第一柵極和所述第二柵極的所述形成之后形成所述保護(hù)層。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述預(yù)定角度范圍在大約50到80度之間。
16.一種形成多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，所述方法包括在第一半導(dǎo)體鰭片的第一頂面和第一相對(duì)側(cè)壁上形成第一柵極，其和所述第一鰭片的第一溝道區(qū)相鄰，以及在第二半導(dǎo)體鰭片的第二頂面和第二相對(duì)側(cè)壁上形成第二柵極，其和所述第二鰭片的第二溝道區(qū)相鄰；在第一源/漏區(qū)上方的所述第一頂面上和第二源/漏區(qū)上方的所述第二頂面上形成保護(hù)層；將離子注入所述第一柵極以非晶化所述第一柵極，其中所述注入包括在平行于所述第一半導(dǎo)體鰭片的第一平面中以第一非直角將所述離子引向所述第一柵極；將離子注入所述第二柵極以非晶化所述第二柵極，其中所述注入包括在平行于所述第二半導(dǎo)體鰭片的第二平面中以第二非直角將所述離子引向所述第二柵極；在所述第一柵極和所述第二柵極上形成應(yīng)變層；以及執(zhí)行熱退火處理以使所述第一柵極和所述第二柵極再結(jié)晶。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括在向所述第一柵極的所述離子注入之前，掩蔽所述第二鰭片和所述第二柵極；在向所述第二柵極的所述離子注入之前，掩蔽所述第一鰭片和所述第一柵極；
18.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括確定所述第一角度和所述第二角度以確保所述第一柵極的所述注入和所述第二柵極的所述注入不被阻擋。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述應(yīng)變層的形成包括形成張性氮化物層、雙應(yīng)變氮化物層和壓性氮化物層中的一種。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中如果所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管是鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管，則所述保護(hù)層能夠在形成所述第一柵極和所述第二柵極之前或之后形成；其中如果所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管是三柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，則所述保護(hù)層只能在形成所述第一柵極和所述第二柵極之后形成。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施方式公開了一種形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，具體地，公開了一種用于向非平面型FET(例如，finFET或三柵FET)的多晶硅柵中產(chǎn)生應(yīng)變以在所述FET溝道區(qū)上給予相似的應(yīng)變，同時(shí)保護(hù)所述半導(dǎo)體鰭片的源/漏區(qū)的技術(shù)。具體地，在所述鰭片的源/漏區(qū)上方形成保護(hù)蓋層以在隨后的非晶化離子注入處理過程中保護(hù)這些區(qū)域。由于在平行于鰭片的平面中將離子束引向柵極并使離子束相對(duì)于垂直軸線傾斜，在這個(gè)注入處理期間進(jìn)一步保護(hù)了所述鰭片。結(jié)果，所述鰭片的非晶化和對(duì)鰭片的損壞得到了限制。在注入處理和形成應(yīng)變層之后進(jìn)行再結(jié)晶退火，這樣，在多晶硅柵中“記憶”了所述應(yīng)變層的應(yīng)變。
文檔編號(hào)H01L21/8234GK101060085SQ20071009163
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月21日
發(fā)明者愛德華·J.·諾瓦克, 安德列斯·布賴恩特, 布倫特·A.·安德森 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司