Pmos晶體管結構及其制造方法

專利名稱：Pmos晶體管結構及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種PMOS晶體管結構及其制造方法，尤其涉及一種用于提高載流子遷移率的PMOS晶體管的結構及其制造方法。
背景技術：
隨著半導體器件的集成度越來越高，單個尺寸逐漸減小，與此同時，對器件性能要求也在日益提高，主要表現(xiàn)在對器件的工作時間、功耗及穩(wěn)定性的要求。對于常見器件-CMOS晶體管來說，溝道區(qū)中載流子的遷移能力的進一步提高有助于提高驅動電流，力口快器件的開啟速度，然而隨著尺寸不斷縮小，器件的遷移率受到各方面因素限制。CMOS晶體管中溝道區(qū)的材質通常為硅材質或硅鍺材質，現(xiàn)有技術主要采用兩種方法提高溝道區(qū)中載流子的遷移能力，一種是通過在半導體襯底表面形成氮化硅應力層，通過應力作用提高源/漏區(qū)的載流子遷移率，該方法產(chǎn)生的應力不能無限制增大，故提高載流子遷移率的作用有限；另一種是通過離子注入向源/漏區(qū)中摻雜硼以提高載流子遷移率，然而由于硼的易擴散性易引發(fā)器件的短溝道效應同樣不利于提高器件的性能。因此如何能夠進一步提高載流子遷移率成為業(yè)界亟待解決的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種PMOS晶體管的制造方法，以提高載流子遷移率。本發(fā)明提供一種PMOS晶體管的結構，包括半導體襯底，所述半導體襯底中具有至少兩個淺溝槽隔離結構和位于所述淺溝槽隔離結構之間的有源區(qū)，所述有源區(qū)中具有凹槽；碳硅化合物層，填充于所述凹槽中；柵極，位于所述碳硅化合物層上；柵極側墻，位于所述柵極側壁上；源/漏區(qū)，位于碳硅化合物層及其下方的半導體襯底中；硅鍺化合物區(qū)，全部或部分位于所述源/漏區(qū)中。進一步的,所述碳娃化合物層的厚度為30nm 300nm。進一步的，所述碳硅化合物層中碳的摩爾濃度為3% 20%。進一步的，在所述碳化層和所述柵極之間，還形成有外延硅層，所述外延硅層的材質為單質硅。進一步的,所述外延娃層的厚度為20nm 50nm。進一步的，所述半導體襯底的晶向方向為〈110〉或〈100〉。本發(fā)明還提供一種PMOS晶體管的制造方法，包括以下步驟:提供半導體襯底，所述半導體襯底中形成有至少兩個淺溝槽隔離結構和位于所述淺溝槽隔離結構之間的有源區(qū)；刻蝕所述淺溝槽隔離結構之間的半導體襯底，形成凹槽；利用外延生長法，在所述凹槽中填充形成碳硅化合物層；在所述碳硅化合物層上形成柵極，并在柵極側壁上形成柵極側墻；在所述淺溝槽隔離結構之間的半導體襯底中形成源/漏區(qū)和硅鍺化合物區(qū)。進一步的，在形成碳硅化合物層的步驟中，外延生長法的反應物包括甲烷、硅烷和氮氣，反應溫度為500°C 1000°C。
進一步的,所述碳娃化合物層的厚度為30nm 300nm。進一步的，所述碳硅化合物層中碳的摩爾濃度為3% 20%。進一步的，在形成碳硅化合物層和形成柵極的步驟之間，還包括，利用外延生長法在所述碳硅化合物層上形成外延硅層的步驟，外延生長法的反應物包括硅烷和氮氣。進一步的,所述外延娃層的厚度為20nm 50nm。進一步的，在形成源/漏區(qū)和硅鍺化合物區(qū)的步驟中，包括以下步驟:刻蝕所述柵極兩側的碳硅化合物層，形成硅鍺化合物凹槽；利用外延生長法，在所述硅鍺化合物凹槽中填充硅鍺化合物，形成硅鍺化合物區(qū)；進行源漏離子注入，形成所述源/漏區(qū)，所述硅鍺化合物區(qū)全部或部分位于所述源/漏區(qū)中。進一步的，所述半導體襯底的晶向方向為〈110〉或〈100〉。相比于現(xiàn)有技術，在本發(fā)明的PMOS晶體管的結構中，在半導體襯底的有源區(qū)中形成碳硅化合物層，使源/漏區(qū)之間的溝道區(qū)的材質由硅或硅鍺材質替換為碳硅化合物材質，由于碳硅化合物層具有較佳的應力作用，從而進一步提高了 PMOS晶體管的遷移率，同時降低了避免了硼摻雜，降低了硼的擴散，因而降低了短溝道效應，提高了 PMOS晶體管的器件性能。本發(fā)明的PMOS晶體管的制造方法首先在半導體襯底中形成凹槽，并利用外延生長法在凹槽中形成碳硅化合物層，利用碳硅化合物層代替部分硅或硅鍺材質的半導體襯底，使PMOS管的溝道區(qū)形成于碳硅化合物層中，由于碳硅化合物良好的應力作用，從而使溝道區(qū)中載流子的遷移率得到大幅度提高，并且避免了在源/漏區(qū)摻入過量的硼摻雜，進一步的降低了短溝道效應，同時由于碳硅化合物層是采用外延生長法形成的，故具有良好的界面平整度和穩(wěn)定的結構，從而維持了開啟電壓的穩(wěn)定性，進而提高了 PMOS晶體管的器件性能。


圖1為本發(fā)明一實施例中PMOS晶體管的結構示意圖。圖2 圖7為本發(fā)明一實施例中PMOS晶體管的制作過程中的結構示意圖。圖8為本發(fā)明一實施例中PMOS晶體管的制造方法的流程示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發(fā)明的內容作進一步說明。當然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內。其次，本發(fā)明利用示意圖進行了詳細的表述，在詳述本發(fā)明實例時，為了便于說明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應以此作為對本發(fā)明的限定。本發(fā)明的核心思想在于，將淺溝槽隔離結構之間的半導體襯底的硅材質或硅鍺材質替換為碳硅化合物層，以使PMOS晶體管的溝道區(qū)處于碳硅化合物層中，利用碳硅化合物層的更好的應力作用，提高載流子遷移率，并降低短溝道效應，提高開啟電壓的穩(wěn)定性。圖1為本發(fā)明一實施例中PMOS晶體管的結構示意圖。如圖1所示，本發(fā)明提供一種PMOS晶體管結構，包括半導體襯底100、碳硅化合物層104、柵極105、硅鍺化合物區(qū)109和源/漏區(qū)110，其中所述半導體襯底100中具有至少兩個淺溝槽隔離結構101和位于所述淺溝槽隔離結構101之間的有源區(qū)102，所述有源區(qū)102中具有凹槽；所述碳硅化合物層104位于所述淺溝槽隔離結構101之間的所述半導體襯底100中，并填充于所述凹槽中；所述柵極105位于所述碳硅化合物層104上；所述柵極側墻106位于所述柵極105側壁上；所述硅鍺化合物區(qū)109和源/漏區(qū)110位于所述位于碳硅化合物層104及其下方的半導體襯底100中，在源/漏區(qū)110之間的碳硅化合物層104中形成有溝道區(qū)300。在較佳的實施例中，在所述碳硅化合物層104和所述柵極105上還形成有外延硅層103,所述外延娃層103的材質為單質娃,所述外延娃層103的厚度范圍為20nm 50nm,外延硅層103在氮化硅層104的應力作用下，同樣能夠產(chǎn)生較佳的遷移率，并且在后續(xù)工藝中，在半導體襯底100上還會形成二氧化娃材質的層間介質層(圖中未標不)，外延娃層103與層間介質層能夠形成良好的界面特性，并且在后續(xù)進行金屬連線引出時，外延硅層103具有更好的引出電連特性。相比于現(xiàn)有技術，在本發(fā)明所述PMOS晶體管的結構中，在半導體襯底100的有源區(qū)102中形成碳硅化合物層104，使源/漏區(qū)110之間的溝道區(qū)300的材質由傳統(tǒng)的硅或硅鍺材質替換為碳硅化合物，由于碳硅化合物層104具有較佳的應力作用，從而進一步提高了 PMOS晶體管的遷移率，同時降低了避免了硼摻雜，降低了硼的擴散，因而降低了短溝道效應，提高了 PMOS晶體管的器件性能。其中碳硅化合物層104中碳的摩爾濃度范圍為3% 20%，能夠形成更好的應力作用。圖8為本發(fā)明一實施例中PMOS晶體管的制造方法的流程示意圖，如圖8所示，包括以下步驟:步驟SOl:提供半導體襯底，所述半導體襯底中形成有至少兩個淺溝槽隔離結構和位于所述淺溝槽隔離結構之間的有源區(qū)；步驟S02:刻蝕所述淺溝槽隔離結構之間的半導體襯底，形成凹槽；步驟S03:利用外延生長法，在所述凹槽中形成碳硅化合物層；步驟S04:在所述碳硅化合物層上形成柵極，并在柵極側壁上形成柵極側墻；步驟S05:在所述淺溝槽隔離結構之間的半導體襯底中形成源/漏區(qū)和硅鍺化合物區(qū)。圖2 圖7為本發(fā)明一實施例中PMOS晶體管的制作過程中的結構示意圖。以下結合圖2 圖8詳細說明本發(fā)明一實施例中PMOS晶體管的制作過程中的結構示意圖。如圖2所示，在步驟SOl中，提供半導體襯底100，所述半導體襯底100可以為單晶硅、多晶硅或非晶硅等，也可以為硅鍺化合物其他半導體材料，所述半導體襯底100的晶向方向為〈110〉或〈100〉，上述晶向方向更有利于后續(xù)外延生長法形成的碳硅化合物層具有良好的界面。所述半導體襯底100中形成有至少兩個淺溝槽隔離結構101，所述淺溝槽隔離結構101中填充的物質可以為氧化硅，對所述半導體襯底100進行有源注入，可在所述半導體襯底100中所述淺溝槽隔離結構101之間形成有源區(qū)102。在步驟S02中，刻蝕所述淺溝槽隔離結構101之間的半導體襯底100，以形成如圖3所示的凹槽200，可以利用光刻和干法刻蝕工藝，控制刻蝕時間，從而在半導體襯底100中形成凹槽200，所述凹槽200的深度范圍在30nm 300nm，所述凹槽200的深度為大于或等于后續(xù)形成的源/漏區(qū)的深度，以有效隔絕器件。
如圖4所示，在步驟S03中，利用外延生長法，在所述凹槽200中形成碳硅化合物層104，利用外延生長法的選擇生長性，在該凹槽200中形成碳硅化合物層104，同時外延生長法能夠使碳硅化合物層104與半導體襯底100形成良好的界面特性，且形成的碳硅化合物層104的結構均勻，所述碳硅化合物層104的厚度范圍30nm 300nm;其中，外延生長法的反應物包括甲烷(CH4)、硅烷(SiH4)和氮氣(N2),其中碳源除甲烷外，還可以為乙烷(CH3CH3)或丙烷(C3H8)等，其中反應溫度為500°C 1000°C，能夠形成良好的碳硅化合物層104，在較佳的實施例中，形成的所述碳硅化合物層104中碳的摩爾濃度為3% 20%，能夠產(chǎn)生更好的應力作用。如圖4所示，在形成碳硅化合物層104之后，在形成柵極的步驟之前，還可在所述碳硅化合物層104上形成外延硅層103。所述外延硅層103能夠改善半導體襯底100與后續(xù)形成的金屬互連的導電特性，其中所述外延娃層103的厚度范圍為20nm 50nm,所述外延娃層103的材質為單質娃,所述外延娃層103亦可采用外延生長法形成,在形成碳娃化合物層104的最后階段，停止通入甲烷等碳源，僅通入硅烷和氮氣，即能夠外延硅層103，不增加額外工藝步驟。外延硅層103在氮化硅層104的應力作用下，同樣能夠產(chǎn)生較佳的遷移率，并且在后續(xù)工藝中，在半導體襯底100上還會形成二氧化硅材質的層間介質層(圖中未標示)，外延硅層103與層間介質層能夠形成更好的界面特性，此外，在后續(xù)進行金屬連線引出時，外延硅層103具有更好的電連特性。如圖5所示，在步驟S04中，在所述碳硅化合物層104和外延硅層103上形成柵極105，并在柵極105的側壁上形成柵極側墻106 ;所述柵極105包括柵極介質層、位于所述柵極介質層上的柵極導電層以及位于所述柵極導電層上的柵極保護層，所述柵極側墻可以為ONO (氧化硅-氮化硅-氧化硅)結構，為本領域技術人員所熟知，故其形成方法不再贅述。如圖6所示，在形成硅鍺化合物區(qū)和源/漏區(qū)的步驟之前，在半導體襯底100上覆蓋氮化層107，在后續(xù)進行硅鍺化合物凹槽的刻蝕時，氮化層107能夠保護柵極105不被刻蝕損傷。步驟S05中，如圖7所示，首先刻蝕所述柵極105兩側的碳硅化合物層104和半導體襯底100，形成硅鍺化合物凹槽202 ;接著利用外延生長法，在所述硅鍺化合物凹槽202中填充硅鍺化合物，形成硅鍺化合物區(qū)109 ;最后進行源漏離子注入，形成所述源/漏區(qū)110，所述硅鍺化合物區(qū)109全部或部分位于所述源/漏區(qū)110，最終形成如圖1所示的結構。相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明所述PMOS晶體管的制造方法首先在半導體襯底100中形成凹槽200，并利用外延生長法在凹槽200中形成碳硅化合物層104，通過利用碳硅化合物層104代替部分硅或硅鍺材質的半導體襯底100，使PMOS管的溝道區(qū)300形成于碳硅化合物層104中，由于碳硅化合物層104良好的應力作用，從而使溝道區(qū)300中載流子的遷移率得到大幅度提高，并且避免了在源/漏區(qū)110摻入過量的硼摻雜，進一步的降低了短溝道效應，同時由于碳硅化合物層104是采用外延生長法形成的，故具有良好的界面平整度和穩(wěn)定的結構，從而維持了開啟電壓的穩(wěn)定性，進而提高了 PMOS晶體管的器件性能。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。
權利要求
1.一種PMOS晶體管的結構，其特征在于，包括 半導體襯底，所述半導體襯底中具有至少兩個淺溝槽隔離結構和位于所述淺溝槽隔離結構之間的有源區(qū)，所述有源區(qū)中具有凹槽； 碳硅化合物層，填充于所述凹槽中； 柵極，位于所述碳硅化合物層上； 柵極側墻，位于所述柵極側壁上； 源/漏區(qū)，位于碳硅化合物層及其下方的半導體襯底中； 硅鍺化合物區(qū)，全部或部分位于所述源/漏區(qū)中。
2.如權利要求1所述的PMOS晶體管結構，其特征在于，所述碳硅化合物層的厚度為30nm 300mn。
3.如權利要求1所述的PMOS晶體管結構，其特征在于，所述碳硅化合物層中碳的摩爾濃度為3% 20%。
4.如權利要求1所述的PMOS晶體管結構，其特征在于，在所述碳化層和所述柵極之間還形成有外延硅層， 所述外延硅層的材質為單質硅。
5.如權利要求4所述的PMOS晶體管結構，其特征在于，所述外延硅層的厚度為20nm 50nmo
6.如權利要求1至5中任意一項所述的PMOS晶體管結構，其特征在于，所述半導體襯底的晶向方向為〈110〉或〈100〉。
7.—種PMOS晶體管的制造方法，包括 提供半導體襯底，所述半導體襯底中形成有至少兩個淺溝槽隔離結構和位于所述淺溝槽隔離結構之間的有源區(qū)； 刻蝕所述淺溝槽隔離結構之間的半導體襯底，形成凹槽； 利用外延生長法，在所述凹槽中填充形成碳硅化合物層； 在所述碳硅化合物層上形成柵極，并在柵極側壁上形成柵極側墻； 在所述淺溝槽隔離結構之間的半導體襯底中形成源/漏區(qū)和硅鍺化合物區(qū)。
8.如權利要求7所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，在形成碳硅化合物層的步驟中，外延生長法的反應物包括甲烷、硅烷和氮氣，反應溫度為500°C 1000°C。
9.如權利要求7所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，所述碳硅化合物層的厚度為 30nm 300nm。
10.如權利要求7所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，所述碳硅化合物層中碳的摩爾濃度為3% 20%。
11.如權利要求7所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，在形成碳硅化合物層和形成柵極的步驟之間，還包括在所述碳硅化合物層上利用外延生長法形成外延硅層的步驟，外延生長法的反應物包括硅烷和氮氣。
12.如權利要求11所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，所述外延硅層的厚度為 20nm 50nmo
13.如權利要求7所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，在形成源/漏區(qū)和硅鍺化合物區(qū)的步驟中，包括， 刻蝕所述柵極兩側的碳硅化合物層，形成硅鍺化合物凹槽；利用外延生長法，在所述硅鍺化合物凹槽中填充硅鍺化合物，形成硅鍺化合物區(qū)；進行源漏離子注入，形成所述源/漏區(qū)，所述硅鍺化合物區(qū)全部或部分位于所述源/漏區(qū)中。
14.如權利要求7至13中任意一項所述的PMOS晶體管的制造方法，其特征在于，所述半導體襯底的晶向 方向為〈110〉或〈100〉。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種PMOS晶體管的結構和制造方法，所述PMOS晶體管的半導體襯底中具有碳硅化合物層，通過首先在半導體襯底中形成凹槽，并利用外延生長法在凹槽中形成碳硅化合物層，碳硅化合物層代替部分硅或硅鍺材質的半導體襯底，使PMOS管的溝道區(qū)形成于碳硅化合物層中，由于碳硅化合物層良好的應力作用，使溝道區(qū)中載流子的遷移率得到大幅度提高，并且避免了在源/漏區(qū)摻入過量的硼摻雜，進一步降低了短溝道效應，同時由于碳硅化合物層是采用外延生長法形成的，故具有碳硅化合物層與半導體襯底之間具有良好的界面特性和穩(wěn)定的結構，從而保證了開啟電壓的穩(wěn)定性，進而提高了PMOS晶體管的器件性能。
文檔編號H01L21/336GK103187447SQ20111045777
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權日2011年12月31日
發(fā)明者趙猛 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司