带应变增强结构的半导体应变MOS器件及制备工艺

摘要

本发明公开了属于半导体器件范围的一种带有应变增强结构的半导体应变MOS器件及制备工艺。在MOS器件源漏接触区两侧制作开槽结构，阻断或者减弱来自源漏两侧的对沟道区的作用，排除了沟道两侧材料对于沟道区的影响，从而使得器件沟道区只受应变帽层的应力作用，使得应力作用的效果做到最大化，而提升器件的性能。

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件范围，特别涉及一种带有应变增强结构的半导体应变 MOS器件及制备工艺。

背景技术

随着集成电路中MOS器件尺寸不断缩小，载流子在MOS器件沟道中的漂移速 度逐步达到饱和，无法再进一步地得到提高，这样就限制了器件的开关速度，无 法得到更高频率工作的MOS器件。

针对MOS器件所遇到的问题，已经提出了一些提升载流子，特别是空穴载流 子迁移率的技术方案，其中采用应变硅材料技术成为一种很好的选择。应变硅材 料可分为两种，一种是在整个硅晶圆片的表面都要形成应变层，这被称为是全局 应变，另一种是随着制造工艺一步一步地进行，在工艺过程中引入的应变硅，它 只涉及晶圆片表面的局部区域，被称为是局部应变。

无论是全局应变还是局部应变，在MOS器件的沟道区中，硅晶格都响应外部 应力而伸展或者压缩，因而造成载流子迁移率发生变化，能够进一步提高器件的 工作速度，得到性能改善的MOS器件。一般，对于NMOS器件，希望晶格尺寸有 所伸长，电子载流子在这样的晶格中，迁移率能够得到提升；而在PMOS器件中， 希望晶格尺寸有所压缩，空穴载流子在这样的晶格中，迁移率同样会得到改善。

常见的形成局部应变的方法有两种，一种是在MOS器件的源漏区引入SiGe 这样的异质材料，利用SiGe从源漏两端向中央沟道区的压应力作用来使得沟道 区中的硅产生一定的形变，即形成应变硅；另一种是在整个器件完成后，在MOS 器件栅极之上生长SiN(氮化硅)之类的较大应力的薄膜，这种材料薄膜也称作 帽层，通过工艺控制，可以调整应力的性质，使其成为压应力性质的，或者张应 力性质的，通过帽层的作用，同样可以在沟道区造成晶格压缩或伸展的应变硅。

对于帽层应变方案来说，器件沟道区是一个重点。该区域既受到上方帽层的 应力作用，又受到器件源漏两侧的其他的半导体材料原子的作用，应变是多个相 互作用的综合的效应。对此，本发明提出，可以采用特定的工艺步骤，在MOS器 件中引入附加的沟槽结构，去阻断或者减弱来自源漏两侧的作用，而令器件的沟 道区，主要地，仅受帽层应力的作用，这样就可以排除其他影响，使得应力作用 的效果最大化，器件性能的提升最大化。由此，得到一种带有应变增强结构，也 就是附加的沟槽结构的应变MOS器件。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有应变增强结构的半导体应变MOS器件及制备工 艺，在MOS器件中央为沟道区6，两边为源漏浅结区5，与源漏浅结区5相连接 的是源漏接触区7；在沟道区6上面依次为栅介质层3及栅电极2，栅介质层3 及栅电极2两边为侧墙4，在栅介质层3、栅电极2和侧墙4的外面包裹应变帽 层1；其特征在于，在MOS器件源漏接触区7两侧制作开槽结构8，阻断或者减 弱来自源漏两侧的对沟道区6的作用，从而使得器件沟道区6只受应变帽层的应 力作用，使得应力作用的效果做到最大化，而提升器件的性能。

所述开槽结构8不需要用多晶硅或二氧化硅介质材料填充。

所述开槽结构8制作于MOS器件的源漏接触区的外侧，或制作于与源漏区连 线相平行的方向上，或制作成围绕MOS器件四周的封闭、半封闭的槽环；所述开 槽结构8既适用于需要压应力的MOS器件，也适用于需要张应力的MOS器件。

所述带有应变增强结构的半导体应变MOS器件制备工艺，其特征在于，具体 制作步骤如下：

(1)准备衬底半导体晶圆片，晶圆片采用加工制造或通过购买方式获得；

(2)制作必要的N阱或P阱隔离结构，并在调节沟道区掺杂浓度后，进入 常规MOS器件制造环节，生长器件的栅介质层，栅介质层采用二氧化硅或采用氧 化铪的高介电常数材料；

(3)生长制作栅电极，栅电极采用多晶材料或采用金属栅材料；

(4)通过光刻和干法刻蚀的方法得到栅结构图形；

(5)对器件的源漏浅结区5注入掺杂，如果是NMOS管，则进行N型掺杂， 如果是PMOS管则进行P型掺杂；掺杂及随后的退火激活工艺中需要控制结深值 在5-50纳米范围内；

(6)通过薄膜淀积和干法刻蚀，在MOS器件的栅的两侧形成侧墙4；

(7)对器件的源漏接触区7进行掺杂，制作出MOS器件源漏；

(8)淀积应力薄膜层并进行图形化刻蚀，得到应力帽层1；此应力帽层1 对于MOS器件的沟道6产生应力作用，造成沟道6发生应变，应力薄膜层则成为 应变的半导体的应力帽薄膜；

(9)采用光刻和刻蚀的方法，在MOS器件源漏的左右两侧制作开槽结构8， 由此减弱或者撤除左右两侧材料对于沟道区6中材料的横向作用，增强应力帽层 的作用效果，得到应变进一步增强性能的MOS器件；所述开槽结构8制作于MOS 器件的源漏接触区7的外侧，或制作于与源漏区连线相平行的方向上，或制作成 围绕MOS器件四周的封闭、半封闭的槽环；

(10)上一步骤所形成的开槽结构8，在之后的工艺过程中不做填充处理； 开槽结构8既适用于需要压应力的MOS器件，也适用于需要张应力的MOS器件。

所述金属栅材料为钛、镍或它们的硅化物。

本发明的有益效果是，对于张应力性质的帽层，在制作完帽层之后，通过开 槽，可以减小或移除来自左右两端材料对于沟道区的挤压，使得沟道区6在帽层 应力的作用下得以充分的伸展。对于压应力性质的帽层，开槽结构8移去了原来 材料与沟道区的化学键连接，同样使得沟道区能够比较自由地在帽层应力的作用 下收缩。总之，向MOS器件引入附加的开槽结构后，可阻断或者减弱来自源漏两 侧的作用，而令器件的沟道区仅受帽层应力的作用，这样就排除了沟道两侧材料 对于沟道区的影响，使得帽层应力作用的效果得到最大化，在应力效果得到增强 后，器件性能也得到最大程度的提升。

附图说明

图1为带有应变增强结构的半导体应变MOS器件的剖面图。图中，

1是能够对沟道区产生较大应力影响的帽层薄膜；

2是MOS器件的栅电极；

3是MOS器件的栅介质；

4是MOS器件栅两侧的侧壁；

5是紧靠MOS器件沟道的源漏浅结区；

6是MOS器件沟道区；

7是MOS器件的源漏接触区；

8为具有应变增强效果的开槽。

具体实施方式

本发明提供一种带有应变增强结构的半导体应变MOS器件。这样的结构既适 用于NMOS器件，也适用于PMOS器件。制作这样器件的工艺步骤，举例说明如下：

(1)准备衬底半导体晶圆片，晶圆片采用加工制造或通过购买方式获得；

(2)制作必要的N阱/P阱隔离结构，并在调节沟道区掺杂浓度后，进入常 规MOS器件制造环节，生长器件的栅介质层，栅介质层可采用二氧化硅，也可采 用氧化铪之类的高介电常数材料。举例来说，栅介质可以是二氧化硅，15纳米厚。

(3)生长制作栅电极，栅电极可以采用多晶材料，也可以采用金属栅材料。 举例来说，可采用多晶硅栅，50-200纳米厚或金属栅材料为钛、镍或它们的硅化 物。

(4)通过光刻和干法刻蚀的方法得到栅结构图形，例如，栅宽取为100纳 米。

(5)对器件的源漏浅结区5注入掺杂，如果是NMOS管，则进行N型掺杂， 如果是PMOS管则进行P型掺杂；掺杂及随后的退火激活工艺中需要控制结深值， 例如，结深值控制在10-30纳米。

(6)通过薄膜淀积和干法刻蚀，在MOS器件的栅的两侧形成侧墙结构。

(7)对器件的源漏接触区7进行掺杂，制作出MOS器件源漏。

(8)淀积应力薄膜层并进行图形化刻蚀，得到应力帽层1。此应力帽层1 可以对于MOS器件的沟道6产生应力作用，造成后者发生应变，成为应变的半导 体的应力帽薄膜，举例来说，应力帽薄膜可以采用氮化硅，厚度20-80纳米。

(9)采用光刻和刻蚀的方法，在MOS器件源漏的左右两侧开槽结构8，由此 可减弱或者撤除左右两侧材料对于沟道区6中材料的横向的作用，增强应力帽层 的作用效果，得到应变进一步增强的高性能MOS器件。开槽结构8不仅可制作于 MOS器件的源漏区域的外侧，也可以制作于与源漏区连线相平行的方向上，可以 构成围绕MOS器件四周的封闭、半封闭的槽环。举例来说，应变槽宽可以取30 纳米，槽深取50纳米。

(10)上一步骤所形成的开槽结构8，在之后的工艺过程中不做填充处理； 开槽结构8既适用于需要压应力的MOS器件，也适用于需要张应力的MOS器件。

特别需要指出，本发明所引入的开槽结构8，与MOS器件工艺中常规的浅槽 隔离中的开槽是不同的。首先是体现在结构本身，常规浅槽隔离中的槽，是需要 用多晶硅、二氧化硅等介质材料填充的，而这里的开槽结构8并不填充；常规浅 槽隔离中的槽，其尺寸与MOS器件的栅，源漏浅结等相比，都是比较大的，而此 处的开槽结构8尺寸较小，例如槽宽取30nm，槽深取50nm；常规浅槽隔离的目 的，是用于器件之间的电学隔离，此处的开槽结构8，目的是用于充分释放应力， 增强帽层应力作用的效果。其次体现在制造工艺方面，常规浅槽隔离，浅槽是先 制作的，然后再制作器件部分，此处的开槽结构8，则在器件结构制作完成后制 作。