CN105575763B

CN105575763B - 应力层的形成方法和晶体管的形成方法

Info

Publication number: CN105575763B
Application number: CN201410546258.1A
Authority: CN
Inventors: 涂火金
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2018-02-16
Anticipated expiration: 2034-10-15
Also published as: CN105575763A

Abstract

一种应力层的形成方法和晶体管的形成方法，应力层的形成方法包括：提供半导体衬底；提供外延设备，包括反应腔、气体输送装置；在半导体衬底上形成应力层，应力层材料包括第一元素和第二元素，采用的反应气体包括含第一元素气体和含第二元素气体，应力层包括体层，体层的形成步骤包括：第一上升阶段，第一上升阶段内向反应腔内通入反应气体，其中，含第二元素气体的浓度逐渐上升至第一浓度，进行第一稳定阶段，保持所述反应气体内含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，反应气体直接通过气体输送装置排出，进行第一生长阶段，向反应腔内通入气体，保持含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度稳定。上述方法可以提高应力层的质量。

Description

应力层的形成方法和晶体管的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种应力层的形成方法和晶体管的形成方法。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，半导体器件的尺寸逐渐缩小，晶体管的性能也受到影响。为了进一步提高晶体管的性能，应力工程被引入晶体管的制程中。对晶体管的沟道区域施加压应力可以提高沟道区域内的空穴迁移率，而对晶体管的沟道区域施加张应力，则可以提高沟道区域内的电子迁移率。

由于电子在单晶硅中的迁移率大于空穴的迁移率，所以，现有技术通常通过应力工程提高PMOS晶体管的空穴迁移率，以使得PMOS晶体管的载流子迁移率与NMOS晶体管的载流子迁移率匹配。一般通过采用应力材料形成PMOS晶体管的源极和漏极，以对PMOS晶体管的沟道区域施加压应力，从而提高所述PMOS晶体管的沟道区域内的空穴迁移率。具体包括：在PMOS晶体管的栅极结构两侧的半导体衬底内形成凹槽，然后再在所述凹槽内填充应力层作为PMOS晶体管的源极和漏极。所述应力层的晶格常数大于半导体衬底沟道区域的晶格常数，从而会对PMOS晶体管的沟道区域施加压应力。所述PMOS晶体管采用的应力层材料一般为SiGe。现有技术也可以采用SiC作为NMOS晶体管的源极和漏极，进一步提高NMOS晶体管的载流子迁移率。

为了避免由于应力层与半导体衬底之间的晶格不匹配造成源极和漏极内产生缺陷，在形成SiGe或SiC的过程中，通常随着应力层厚度的增加，逐渐增加含Ge或含C气体的浓度，减少应力层与半导体衬底界面上的晶格常数差异，并且在到达一定浓度后，保持浓度不变，继续沉积形成应力层。但是由于沉积过程中，含Ge或含C气体浓度逐渐升高的状态，在停止变化的时候，很难精确控制含Ge或含C气体的浓度，所述含Ge或含C气体的浓度还会有一个短暂的上升和回落过程，从而使得最终的应力层中，Ge或者C的浓度变化不均匀，影响形成的应力层的质量，使应力层内具有较多缺陷，所述应力层作为晶体管的源极和漏极会影响形成的晶体管的性能。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种应力层的形成方法和一种晶体管的形成方法，提高应力层的性能以及晶体管的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种应力层的形成方法，包括：提供半导体衬底；提供外延设备，所述外延设备包括反应腔、位于反应腔外部与反应腔连通的气体输送装置；将半导体衬底置于反应腔内，采用外延工艺在所述半导体衬底上形成应力层，所述应力层的材料包括第一元素和第二元素，所述外延工艺采用的反应气体包括含第一元素气体和含第二元素气体，所述应力层包括体层，所述体层的形成步骤依次包括：第一上升阶段，第一上升阶段内向反应腔内通入反应气体，形成第一部分体层，其中，含第二元素气体的浓度逐渐上升至第一浓度，然后进行第一稳定阶段，保持所述反应气体内含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，所述反应气体不经过反应腔，直接通过气体输送装置排出，然后进行第一生长阶段，向反应腔内通入反应气体，保持含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，在第一部分体层表面形成第二部分体层。

可选的，所述第一稳定阶段的时间为5s～1min。

可选的，所述第一元素为Si，第二元素为Ge或C。

可选的，所述含第一元素气体为SiH₄或SiH₂Cl₂。

可选的，所述含第二元素气体为GeH₄或CH₄。

可选的，所述应力层还包括半导体衬底以及体层之间的种子层。

可选的，所述种子层的形成步骤依次包括：第二上升阶段，第二上升阶段内向反应腔内通入反应气体，形成第一部分种子层，其中，含第二元素气体浓度逐渐上升至第二浓度，然后进行第二稳定阶段，保持所述反应气体内含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，所述反应气体不经过反应腔，直接通过气体输送装置排出，然后进行第二生长阶段，向反应腔内通入反应气体，保持含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，在第一部分种子层表面形成第二部分种子层。

可选的，所述第二浓度小于第一浓度，且所述第二浓度为形成体层过程中，第一上升阶段内的含第二元素气体的起始浓度。

可选的，所述第二稳定阶段的时间为5s～1min。

可选的，所述外延工艺的温度为500℃～800℃，压强为1Torr～100Torr。

可选的，所述外延工艺中的反应气体还包括H₂和HCl，所述外延工艺中含第一元素气体、含第二元素气体和HCl的流量为1sccm～1000sccm，H₂的流量为0.1slm～50slm。

可选的，第一稳定阶段的反应气体温度和压强与第一生长阶段的反应气体温度和压强相同；第二稳定阶段的反应气体温度和压强与第二生长阶段的反应气体温度和压强相同。

可选的，所述体层的形成步骤还包括位于第一生长阶段之后的第一下降阶段：向反应腔内通入反应气体，使含第二元素气体浓度逐渐下降至第三浓度，在第二部分体层表面形成第三部分体层。

可选的，所述应力层还包括位于体层表面的盖帽层，所述盖帽层的形成过程中，保持含第二元素气体的浓度为第三浓度。

可选的，所述第三浓度大于或等于0。

可选的，所述第二元素为Ge时，所述种子层内的Ge的摩尔浓度为5％～25％，所述体层内的Ge的摩尔浓度为25％～45％，盖帽层内的Ge的摩尔浓度为1％～15％。

可选的，所述第二元素为C时所述种子层内的C含量为1％～3％，所述体层内的C含量为3％～10％，盖帽层内的C含量为0.5％～2％。

可选的，所述体层内具有P型或N型掺杂离子，所述体层内的P型或N型掺杂离子的浓度为1E19atom/cm³。

本发明的技术方案还提供一种晶体管的形成方法，包括：提供衬底；形成覆盖部分衬底表面的栅极结构；在所述栅极结构两侧的衬底内形成凹槽；采用上述应力层的形成方法，形成填充满凹槽的应力层。

可选的，所述凹槽为U形或者具有Σ形侧壁。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案中，所述应力层材料包括第一元素和第二元素，且所述应力层包括体层，所述体层的形成过程包括第一上升阶段、第一稳定阶段和第一生长阶段。所述第一上升阶段内，反应气体中的含第二元素气体浓度逐渐上升，使得体层内的第二元素浓度也逐渐上升，在进入含第二元素气体浓度稳定的第一生长阶段之前，增加第一稳定阶段，第一稳定阶段内，保持所述反应气体内含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，并且所述反应气体不经过反应腔，直接通过反应腔外的气体输送装置排出，通过第一稳定阶段的调整，所述输入气体中的含第二元素气体的浓度已经较为稳定，随后再将所述反应气体通入反应腔内进行第一生长阶段，使得第一生长阶段内通入的反应气体中含第二元素气体的浓度稳定，从而与现有技术相比，体层内不同厚度处的第二元素浓度的过渡平缓，不会产生过冲现象，从而可以减少体层内的缺陷。

进一步，所述应力层还包括位于半导体衬底与体层之间的种子层，所述种子层内的第二元素含量较低，使得种子层的晶格常数与半导体衬底的晶格常数差距较小，从而可以提高在种子层表面形成的体层的沉积质量。所述种子层的形成过程包括：第二上升阶段、第二稳定阶段和第二生长阶段，可以使种子层内的第二元素的浓度变化平缓，不会出现过冲现象，可以减少种子层内的缺陷。

本发明的技术方案还提供一种晶体管的性能方法，提供衬底，在衬底上形成栅极结构，在栅极结构两侧的衬底内形成凹槽，采用上述方法形成填充满凹槽的应力层。所述应力层内第二元素的浓度变化平缓，不会出现过冲显现，从而可以减少所述应力层内的缺陷，提高晶体管的性能。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的应力层形成过程中，反应气体中含第二元素气体的浓度随时间变化曲线；

图2是本发明的一个实施例的形成的多个应力层内的Ge与B在应力层不同深度处的浓度变化曲线；

图3是本发明的另一实施例的应力层的形成过程结构示意图；

图4是本发明的另一实施例的应力层的形成过程中，反应气体中含第二元素气体的浓度随时间变化的曲线；

图5是本发明的另一实施例形成的应力层内的Ge以及B在应力层不同深度处的浓度变化曲线；

图6至图7是本发明的实施例的晶体管形成过程的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术中所述，现有技术形成的应力层的性能以及晶体管的性能有待进一步的提高。

请参考图1，为一个实施例中，为在半导体衬底表面形成SiGe应力层的过程中，采用的反应气体中，含Ge气体的浓度随时间变化的曲线。

所述SiGe应力层的形成过程包括三个阶段，第一阶段I用于形成种子层，第二阶段II用于形成体层，第三阶段III用于形成盖帽层。其中第一阶段I和第二阶段II内各自包括一个上升阶段和稳定生长阶段。

第一阶段I形成种子层的过程中，先通过上升阶段使通入的含Ge气体的浓度逐渐升高，从而使得形成的种子层内的Ge浓度也逐渐升高，可以减小种子层与半导体衬底界面上的晶格常数差异，从而减少种子层内的缺陷；当所述Ge浓度至预设值后，保持含Ge气体浓度不变，使得后续生长的部分厚度种子层内的Ge浓度保持不变。

在种子层形成之后，进行第二阶段II，形成体层，所述第二阶段II也包括上升阶段、稳定生长阶段和下降阶段。所述上升阶段中，含Ge气体的浓度在第一阶段I的稳定生长阶段的含Ge气体浓度的气体上逐渐升高至设定值，此时，随着体层厚度的不断增加，Ge浓度逐渐升高至最高值，可以减小种子层与体层界面上的晶格常数差异，避免体层内形成缺陷。当所述Ge浓度至最高值后，保持含Ge气体浓度不变，使得后续生长的部分厚度体内的Ge浓度保持不变。一段时间之后，可以使含Ge气体的浓度逐渐下降至第三阶段III形成盖帽层时需要的含Ge气体浓度。该实施例中，所述盖帽层内Ge浓度为0，从而第二阶段II的下降阶段中，可以使得含Ge气体的浓度逐渐下降至0。

在形成所述应力层的过程中，还可以通入掺杂气体，使形成的应力层的体层以及盖帽层内具有掺杂离子，该实施例中，应力层的材料为SiGe，掺杂离子为B，在第二阶段II以及第三阶段III过程中，掺杂气体浓度变化区域可以与含Ge气体的变化趋势一致。所述应力层作为晶体管的源极和漏极，可以对晶体管的沟道区域施加压应力，提高晶体管的空穴迁移率。

请参考图2，为实际形成的多个应力层内的Ge与B在应力层不同深度处的浓度变化曲线。

由图2中所示，所述Ge浓度以及B浓度曲线变化并非平滑的曲线，特别是在上升阶段至稳定生长阶段转变处(请参考图2中虚线圈出位置)容易造成浓度过冲的问题，使的浓度曲线上出现尖峰，与实际需要的浓度曲线发生偏差，从而影响形成的应力层的性能。进而影响采用所述应力层作为源极和漏极的晶体管的性能。

研究发现，造成浓度过冲的原因在于，由于在上升阶段过程中，输入气体内的含Ge气体或者含B气体的浓度一致处于上升趋势，从而形成应力层的反应腔内的气体浓度也处于逐渐上升状态，当控制输入气体中含Ge气体或者含B气体的浓度保持不变时，会存在一个缓冲过程，沉积装置的管道内，以及反应腔内还有部分浓度保持上升区域的气体，继续沉积，从而使得在上升阶段至稳定生长阶段过渡的种子层以及体层内的Ge浓度或者B浓度还会继续保持一段时间的上升，然后再回落到稳定浓度，从而导致浓度曲线上行出现尖峰。

本发明的另一实施例中，在上升阶段与稳定生长阶段之间增加了一个稳定阶段，当气体浓度完全稳定之后，再将反应气体通入反应腔内进行生长阶段的沉积，从而可以避免出现浓度过冲的问题，提高形成的应力层的质量以及晶体管的性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本实施例中，提供一种应力层的形成方法。

请参考图3，所述应力层的形成方法包括：提供半导体衬底100；提供外延设备，所述外延设备包括反应腔、位于反应腔外部与反应腔连通的气体输送装置；将半导体衬底100置于反应腔内，采用外延工艺在所述半导体衬底100上形成应力层200，所述应力层的材料包括第一元素和第二元素，所述外延工艺采用的反应气体包括含第一元素气体和含第二元素气体，所述应力层包括体层202，所述体层202的形成步骤依次包括：第一上升阶段，第一上升阶段内向反应腔内通入反应气体，形成第一部分体层，其中，含第二元素气体的浓度逐渐上升至第一浓度，然后进行第一稳定阶段，保持所述反应气体内含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，所述反应气体不经过反应腔，直接通过气体输送装置排出，然后进行第一生长阶段，向反应腔内通入反应气体，保持含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，在第一部分体层表面形成第二部分体层。

所述半导体衬底100的材料包括硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料，所述半导体衬底100可以是体材料也可以是复合结构如绝缘体上硅。本领域的技术人员可以根据半导体衬底100上形成的半导体器件选择所述半导体衬底100的类型，因此所述半导体衬底100的类型不应限制本发明的保护范围。本实施例中，所述半导体衬底100的材料为单晶硅。

本实施例中，所述应力层200的材料包括第一元素和第二元素，其中，第一元素为Si，第二元素为Ge，所述应力层200的材料为SiGe。所述应力层200能够对半导体衬底100施加张应力。

在本发明的其他实施例中，所述第一元素为Si，第二元素为C，所述应力层200的材料为SiC，所述应力层200能够对半导体衬底施加压应力。

在本实施例中，所述应力层200还包括位于半导体衬底100与体层202之间的种子层201，以及位于体层202表面的盖帽层201。

请参考图4，为本实施例中，形成所述应力层200过程中，反应气体中，含第二元素气体的浓度随时间变化的曲线。

所述外延工艺采用的反应气体包括含第一元素气体和含第二元素气体，上述含第一元素气体和含第二元素气体在外延过程中反应形成包括第一元素和第二元素的化合物材料，作为应力层。本实施例中，所述应力层200的材料为SiGe，所述含第一元素气体为SiH₄或SiH₂Cl₂等含硅气体，所述含第二元素气体为GeH₄等含Ge气体。在本发明的其他实施例中，所述应力层200的材料还可以是SiC，所述含第一元素气体为SiH₄或SiH₂Cl₂等含硅气体，而所述含第二元素气体为CH₄等含C气体。

所述外延工艺中的反应气体还包括H₂和HCl，所述外延工艺中含第一元素气体、含第二元素气体和HCl的流量为1sccm～1000sccm，H₂的流量为0.1slm～50slm。所述外延工艺的温度为500℃～800℃，压强为1Torr～100Torr。

在本发明的其他实施例中，所述应力层200内还可以具有N型或P型掺杂离子，所以，所述外延工艺中，还可以通入掺杂气体，例如B₂H₆或PH₃，等，所述掺杂气体的流量可以是1sccm～1000sccm。

在不同阶段内，可以在上述范围内调整所述含第二元素气体的流量，以调整所述反应气体内的含第二元素气体的浓度，从而调整所述应力层200的不同厚度处的第二元素的浓度。

本实施例中，采用外延工艺所述体层202的形成步骤依次包括：第一上升阶段I、第一稳定阶段II和第一生长阶段III。在本发明的其他实施例中，在形成所述体层202的过程中，所述反应气体中，可以具有掺杂气体，所述掺杂气体的浓度也可以与含第二元素气体浓度的变化趋势一致。

所述第一上升阶段I内，所述外延工艺的反应气体通入反应腔内，所述反应气体内的含第二元素气体的浓度逐渐上升。本实施例中，所述含第二元素气体的浓度呈线性增长状态。在本发明的其他实施例中，所述含第二元素气体的浓度也可以呈抛物线增长状态。随着所述第一上升阶段I的进行，在半导体衬底上形成第一部分体层，所述第一部分体层内的第二元素Ge的浓度也随着第一上升阶段I的进行逐渐升高。

所述第一上升阶段I内，所述含第二元素气体的浓度逐渐增长至第一浓度时，停止所述第一上升阶段I。所述第一浓度为最终形成的体层202中第二元素的最大浓度对应的含第二元素气体的浓度。所述第一浓度可以根据设计时对体层的最大浓度要求进行调整。

在所述含第二气体浓度到达第一浓度之后，进入第一稳定阶段II，第一稳定阶段II内，保持所述反应气体内含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，并且所述反应气体不经过反应腔，直接通过反应腔外的气体输送装置排出。所述第一稳定阶段II内保持输入的反应气体中，所述第二元素气体的浓度保持为第一浓度。本实施例中，保持所述含第一元素气体流量与含第二元素气体流量为稳定值，同时其他气体的流量也保持不变，从而确保所述含第二元素气体的浓度不发生变化。

由于从第一上升阶段I中，含第二元素气体的浓度一直呈上升趋势，转变到第一稳定阶段时II，所述含第二元素气体的浓度不会即刻稳定，还会有一个过冲回落的过程。所以，在所述第一稳定阶段II过程中，输入的反应气体不进入所述反应腔内，而是通过气体输送装置直接排出。

所述第一稳定阶段II持续一段时间后，输入的反应气体的浓度稳定后，再将反应气体输入反应腔内，进行第一生长阶段III。所述第一稳定阶段II持续时间可以是5s～1min，以确保使得输入气体的各个成分浓度稳定，并且不会对形成应力层200的时间造成较大的影响。

通过第一稳定阶段II的调整，所述输入气体中的含第二元素气体的浓度已经较为稳定，随后将所述反应气体通入反应腔内进行第一生长阶段III，并且使得第一生长阶段III的反应气体温度和压强与第一稳定阶段II的反应气体温度和压强相同，继续在第一部分体层表面形成第二部分体层，此时第二部分体层内的第二元素浓度不发生变化，并且，由于在进行第一生长阶段III之前，增加了第一稳定阶段II，使得第一生长阶段III内通入的反应气体中含第二元素气体的浓度稳定，从而与现有技术相比，第二部分体层与第一部分体层之间第二元素浓度的过渡平缓，不会产生过冲现象。

本实施例中，所述第二部分体层内的第二元素浓度最大，在形成第二部分体层之后，还可以进行第一下降阶段IV：向反应腔内通入反应气体，使含第二元素气体浓度逐渐下降至第三浓度，在第二部分体层表面形成第三部分体层，使得靠近体层202表面处的第二元素浓度逐渐降低，所述第三浓度大于或等于0。

本实施例中，在形成体层202之后，还可以采用外延工艺在体层202表面形成盖帽层203，所述盖帽层内的第二元素浓度较低，所以，在形成体层202的过程中，进行第一下降阶段IV可以降低体层202表面与盖帽层203之间的第二元素的浓度差异，避免体层202与盖帽层203界面上由于晶格常数差异较大，造成缺陷。所述盖帽层203的形成过程中，所述含第二元素气体的浓度为第三浓度。本实施例中，所述第三浓度为0，所述盖帽层203内的第二元素浓度为0，即所述盖帽层230的材料为Si。

所以，本实施例中，所述体层202包括：第二元素浓度逐渐升高的第一部分体层、位于第一部分体层表面的第二元素浓度稳定的第二部分体层以及位于第二部分体层表面的第二元素浓度逐渐下降的第三部分体层。所述浓度升高或下降都是沿着垂直体层202厚度且指向体层表面的方向上的变化。

本实施例中，在形成所述体层202之前，在所述半导体衬底100表面先形成种子层201。所述种子层201内的第二元素含量较低，使得种子层201的晶格常数与半导体衬底100的晶格常数差距较小，由于晶格结构具有弛豫特性，从而使得所述种子层201与半导体衬底100的界面上不存在或仅存在少量缺陷，随着种子层201厚度的增加，种子层201内的缺陷数量也逐渐减少至消失。本实施例中，所述种子层201的厚度为20nm～30nm，使得所述种子层201表面没有缺陷，进而提高在种子层201表面形成的体层202的沉积质量。

具体的，采用外延工艺形成所述种子层201，所述外延工艺采用的反应气体包括含第一元素气体和含第二元素气体，上述含第一元素气体和含第二元素气体在外延过程中反应形成包括第一元素和第二元素的化合物材料，作为应力层。本实施例中，所述应力层200的材料为SiGe，所述含第一元素气体为SiH₄或SiH₂Cl₂等含硅气体，所述含第二元素气体为GeH₄等含Ge气体。在本发明的其他实施例中，所述应力层200的材料还可以是SiC，所述含第一元素气体为SiH₄或SiH₂Cl₂等含硅气体，而所述含第二元素气体为CH₄等含C气体。

具体的，请参考图4，采用外延工艺形成所述种子层201的过程包括：第二上升阶段I’、第二稳定阶段II’以及第二生长阶段III’。

在不同阶段内，可以通过调整反应气体中的含第二元素气体的流量，以调整所述反应气体内的含第二元素气体的浓度，从而调整所述种子层201的不同厚度处的第二元素的浓度。

所述第二上升阶段I’内，所述外延工艺的反应气体通入反应腔内，所述反应气体内的含第二元素气体的浓度逐渐上升。本实施例中，所述含第二元素气体的浓度呈线性增长状态。在本发明的其他实施例中，所述含第二元素气体的浓度也可以呈抛物线增长状态。随着所述第二上升阶段I’的进行，在半导体衬底上形成第一部分种子层，所述第一部分种子层内的第二元素Ge的浓度也随着第二上升阶段I’的进行逐渐升高。

所述第二上升阶段I’内，所述含第二元素气体的浓度逐渐增长至第二浓度时，停止所述第二上升阶段I’。所述第二浓度为最终形成的种子层201中第二元素的最大浓度所对应的含第二元素气体的浓度。所述第二浓度可以根据设计时对体层的最大浓度要求进行调整。

在所述含第二气体浓度到达第二浓度之后，进入第二稳定阶段II’，第二稳定阶段II’内，保持所述反应气体内含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，并且所述反应气体不经过反应腔，直接通过反应腔外的气体输送装置排出。所述第二稳定阶段II’内保持输入的反应气体中，所述第二元素气体的浓度保持为第二浓度。本实施例中，保持所述含第一元素气体流量与含第二元素气体流量为稳定值，同时其他气体的流量也保持不变，从而确保所述含第二元素气体的浓度不发生变化。

由于从第二上升阶段I’中，含第二元素气体的浓度一直呈上升趋势，转变到第二稳定阶段II’，所述含第二元素气体的浓度不会即刻稳定，还会有一个过冲回落的过程。所以，在所述第二稳定阶段II’过程中，输入的反应气体不进入所述反应腔内，而是通过气体输送装置直接排出。

所述第二稳定阶段II’持续一段时间后，输入的反应气体的浓度稳定后，再将反应气体输入反应腔内，进行第二生长阶段III’。所述第二稳定阶段II’持续时间可以是5s～1min，以确保使得输入气体的各个成分浓度稳定，并且不会对形成应力层200的时间造成较大的影响。

通过第二稳定阶段II’的调整，所述输入气体中的含第二元素气体的浓度已经较为稳定，随后将所述反应气体通入反应腔内进行第二生长阶段III’，并且使得第二生长阶段III’的反应气体温度和压强与第二稳定阶段II’的反应气体温度和压强相同，继续在第一部分种子层表面形成第二部分种子层，此时第二部分种子层内的第二元素浓度不发生变化，并且，由于在进行第二生长阶段III’之前，增加了第二稳定阶段II’，使得第二生长阶段III’内通入的反应气体中含第二元素气体的浓度稳定，从而与现有技术相比，第二部分种子层与第一部分种子层之间第二元素浓度的过渡平缓，不会产生过冲现象。

本实施例中，在形成所述种子层201之后，再采用前述方法形成体层202，此时，所述体层202的形成过程中的第一上升阶段I内的第一上升阶段内的含第二元素气体的起始浓度为形成种子层201过程中的第一浓度。

本实施例中，所述第二元素为Ge时，所述种子层201内的Ge的摩尔浓度为5％～25％，所述体层202内的Ge的摩尔浓度为25％～45％，盖帽层203内的Ge的摩尔浓度为1％～15％。所述摩尔浓度为平均摩尔浓度。

在本发明的其他实施例中，所述第二元素为C时所述种子层201内的C含量为1％～3％，所述体层202内的C含量为3％～10％，盖帽层203内的C含量为0.5％～2％。所述摩尔浓度为平均摩尔浓度。

在形成所述202的过程中，还可以在反应气体内通入掺杂气体，使所述体层202内具有P型或N型掺杂离子，所述体层202内的P型或N型掺杂离子的浓度为1E19atom/cm³。本实施例中，所述体层202内可以掺杂有B离子。

请参考图5，为采用具有图4中含第二元素气体浓度曲线的反应气体形成的应力层200(请参考图3)内，Ge以及B在应力层200不同深度处的浓度变化曲线。

由图5中所示，所述Ge浓度以及B浓度曲线为平滑的曲线，没有存在尖峰。与没有引入第一稳定阶段II和第二稳定阶段II’的实施例(请参考图2)相比，本实施例中，在形成种子层201的过程中，在第二上升阶段I’、第二生长阶段III’之间加入第二稳定阶段II’，使得在进入第二生长阶段III’时反应气体浓度稳定，从而使得种子层内的第二元素浓度的过渡平缓，不会产生过冲现象；同样，在形成体层202的过程中，在第一上升阶段I、第一生长阶段III之间加入第一稳定阶段II，使得在进入第一生长阶段III时反应气体浓度稳定，从而使得体层内的第二元素浓度的过渡平缓，不会产生过冲现象。

本发明的实施例，还提供一种晶体管的形成方法。

请参考图5，提供衬底300，形成覆盖部分衬底300的栅极结构400，在所述栅极结构两侧的衬底300内形成凹槽301。

所述栅极结构400包括栅介质层401和位于所述栅介质层401表面的栅极402。形成所述栅极结构400的方法包括：在衬底300上依次形成栅介质材料层和位于栅介质材料层表面的栅极材料层；然后对所述栅极材料层和栅介质材料层进行图形化，形成所述栅极402和栅介质层401，所述栅极402和栅介质层401构成栅极结构。

本实施例中，在形成所述栅极结构400后，在所述栅极结构400侧壁表面形成侧墙403，所述侧墙403在后续工艺中保护所述栅极结构400。

形成所述侧墙403之后，在所述栅极结构400两侧的衬底300内形成凹槽301。本实施例中，所述凹槽301具有Σ形侧壁，可以提高后续在凹槽301内形成的应力层与晶体管的沟道区域之间的接触面积，提高沟道区域受到的应力作用。

本实施例中，采用干法刻蚀与湿法刻蚀工艺形成所述具有Σ形侧壁的凹槽301，具体的，首先采用干法刻蚀工艺刻蚀所述衬底300，形成侧壁垂直的开口，然后采用湿法刻蚀工艺继续沿开口刻蚀衬底300，由于所述衬底300各个晶向上的刻蚀速率不同，最终形成具有Σ形侧壁的凹槽301。所述干法刻蚀工艺采用的刻蚀气体为Cl₂、CCl₂F₂、HBr或HCl，所述湿法刻蚀采用的刻蚀溶液为氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液。在本发明的其他实施例中，所述凹槽301也可以是U形凹槽。

请参考图6，形成填充满凹槽301(请参考图5)的应力层500。

本实施例中，所述应力层500包括位于凹槽301内壁表面的种子层501、位于种子层501表面填充满凹槽301的体层502，以及位于体层502及种子层501表面的盖帽层503。

本实施例中，所述应力层500的材料为SiGe，所述应力层500可以对栅极结构400下方的沟道区域施加压应力作用，从而提高PMOS晶体管的空穴迁移率。在本发明的其他实施例中，所述应力层500的材料还可以是SiC，所述应力层500可以对栅极结构400下方的沟道区域施加张应力作用，从而提高NMOS晶体管的电子迁移率。

采用上一实施例中，应力层200(请参考3)的形成方法，形成所述应力层500，使得所述应力层500内的Ge浓度曲线平滑，不存在浓度的过冲现象，从而使得应力层500内的Ge浓度过渡较为平缓，减少应力层500内的缺陷，从而可以提高所述晶体管的性能。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种应力层的形成方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底；

提供外延设备，所述外延设备包括反应腔、位于反应腔外部与反应腔连通的气体输送装置；

将半导体衬底置于反应腔内，采用外延工艺在所述半导体衬底上形成应力层，所述应力层的材料包括第一元素和第二元素，所述外延工艺采用的反应气体包括含第一元素气体和含第二元素气体，所述应力层包括体层，所述体层的形成步骤依次包括：第一上升阶段，第一上升阶段内向反应腔内通入反应气体，形成第一部分体层，其中，含第二元素气体的浓度逐渐上升至第一浓度，然后进行第一稳定阶段，保持所述反应气体内含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，所述反应气体不经过反应腔，直接通过气体输送装置排出，然后进行第一生长阶段，向反应腔内通入反应气体，保持含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，在第一部分体层表面形成第二部分体层。

2.根据权利要求1所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述第一稳定阶段的时间为5s～1min。

3.根据权利要求2所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述第一元素为Si，第二元素为Ge或C。

4.根据权利要求3所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述含第一元素气体为SiH₄或SiH₂Cl₂。

5.根据权利要求4所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述含第二元素气体为GeH₄或CH₄。

6.根据权利要求1或5所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述应力层还包括半导体衬底以及体层之间的种子层。

7.根据权利要求6所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述种子层的形成步骤依次包括：第二上升阶段，第二上升阶段内向反应腔内通入反应气体，形成第一部分种子层，其中，含第二元素气体浓度逐渐上升至第二浓度，然后进行第二稳定阶段，保持所述反应气体内含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，所述反应气体不经过反应腔，直接通过气体输送装置排出，然后进行第二生长阶段，向反应腔内通入反应气体，保持含第一元素气体浓度和含第二元素气体浓度不变，在第一部分种子层表面形成第二部分种子层。

8.根据权利要求7所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述第二浓度小于第一浓度，且所述第二浓度为形成体层过程中，第一上升阶段内的含第二元素气体的起始浓度。

9.根据权利要求7所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述第二稳定阶段的时间为5s～1min。

10.根据权利要求7所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述外延工艺的温度为500℃～800℃，压强为1Torr～100Torr。

11.根据权利要求7所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述外延工艺中的反应气体还包括H₂和HCl，所述外延工艺中含第一元素气体、含第二元素气体和HCl的流量为1sccm～1000sccm，H₂的流量为0.1slm～50slm。

12.根据权利要求7所述的应力层的形成方法，其特征在于，第一稳定阶段的反应气体温度和压强与第一生长阶段的反应气体温度和压强相同；第二稳定阶段的反应气体温度和压强与第二生长阶段的反应气体温度和压强相同。

13.根据权利要求6所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述体层的形成步骤还包括位于第一生长阶段之后的第一下降阶段：向反应腔内通入反应气体，使含第二元素气体浓度逐渐下降至第三浓度，在第二部分体层表面形成第三部分体层。

14.根据权利要求13所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述应力层还包括位于体层表面的盖帽层，所述盖帽层的形成过程中，保持含第二元素气体的浓度为第三浓度。

15.根据权利要求14所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述第三浓度大于或等于0。

16.根据权利要求15所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述第二元素为Ge时，所述种子层内的Ge的摩尔浓度为5％～25％，所述体层内的Ge的摩尔浓度为25％～45％，盖帽层内的Ge的摩尔浓度为1％～15％。

17.根据权利要求15所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述第二元素为C时所述种子层内的C含量为1％～3％，所述体层内的C含量为3％～10％，盖帽层内的C含量为0.5％～2％。

18.根据权利要求15所述的应力层的形成方法，其特征在于，所述体层内具有P型或N型掺杂离子，所述体层内的P型或N型掺杂离子的浓度为1E19atom/cm³。

19.一种晶体管的形成方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

形成覆盖部分衬底表面的栅极结构；

在所述栅极结构两侧的衬底内形成凹槽；

采用权利要求1至18中任一权利要求所述的形成方法，形成填充满凹槽的应力层。

20.根据权利要求19所述的晶体管的形成方法，其特征在于，所述凹槽为U形或者具有Σ形侧壁。