TWI281213B - Thermal anneal process for strained-SI devices - Google Patents
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Description
1281213 第94115377號專利說明書修正本 修正日期：95.11.09 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種半導體裝置，特別是有關一種透 過加入應變矽於半導體裝置中以改善載子遷移率的方 法0 【先前技術】 金氧半場效電晶體（MOSFETs)為積體電路（ICs)中之 • 常見元件。在閘極氧化層厚度以及閘極電晶體長度不斷 • 減小的趨勢下，半導體製作已可於每18-24個月内倍增電 • 晶體之切換速率，此乃熟知的莫爾定律（Moore’s Law)現 象。過去常藉由減小閘極氧化層厚度以及源/汲極長度之 技巧來達成莫爾定律，然而該技術並無法滿足加速接換 速率之市場需求。因此業界另外發展出新的策略，例如： 轉換新的電晶體基板材料以及加入新的製程方法以有效 發揮該些設計以及應用之新材料。 ® 增加MOSFET功能之其中一種方法係增進矽的載子 遷移率，藉此減少電阻及能量消耗，並增加驅動電流、 頻率以及操作速率。目前增進載子遷移率之方法已集中 在提供拉伸應力之矽材料的使用上。”應變”矽可藉由在 矽鍺基板上成長一層矽來形成之。該矽鍺晶格之空間由 於具有較大之鍺原子於晶格中，因此通常較純矽之晶格 大。由於矽晶格原子與廣泛分布之矽鍺晶格排列，因此 _ 會於矽層中產生拉伸應力。換句話說，矽原子會與另一 0503 - A3 0826T WF1 /Daphne 5 1281213 、 第94115377號專利說明書修正本 修正日期：95.11.09 矽原子拉開。而提供於矽晶格之拉伸應力會隨矽鍺晶格 中之錯比例而增加。 鬆弛矽具有6個等價帶，而具有伸張應力之矽晶格 會產生4個能量增加之價帶，以及2個能量減少之價帶。 由於量子效應，當電子通過較低能帶時，其有效重量百 分比會降低30%，因此較低能帶可提供較低電阻之電 流。此外，自石夕原子核的電子會遇到較低的振動能，因 此使其分散速率低於在鬆弛矽中之500-1000倍。相對於 ® 鬆弛矽，應變矽中之載子遷移率則大幅地增加，其中電 子遷移率可增加80%或更多及電洞遷移率可增加20%或 * 更多。藉由遷移率的增加可維持電場在每公分高於1.5 百萬伏特，因此元件速度可在不減小裝置大小下增加 35%，或在不降低功能下減少25%之能量消耗。 源極反及及極延伸區之陡峭是應變矽技術之關鍵。 、.一—一 ' … 該技術之困難處在於應變矽中之掺雜物故揍散速度較砍 -----------------… _ 中快，因此會使汲極延伸至閘極底部並增加閘極至汲極 ® 之電容，此外鍺擴散穿過矽鍺至矽邊界會釋放應力而減 少應變石夕層中之遷移率。 在100奈米世代的裝置中，汲極延伸區深度應低於 20-35奈米，源/汲極接面深度應降至35-75奈米。 因此，業界亟需一種減少植入能量以及回火時間之 半導體技術，以達到與淺接面相同之高載子遷移率。 【發明内容】 0503-A30826TWFl/Daphne 6 1281213 、 第94115377號專利說明書修正本 修正日期：95.11.09 綜上所述，本發明之目的在於提供一種改良之熱回 火製程以形成應變矽裝置。 根據上述之目的，本發明提供一利用應變矽形成半 導體裝置之方法，該方法包括，形成具有第一晶格常數 之弟一基板材料於裝置基板上，形成具有弟二晶格常數 之弟二基板材料於弟一基板材料上，定義一通道’利用 弟^^以及弟二基板材料形成場效電晶體之源及極區，植 入一或多種雜質材料於源/汲極區。最後，利用鎢鹵素燈 ® 之外的其他快速加熱源回火電晶體。 為讓本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易 懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下： 【實施方式】 本發明提供不同設計之實施例，以表示加入一應變 通道以及一改良熱回火製程來改善電晶體之功能。 i 請參照第1圖，其係顯示傳統MSOFET之剖面圖 100。該MOSFET包括一閘極電極102，該電極透過第一 閘極絕緣層108與基板106中之通道104分隔，其中該 閘極絕緣層108可為氧化矽或氧化-氮化-氧化層（ΟΝΟ)。 該閘極電極10 2 —般係由按雜之半導體材料（例如·複晶 矽）形成。 該MOSFET之源極以及汲極相對地形成於閘極電極 102兩侧以做為深源/汲極區110。源/汲極矽化物接觸112 0503 - A3 0826TWF1 /Daphne 7 1281213 修正日期：95.11.09 第94115377號專利說明書修正本 形成於源極以及汲極區11〇上。該典型之矽化物包括半 導體基板材料以及一金屬（例如··鈷、鎳或鈦），其用以減 少源極以及汲極區11〇之接觸電阻。該源/汲極區11〇之 深度足以延伸並超過該源極以|汲極接觸112之深度。 形成間隔物114於閘極電極1〇2旁，再對該源極以及汲 極區110進行植入。利用間隔物114作為植入罩幕以定 義相對於閘極下方通道區104兩侧位置之源/汲極區11〇。 同樣地於閘極電極102上表面形成矽化物閘極接觸 116。該閘極結構包括一複晶矽材料以及一矽化物覆蓋層 以作為4旻晶問極。 該MOSFET之源極以及没極更包括淺源極以及沒極 延伸區118。當MOSFET尺寸減小時，因源/没極間之距 離縮短因此會產生短通道效應進而使MOSFET之功能變 差。利用淺源/>及極延伸區118(而非接近通道區1 〇4兩端 之深源/汲極）以減少短通道效應以及裝置元件電容的超 過。淺源/汲極延伸區118先於間隔物114形成前植入形 成，再經由後續之回火使摻雜物擴散並少量延伸至閘極 電極下方以產生源極以及汲極延伸區118。 清麥照弟2圖’其係顯示根據本發明第一實施例所 形成之具兩層基板的MOSFET剖面圖。其中形成 MOSFET結構之基板202 —般為石夕基板。於石夕基板202 上設置一石夕鍺層204,再於該石夕鍺層204上形成一應變石夕 之磊晶層206,其中矽鍺層204與矽磊晶層2〇6之晶格常 數不同。MOSFET可為傳統之MOSFET結構，包括深源/ 0503-A30826TWFl/Daphne 8 1281213 、 第94115377號專利說明書修正本 修正日期：95.11.09 汲極110、淺源/汲極延伸區118、閘極氧化層108、於間 隔物114間之閘極電極102、源/汲極接觸矽化物112以 及閘極接觸矽化物116。MOSFET通道區104包括應變矽 材料以增進源極以支汲極間之載子遷移率。 於植入摻雜物後，進行一回火步驟以活化摻雜物。 在此，回火步驟之快速熱源係使用惰性氣體燈來取代典 型之鎢汞燈以改善回火效果。該加熱源可提供每秒升高 250度（攝氏溫度）之熱源。於回火過程中，須控制高溫加 ® 熱時間以免過熱。一般而言，上述建議之加熱源的最高 溫加熱不超過10毫秒。 於第一實施例中，該加熱燈可為直流電水牆氬燈（DC water-wall argon)或一交流電氤燈。該些燈可提供低至0.8 毫秒以及高至L5毫秒之閃切時間，而典型之氙燈波長為 1.4-5微米。使用該些燈進行半導體回火可避免因過量鍺 擴散而造成通道遷移率的降低。於第一實施例中，使用 任一建議之高速加熱源來形成具有少於十奈米距離，源 ® 極以及汲極延伸區濃度即降低十倍之MOSFETs，如第2 圖所示。 於另一實施例中，可利用氯化氙準分子雷射（XeCl excimer laser)為回火加熱源，以提供90毫秒之最短加熱 時間。請參照第3圖係顯示不同加熱源之加熱時間。 請參照第4圖，其係顯示根據本發明另一實施例之 MOSFET圖400的剖面圖。在此實施例中，設置於閘極 - 兩侧之源極以及没極區402係由不同材料組成因此具有 0503-A30826TWFl/Daphne 9 1281213 • 第94115377號專利說明書修正本 一 修正日期·· 95.11.09 不同晶格常數。此外，該M0SFET結構可與第2圖相同， 且其亦可於通道區中形成應變矽層4〇4。在此， 狀黃光罩幕以及_技術形成不同材料之源極以及没 Γ為=列1爾部分源喻 =為=接者沉積半導體材料以形成源極以及汲極 ^ ’爾於源極以及汲極區之材料的晶格常 日守’可利用回火步驟來形成較佳之結果。利用表300中 _之改良回火加熱源，可得到—改良裝置，該裝置且有少 於十奈米距離，源極以及汲極延伸區濃度即降低十件之 ，面陡㈣雲ti()n abruptness)的特性。因此亦可用於^少 錯以及植入接雜物擴散之改善上。 請參照第5圖，1係顧千枳械士 & _ m敌， 係，、、、員不根據本發明第一實施例製 作，、平層基板之M〇SFET之剖面圖5〇〇。於石夕基板5〇4 ^形成-應變M 5G2(—般切錯層）以製作 離大於5.43埃之裝置於基板5〇4上。利用表_之改良 回火加熱源可形成具有少於十 ^ ^ ^ ^ e ^ 丁不木距離，源極以及汲極 ⑽/辰又Ρ ΐ低十倍之接面陡變之特性的裝置。 雖然本發明已以較伟者 命 , 只轭例揭鉻如上，然其並非用 以限疋本發明，任何孰習茈 之精神和範圍内，當;:===不脫離本發明 背円#、目％, 更動閏飾，因此本發明之保 § 又犯圍虽視後附之中請專利範圍所界定者為準。 0503-A30826TWF1 /Daphne 10 1281213 . 第94115377號專利說明書修正本 修正日期：95.11.09 【圖式簡單說明】 第1圖係繪示出傳統金氧半電晶體之結構剖面示意 圖。 第2圖係繪示出根據本發明第一實施例之具有兩層 基底的金乳半電晶體之結構剖面不意圖。 第3圖係不同加熱源加熱時間表。 第4圖係繪示出根據本發明第二實施例之具第二半 導體材料於源及極區的金乳半電晶體之結構剖面不意 # 圖。 # 第5圖係繪示出根據本發明第三實施例之具有一層 基底的金乳半電晶體之結構剖面不意圖。 【主要元件符號說明】 100〜傳統MOSFET之剖面； 102〜閘極電極； 104〜通道； 106〜基板； 108〜第一閘極絕緣層； # 110〜深源極以及汲極區； 112〜源極以汲極接觸； 114〜間隔物； 116〜閘極接觸矽化物； 118〜淺源極以及汲極延伸區； 200〜本發明之MOSFET之剖面圖； 202〜基板； 204〜矽鍺層； 206〜遙晶層， 300〜不同加熱源之加熱時間表； 400〜本發明之MOSFET圖； 0503-A30826TWFl/Daphne 11 1281213 . 第94115377號專利說明書修正本 修正日期：95.11.09 4 0 2〜源極以及 >及極區， 404〜應變矽層； 500〜本發明之MOSFET圖； 502〜應變矽層； 504〜矽基板。
0503 - A3 0826T WF1 /Daphne 12
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1281213 > 弟94115j77號專利說明書修正本 , , 修正日期·· 95.11.09 十、申請專利範園： 1.一種利用應變矽形成半導體裝置之方法，包括下列 步驟： 形成一自然狀態下具有第一晶格常數之第一基板材 料於一裝置基板上； 形成一自然狀態下具有第二晶格常數之第二基板材 料於該第一基板材料上； ,利用該第一、第二基板材料定義場效電晶體之通 > 道、源極以及汲極區； 植入一或多種雜質材料於源極以及汲極區；以及 利用一快速加熱源回火該電晶體，其中該快速加熱 源為惰性氣體燈或雷射回火。 … 、姊2·如申請專利範圍第丨項所述之利用應變矽形成半 Vfe衣置之方法，其中該加熱源係一直流電水牆氬燈（Dc water-wall argon) ° ( 3·如申請專利範圍第1項所述之利用應變矽形成半 ν體衣置之方法，其中該加熱源係一交流電氙燈。 4·如申請專利範圍第3項所述之利用應變矽形成半 導體裝置之方法，其中該氙燈之波長係1.4-5微米。 ^ ^如申請專利範圍第1項所述之利用應變矽形成半 導體I置之方法，其中該加熱源係一氯化氙準分子雷射 (XeCl excimer laser) 〇 6·如申巧專利範圍第1項所述之利用應變矽形成半 導體裝置之方法，其中該回火提供少於十奈米距離，源 0503-A30826TWF1/Daphne 13 .1281213 修正日期：95.11,09 變。 • 第94115377號專利說明書修正本 極以及汲極延伸區濃度即降低十倍之接面陡 1項所述之利用應變矽形成半 回火之最高溫時間不大於1 0毫 7·如申請專利範圍第 導體裝置之方法，其中該 秒0 、8·如申請專利範圍帛丨工員所述之利用應變石夕形 V體衣置之方法，其中該回火之升溫速率每秒不小 攝氏溫度。 、 9·如申請專利範圍第丨項所述之湘應變卿 導體裝置之方法，其中該第一基板材料係矽鍺。 、1〇·如申明專利範圍第1項所述之利用應變矽形成丰 導體裂置之方法’其中該第二半導體材料n曰曰應變 石夕0 、Y·如申請專利範圍第1項所述之利用應變矽形成半 導體I置之方法，其中該通道區以該第二基板材料形成。 、翁蝴爿士 ★申明專利範圍第1項所述之利用應變石夕形成半 V組衣置之方法，其中該源極以及汲極區域具有不 晶格常數。 I3· 一種利用應變矽形成半導體裝置之方法， 列步驟： 何Γ 、，利用具有第一以及第二基板材料之一應變矽基板定 我=效電晶體之通道、源極以及汲極區，其中該第一以 及弟二基板材料自然狀態下具有不同之晶格常數； 植入一或多種雜質材料於源極以及汲極區；以及 利用-快速加熱源回火該電晶體，其中該快速加熱 0503-A30826TWFl/Daphne 14 1281213 第94115377號專利說明書修正本 修正日期：95.11.09 ㈣惰性氣體燈或雷射回火，且該回火提供少於十奈米 距離，源極以及汲極延伸區濃度即降低十倍之接面陡變。 14.如申4專利範圍第13項所述之利用應變石夕形成 半導體裝置之方法’其中該加熱源係一直流電水牆氬燈 (DC water-wall argon)。 本導H料鄉15第13韻叙湘應變㈣成 h縣置之方法，其中城燈之波長係14_5微米。
一16·如中請專利範圍第u項所述之利用應變石夕形成 半導體u之方法，其中該加熱源係—氯化氣準分子雷 射（XeCl excimer laser)。 、…17.如申請專利範圍第^項所述之利用應變石夕形成 半&體衣置之方法中該目火提供少於十奈米距離，源 極以及汲極延伸區濃度即降低十倍之接面陡變。 18.如申明專利範圍第丨7項所述之利用應變矽形成 半導體裝置之方法，其中該回火之升溫速率每秒不小於 250攝氏溫度。 19. 如申請專利範圍第13項所述之利用應變石夕形成 半導體聚置之方法，其中該第—基板材料係石夕鍺。 20. 如申請專利範圍第13項所述之利用應變石夕形成 半導體裝置之方法，其中該第二半導體材料係—蠢晶應 變@ 〇 21·如申請專利範圍第13項所述之利用應變石夕形成 半導體裝置之方法，其中該源極以及汲極區域具有不同 之晶格常數。 J 0503-A30826TWFl/Daphne .1281213 、 第94115377號專利說明書修正本 修正日期：95.11.09 本^壯如申請專利範㈣13項所述之利用應變石夕形成 + ¥體衣置之方法’其中該通道之通道晶格距離大於$ 埃。 23· —種半導體裝置，包括： 欣一、應^基板具有第—以及第二基板材料，其中該 f 一以及第二基板材料自然狀態下具有不同之晶格常 數，
一通道區定義於該基板上， 格距離大於5埃； 其中該通道區之通道晶 ^效電晶體之-源極以及—汲極區定義於該基板 ，，、中該基板以一或多種雜質摻雜且少於十奈米距離 源極以及汲極延伸區濃度即降低十倍之接面陡變。， 24.如申请專利範圍第23項所述之半導體裝置，並中 利用一快速加熱源回火該電晶體，該回火之升溫速^不 小於每秒250攝氏溫度。
外25.如申請專利範圍第23項所述之半導體裝置，其 該第一基板材料係矽鍺。 〃 女申口月專利範圍第23項所述之半導體裝置立巾 該第二半導體材料係-蟲晶應”。 衣置其中 27·如申請專利範圍第23項所述之半導體裝置，其中 該源極以及汲極區域具有不同之晶格常數。 〃、 28·—種利用應變矽形成半導體裝置之方法， 列步驟·· Γ 疋義場效電晶體之通道、源極以及汲極區； 〇503-A30826TWFl/Daphne 16 1281213 4第94115377就專利說明書修正本 修正日期：95·11·〇9 Λ通道之通道晶格距離大於5埃植入^一或多種雜質 材料於源極以及汲極區；以及 利用一快速加熱源回火該電晶體，其中該快速加熱 源為惰性氣體燈或雷射回火。 29·如申請專利範圍第28項所述之利用應變矽形成 半$體I置之方法，其中該加熱源係一直流電水牆氬燈 (DC water_wall argon)。 30·如申請專利範圍第28項所述之利用應變矽形成 半導體裝置之方法，其中該加熱源係一交流電氙燈。 31·如申請專利範圍第3〇項所述之利用應變矽形成 半導體裝置之方法，其中該氙燈之波長係1本5微米。 32·如申請專利範圍第28項所述之利用應變矽形成 半導體裝置之方法，其中該加熱源係一氣化氙準分子雷 射（XeCl excimer laser)。 33.如申請專利範圍第28項所述之利用應變矽形成 半導體裝置之方法，其中該回火提供少於十奈米距離，源 極以及 >及極延伸區濃度即降低十倍之接面陡變。 34·如申請專利範圍第28項所述之利用應變矽形成 半導體裝置之方法，其中該回火之最高溫時間不大於1〇 毫秒。 35. 如申請專利範圍第28項所述之利用應變矽形成 半導體裝置之方法，其中該回火之升溫速率每秒不小於 250攝氏溫度。 36. 如申請專利範圍第28項所述之利用應變矽形成 0503-A30826TWF1/Daphne 17 1281213 • 第94115377號專利說明書修正本 本莫坪壯班 . 修正日期· 95.11 ·〇! 3/:由法，其中該第-基板材料係价 半導體二\專利範圍第28項所述之利用應變石夕形成 置之方法，其中該第二半導體材料係、-屋晶應 本莫L8,f申請專利範圍第28項所述之彻應變石夕形成 丰¥脰衣置之方法，其中該通道區以該第二基板材料形 成。 "、胃39·^申請專利範圍第28項所述之利用應變矽形成 半‘體裝置之方法，其中該源極以及汲極區域具有不同 之晶格常數。
0503-A30826TWFl/Daphne 18 、1281213 ' 第94115377號專利說明書修正本 修正日期：95.11.09 七、 指定代表圖·· (一） 本案指定代表圖為：第（2)圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 10 2〜閘極電極； 104〜通道； 106〜基板； 108〜第一閘極絕緣層； 110〜深源極以及汲極區； • 112〜源極以汲極接觸； > 114〜間隔物； . 116〜閘極接觸石夕化物； 118〜淺源極以及汲極延伸區； 200〜本發明之MOSFET之剖面圖； 202〜基板； 204〜碎錯層； 206〜蠢晶層。 參 八、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： 0503-A30826TWFl/Daphne 4
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