專利名稱：具有改善的載流子遷移率的nmos的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過應(yīng)變工程來改善NMOS晶體管器件性能的制造方法，更具體地，本 發(fā)明涉及通過引起溝道區(qū)的應(yīng)力改變，來提高載流子的遷移率。
背景技術(shù)：
隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，具有更高性能和更強功能的集成電路要求更大的元件密 度，而且各個部件、元件之間或各個元件自身的尺寸、大小和空間也需要進一步縮小。然而，當集成電路元件的尺寸縮小時，不可避免地損害了晶體管和其他元件運轉(zhuǎn) 的恒定材料特性和物理效應(yīng)。因此，已經(jīng)對晶體管的設(shè)計進行了很多新的創(chuàng)新，以便把這些 元件的性能保持到合適的水平。場效應(yīng)晶體管中保持性能的重要因素是載流子遷移率，在通過非常薄的柵介質(zhì)來 與溝道隔離的柵極上施加的電壓的情況下，載流子遷移率可以影響摻雜半導體溝道中流動 的電流或電荷量。已經(jīng)知道，根據(jù)載流子的類型和應(yīng)力方向，F(xiàn)ET的溝道區(qū)中的機械應(yīng)力可以顯著地 提高或降低載流子的遷移率。在FET中，拉應(yīng)力能夠提高電子遷移率，降低空穴遷移率，可 以有利地提高NMOS的性能；而壓應(yīng)力可以提高空穴遷移率，降低電子遷移率，可以有利地 提高PMOS的性能?，F(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出了大量的結(jié)構(gòu)和材料用于在半導體材料中包含拉 力或者壓力，例如在US2006/0160317中，就提出了一種在MOSFET器件上通過沉積應(yīng)力層， 并選擇性地刻蝕全部或者部分柵極層，來提高溝道中的載流子遷移率的方案。然而，現(xiàn)有技術(shù)通常通過設(shè)置單獨的應(yīng)力層或者應(yīng)力界面來改變載流子的遷移 率，這將不利于器件尺寸的持續(xù)縮小，并且導致復雜的制造工藝。而且隨著目前半導體器件 尺寸的減小，相應(yīng)的溝道區(qū)域也隨之減小。因此，當應(yīng)力材料膨脹時，對于施加在溝道區(qū)域 兩側(cè)的源極和/或漏極區(qū)域應(yīng)力材料，其相應(yīng)增加的應(yīng)力非常有限，從而不能夠很好地改 善MOSFET晶體管，尤其是N-FET晶體管的性能，這樣，其對應(yīng)構(gòu)成的COMS電路的性能也相 應(yīng)地較差。因此，需要提供一種新的半導體器件的制造方法，能夠使得在不使用單獨的應(yīng)力 層的情況下，提高NMOS器件的溝道區(qū)的載流子遷移率，降低器件的尺寸并簡化制造工藝。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明提供一種具有改善的載流子遷移率的N型場效應(yīng)晶體管器 件的制造方法在襯底上形成N型場效應(yīng)晶體管器件，所述器件具有包括柵極介質(zhì)層、金屬 柵層和偽柵極層的柵堆疊；覆蓋所述器件的源極區(qū)、漏極區(qū)和柵堆疊形成接觸刻蝕停止層； 在所述接觸刻蝕停止層中分別形成位于源極區(qū)和漏極區(qū)上方的第一對接觸孔，所述接觸孔 臨近所述柵堆疊設(shè)置；在所述第一對接觸孔中形成具有拉應(yīng)力性質(zhì)的材料，從而對所述器 件的溝道區(qū)域施加拉應(yīng)力；移除所述偽柵極層，以提高溝道區(qū)域的拉應(yīng)力。所述具有拉應(yīng)力 性質(zhì)的材料優(yōu)選為鎢。進一步地，可以在在移除所述偽柵極層的步驟之后，在所述金屬柵層上形成應(yīng)力層或者非應(yīng)力層。在形成應(yīng)力層的情況下，可以在所述金屬柵層上沉積金屬連接層，例如 Al。在形成非應(yīng)力層的情況下，可以在所述金屬柵極層上沉積具有壓應(yīng)力性質(zhì)的應(yīng)力層，例 如氮化物層，以進一步提高溝道區(qū)域的拉應(yīng)力?？梢栽谄骷线M一步形成保護層和層間介質(zhì)層，并在所述保護層和層間介質(zhì)層中 形成與所述第一對接觸孔聯(lián)通的第二對接觸孔，在所述第二對接觸孔中沉積接觸材料。這 樣就可以通過兩個獨立的工藝形成接觸孔和金屬接觸，從而有利地降低了金屬填充的難度。


圖1-7示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的N型場效應(yīng)晶體管器件的不同階段的示意性 截面圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的N型場效應(yīng)晶體管的制造方法的流程圖。
具體實施例方式下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡 化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設(shè)置進行描述。當然，它們僅僅為示例，并且 目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復參考數(shù)字和/或字母。這種重 復是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此 外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到 其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之 “上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形 成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。應(yīng)當注意，在 附圖中所圖示的部件不一定按比例繪制。本發(fā)明省略了對公知組件和處理技術(shù)及工藝的描 述以避免不必要地限制本發(fā)明。如上所述，當溝道區(qū)被置于拉應(yīng)力下時，能夠改進N型場效應(yīng)晶體管(NMOQ器件 的性能。在本發(fā)明的實施例中，通過在NMOS的源極區(qū)、漏極區(qū)上方的接觸孔中形成具有拉 應(yīng)力性質(zhì)的材料，從而對NMOS器件的溝道區(qū)施加拉應(yīng)力，而后去除所述NMOS器件的柵堆疊 中的偽柵極層，以使柵堆疊對溝道區(qū)的反作用力進一步減小，從而提高溝道區(qū)域的拉應(yīng)力。 在本發(fā)明的一個實施例中，具有拉應(yīng)力性質(zhì)的材料為鎢。特別地，可以在柵堆疊中進一步沉 積具有壓應(yīng)力性質(zhì)的應(yīng)力層，以進一步提高溝道區(qū)的拉應(yīng)力。通過本發(fā)明的制造方法，可以 不必單獨地形成應(yīng)力層，而通過在接觸孔中填充應(yīng)力材料并隨后選擇性地移除柵堆疊中的 部分結(jié)構(gòu)來提高NMOS器件中溝道區(qū)的拉應(yīng)力。參考圖8，圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的N型場效應(yīng)晶體管的制造方法的流程 圖。在步驟901，在襯底上形成N型場效應(yīng)晶體管器件，所述器件具有包括柵極介質(zhì)層、金屬 柵層和偽柵極層的柵堆疊。如圖1所示，在晶片上利用公知的處理技術(shù)形成NMOS器件，所 述器件具有襯底200、位于襯底上的源極區(qū)和漏極區(qū)202、在所述源極區(qū)和漏極區(qū)之間的柵 堆疊206，所述柵堆疊包括柵極介質(zhì)層208、金屬柵層210和偽柵極層212。半導體襯底可 以包括任何的幾種半導體材料，包括但不限于硅、鍺、硅-鍺、硅-鍺合金、碳化硅、碳化硅鍺 合金等。典型地，半導體襯底200可以是但不限于約幾百微米厚，例如從5-70的厚度范圍。用來形成NMOS器件的許多過程和材料對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的。特別地如圖1所示，可以在半導體襯底200中形成隔離區(qū)，例如淺溝槽隔離(STI) 結(jié)構(gòu)214，以便電隔離連續(xù)的場效應(yīng)晶體管器件。在所述襯底中形成源/漏極并分別連接至 溝道204。在所述溝道上方形成柵堆疊206，包括柵介質(zhì)層208、金屬柵層210以及偽柵極 層212。例如，首先在襯底上形成柵介質(zhì)層208，可以通過沉積高k材料來形成，例如Η 2、 HfSiO、HfSiON、HfTaO, HfTiO, Hf7r0，柵介質(zhì)層的厚度大約為2_10nm。而后在所述柵介質(zhì) 層上形成金屬柵層210，例如通過沉積例如TaC，TiN, TaTbN, TaErN, TaYbN, TaSiN, HfSiN, MoSiN, RuTax, NiTax來形成，厚度大約為2-lOnm。在所述金屬柵層210上形成偽柵極層212， 例如通過沉積Poly-Si、Poly-SiGe來形成偽柵極層212。對所述器件進行圖案化，并進行 刻蝕，以形成柵堆疊206。特別地，在所述柵堆疊的側(cè)壁形成側(cè)墻216。所述側(cè)墻216可以 為但不限于氮化物材料，可以通過本領(lǐng)域公知的形成側(cè)墻的方法來形成。可選地，可以首先在所述源極區(qū)、漏極區(qū)以及所述偽柵極層的表面形成金屬硅化 物層218。例如可以通過在所述源極區(qū)、漏極區(qū)和所述偽柵極層的表面先沉積一層薄的金 屬層，例如Ni或Co，對所述器件進行退火，這樣對應(yīng)襯底200區(qū)域，沉積的金屬層與位于其 下方的襯底200發(fā)生化學反應(yīng)，從而在金屬層與該接觸的器件表面形成金屬硅化物，例如 NiSi、NiPtSi或CoSi2 ；對應(yīng)偽柵極層212區(qū)域，沉積的金屬層與位于其下方的多晶硅偽柵 極層212發(fā)生化學反應(yīng)，從而在金屬層與該接觸的器件表面形成金屬硅化物。而后，進行刻 蝕，以移除沒有反應(yīng)的金屬層，從而形成金屬硅化物層。所述金屬硅化物層218，例如NiSi、 NiPtSi或CoSi2層，可以起到減少電阻的作用。而后，在步驟902，在覆蓋所述器件的源極區(qū)、漏極區(qū)202和柵堆疊206形成接觸刻 蝕停止層220和刻蝕保護層221，如圖2所示。接觸刻蝕停止層220可以利用本領(lǐng)域公知的 沉積工藝形成，例如可以是但不限于氮化物層，例如氮化硅層，并且其沉積厚度可以是大約 lO-lOOnm。刻蝕保護層221可以使例如Si02層，以用于后續(xù)的化學機械拋光(CMP)工藝中 防止該工藝處理對柵堆疊的損害，在一個實施例中Si02層221的厚度可以在100-300nm的 范圍內(nèi)。方法進行到步驟903，在所述接觸刻蝕停止層中分別形成位于源極區(qū)和漏極區(qū)上方 的第一對接觸孔222，所述接觸孔222臨近所述柵堆疊設(shè)置，如圖3所示。可以利用例如本 領(lǐng)域公知的形成接觸孔的方法，例如反應(yīng)離子刻蝕來形成接觸孔222。所述接觸孔222可以 設(shè)置在距離所述柵堆疊或所述側(cè)墻大約10nm-50nm的范圍內(nèi)。此后，在步驟904，如圖4所示，在所述第一對接觸孔中形成具有拉應(yīng)力性質(zhì)的材 料，從而對所述器件的溝道區(qū)域施加拉應(yīng)力。所述具有拉應(yīng)力性質(zhì)的材料可以是但不限于 鎢。可以使用本領(lǐng)域公知的對接觸孔進行沉積的方法形成所述接觸連接。例如，可選地，可 以在接觸孔中首先沉積TiN層(未示出)，而后在所述TiN層上形成鎢接觸，沉積TiN層的 作用是用作擴散阻擋層，從而阻止后續(xù)沉積在接觸孔222中的鎢擴散到硅中去。最后對所 述器件執(zhí)行化學機械拋光(CMP)以暴露所述偽柵極層。其中化學機械拋光工藝停止在對應(yīng) 源、漏區(qū)的兩側(cè)的接觸刻蝕停止層220上，從而形成一對鎢的應(yīng)力接觸222，并暴露偽柵極 層212。通過設(shè)置例如Si02層221的保護層，可以防止在執(zhí)行CMP工藝過程中，尤其在拋光 柵堆疊216上方的接觸刻蝕停止層220時，過量拋光而造成對柵堆疊的損壞。此后在步驟905，如圖5所示，移除所述偽柵極層212，以提高溝道區(qū)域的拉應(yīng)力。 由于偽柵極層212的材料為多晶硅或者多晶硅鍺材料，因此，其可以通過例如，去氫刻蝕混合氣來進行。由于偽柵極層被移除，導致柵堆疊中的反作用力進一步減小，從而進一步調(diào)高 了溝道區(qū)的拉應(yīng)力?？蛇x擇地，如圖6所示，可以在所述金屬柵極層上沉積應(yīng)力層或者是非應(yīng)力層 224。在沉積應(yīng)力層的情況下，所述應(yīng)力層可以是具有與所屬填充接觸孔的材料具有相反應(yīng) 力的材料以進一步提高溝道區(qū)的拉應(yīng)力。例如可以沉積具有壓應(yīng)力性質(zhì)的應(yīng)力材料，包括， 但不限于TiAl或壓應(yīng)力的氮化硅等。在沉積非應(yīng)力層的情況下，可以在所述金屬柵極層上 沉積金屬連接層，所述金屬連接層的材料包括但不限于Al。特別地，可選擇地，如圖7所示，可以覆蓋所述接觸刻蝕停止層、所述接觸孔表面 和所述柵堆疊的表面形成保護層2 和層間介質(zhì)層228，在所述保護層和層間介質(zhì)層中形 成與所述第一對接觸孔222聯(lián)通的第二對接觸孔230，在所述第二對接觸孔中沉積接觸材 料。所述保護層和所述層間介質(zhì)層均可以利用本領(lǐng)域公知的工藝來形成，包括但不限于等 離子體沉積、化學氣相沉積等。所述保護層可以包括氮化物層，包括但不限于氮化硅，并且 其沉積厚度例如可以是大約10-30nm之間。層間介質(zhì)層2 可以包括氧化物層，還包括但 不限于低k材料，其沉積厚度可以是大約10-200nm。保護層2 沉積在形成的NMOS晶體管 上方，可以封住器件進行保護，以防止?jié)駳獾韧獠凯h(huán)境對該器件的影響。層間介質(zhì)層2 可 以對形成的N-FET晶體管的電學性能進行改善。在所述第二對接觸孔中沉積的接觸材料，可以包括但不限于鎢。這樣就可以通過 兩個獨立的工藝形成接觸孔和金屬接觸，從而有利地避免了金屬填充的難度。應(yīng)用本發(fā)明的實施例，通過直接在NMOS的源極區(qū)、漏極區(qū)上方的接觸孔中形成具 有拉應(yīng)力性質(zhì)的材料，例如鎢，從而對NMOS器件的溝道區(qū)施加拉應(yīng)力。而后去除所述NMOS 器件的柵堆疊中的偽柵極層，以使柵堆疊對溝道區(qū)的反作用力進一步減小，從而提高溝道 區(qū)域的拉應(yīng)力，提高載流子的遷移率，改善器件的性能。本發(fā)明避免采用單獨的應(yīng)力層來 改善NMOS器件溝道區(qū)的拉應(yīng)力，有利地簡化了器件制造工藝，同時改善了器件的尺寸和性 能。特別地，可以在器件上進一步形成保護層和層間介質(zhì)層，并在所述保護層和層間介質(zhì)層 中形成與所述第一對接觸孔聯(lián)通的第二對接觸孔，在所述第二對接觸孔中沉積接觸材料。 這樣就可以通過兩個獨立的工藝形成接觸孔和金屬接觸，從而有利地降低了金屬填充的難 度。雖然關(guān)于示例實施例及其優(yōu)點已經(jīng)詳細說明，應(yīng)當理解在不脫離本發(fā)明的精神和 所附權(quán)利要求限定的保護范圍的情況下，可以對這些實施例進行各種變化、替換和修改。對 于其他例子，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當容易理解在保持本發(fā)明保護范圍內(nèi)的同時，工藝 步驟的次序可以變化。此外，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不局限于說明書中描述的特定實施例的工藝、機構(gòu)、制 造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容 易地理解，對于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、機構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法 或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對應(yīng)實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié) 果，依照本發(fā)明可以對它們進行應(yīng)用。因此，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機構(gòu)、制 造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有改善的載流子遷移率的N型場效應(yīng)晶體管器件的制造方法在襯底上形成N型場效應(yīng)晶體管器件，所述器件具有包括柵極介質(zhì)層、金屬柵層和偽 柵極層的柵堆疊，以及源極區(qū)和漏極區(qū)；覆蓋所述器件的源極區(qū)、漏極區(qū)和柵堆疊形成接觸刻蝕停止層；在所述接觸刻蝕停止層中分別形成位于源極區(qū)和漏極區(qū)上方的第一對接觸孔，所述接 觸孔臨近所述柵堆疊設(shè)置；在所述第一對接觸孔中形成具有拉應(yīng)力性質(zhì)的材料，從而對所述器件的溝道區(qū)域施加 拉應(yīng)力；移除所述偽柵極層，以提高溝道區(qū)域的拉應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述具有拉應(yīng)力性質(zhì)的材料為鎢。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中在所述第一對接觸孔中形成具有拉應(yīng)力性質(zhì)的材 料的步驟還包括在所述接觸孔中形成TiN層；在所述TiN層上形成鎢接觸；以及對所述器件執(zhí)行化學機械拋光以暴露所述偽柵極層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在移除所述偽柵極層的步驟之后，在所述金屬柵層上形成金屬連接層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述金屬連接層的材料包括Al。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在移除所述偽柵極層的步驟之后，在所述金屬柵層上形成具有壓應(yīng)力性質(zhì)的應(yīng)力層， 以進一步提高溝道區(qū)域的拉應(yīng)力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述應(yīng)力層為TiAl層或氮化硅層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在形成接觸刻蝕停止層的步驟之前，在所述晶體管的源極區(qū)、漏極區(qū)表面以及偽柵極 層的表面形成金屬硅化物層的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述金屬硅化物層包括=NiSi和CoSi2。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述第一對接觸孔形成在距離所述柵堆疊兩側(cè)大約 10-50nm 處。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在形成具有拉應(yīng)力性質(zhì)的材料的步驟之后，對所述器件進行化學機械拋光，以暴露所 述偽柵極層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述接觸刻蝕停止層包括氮化物層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述器件的步驟還包括，在所述柵堆疊的側(cè) 壁形成側(cè)墻的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在移除所述偽柵極的步驟之后，覆蓋所述接觸刻蝕停止層、所述接觸孔表面和所述柵 堆疊的表面形成保護層和層間介質(zhì)層，在所述保護層和層間介質(zhì)層中形成與所述第一對接 觸孔聯(lián)通的第二對接觸孔，在所述第二對接觸孔中沉積具有拉應(yīng)力性質(zhì)的接觸材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述保護層包括氮化物層。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述層間介質(zhì)層包括氧化物層或低k材料.
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制造方法，其中所述具有拉應(yīng)力性質(zhì)的接觸材料為鎢.
全文摘要
通過直接在NMOS的源極區(qū)、漏極區(qū)上方的接觸孔中形成具有拉應(yīng)力性質(zhì)的材料，例如鎢，從而對NMOS器件的溝道區(qū)施加拉應(yīng)力。而后去除所述NMOS器件的柵堆疊中的偽柵極層，以使柵堆疊對溝道區(qū)的反作用力進一步減小，從而提高溝道區(qū)域的拉應(yīng)力，提高載流子的遷移率，改善器件的性能。本發(fā)明避免采用單獨的應(yīng)力層來改善NMOS器件溝道區(qū)的拉應(yīng)力，有利地簡化了器件制造工藝，同時改善了器件的尺寸和性能。
文檔編號H01L21/336GK102110611SQ20091024413
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者尹海洲, 朱慧瓏, 駱志炯 申請人:中國科學院微電子研究所