应变补偿的场效应晶体管及其制造方法

专利名称：应变补偿的场效应晶体管及其制造方法
技术领域：
本发明的实施例通常涉及场效应晶体管以及，更具体而言，涉及具有 降低的驱动电流温度敏感性的场效应晶体管。
背景技术：
场效应晶体管中的栽流子迁移率是温度敏感的。例如，已经发现在n 型场效应晶体管(n-FET)沟道区域中的电子迁移率与温度成反比。相似 地，还发现在p型场效应晶体管(p-FET)沟道区域中的空穴的迁移率的 变化与温度成反比。由于载流子迁移率直接影响驱动电流，温度敏感性对 电路设计提出了较高的要求。具体而言，温度敏感性对模拟电路设计提出 了较高的要求，因为模拟电路通常需要非常紧的容差。因此，在场效应晶 体管领域内需要通过配置以便最小化或消除驱动电流温度敏感性。发明内容鉴于上述，这里公开了具有降低的驱动电流温度敏感性的场效应晶体 管(FET)的实施例。具体而言，配置所述FET，以便通过相反的依赖应 变的载流子迁移率变化同时抵消在沟道区域中的任何依赖温度的载流子迁 移率变化，以保证驱动电流在响应温度改变时保持近似恒定或至少在预定 的范围内。通过配置至少一个应变结构以在沟道区域上施加预先选择的应 变类型的依赖温度的量，来提供相反的依赖应变的栽流子迁移率变化。还 公开了形成所述场效应晶体管的相关方法的多个实施例。具体而言，这里公开了场效应晶体管(FET)的多个实施例，其包括 一个或多个预先配置的应变结构用于在FET沟道区域上施加依赖温度的 应变。*没计该依赖温度的应变以保证总的载流子迁移率，由此4吏驱动电流与温度无关并保持近似恒定。
可以在FET结构内的各种位置引入该应变结构。例如，应变结构可以 包括在沟道区域之上的应变材料层、在沟道区域之下的应变材料层、构成 栅极电极的应变材料、由应变材料构成的在沟道区域任一侧的源^漏极区 域、和/或邻近源极/漏极区域并使用应变材料填充的浅沟槽隔离(STI)区 域。
当预先配置应变结构以在依赖温度的栽流子迁移率变化与依赖应变的 载流子迁移率变化之间获得希望的平衡时，除了结构位置之外，还存在至 少四个其他因素需要考虑(1)相对于沟道区域半导体材料的温度膨胀系 数((5Si)的应变材料的温度膨胀系数(TCE ) ( pM ) ; ( 2 )从应变材料 到沟道的应变传递的相对符号(即，施加在沟道区域上的应变的类型，压 缩或拉伸的)；(3 )响应温度变化的该应变传递的量值(即，响应温度变 化而施加到沟道区域上的应变的相对量值)；以及U)对于给定沟道应变 的给定变化(Ms)的迁移率变化(即，响应应变变化，沟道区域中的载流 子迁移率变化的方向和相对量值)。
如果沟道中的应变与应变材料中的应变的比率是(T])并且，如果应
变材料中的应变的水平是(SM)，那么沟道中的应变(Sc)可以由Sc = TixSM 给出。为了获得本发明的FET，选择应变结构和材料，以便应变变化所导 致的迁移率的变化(随温度的改变)非常近似等于沟道载流子随温度的本 征(非应变的)迁移率的变化但符号相反。通过求解下列公式，可以得到 沟道区域中的依赖温度的载流子迁移率变化与依赖应变的载流子迁移率变 化之间的希望的平衡
麵/dT:dXT!X(pM -pSi) 其中dA/dT代表响应温度的沟道区域中的载流子迁移率变化，d代表响应 沟道区域中的应变变化的沟道区域中的载流子迁移率变化(即，每应变变
化的迁移率变化)，Tl代表从应变材料到所述沟道区域的应变的传递比率，
PM代表应变材料的热膨胀系数(TCE) ， Psi代表沟道区域中的半导体材 料的热膨胀系数(TCE)。换言之，由于任何结构的热膨胀系数的量值依赖其成分和尺寸， 一旦 通过该公式确定了应变结构的需要的热膨胀系数，那么就可以预先配置应 变结构。也就是，可以预先确定应变结构的尺寸、组成、位置等，以侵羞 本上满足该一^式并且产生的迁移的净变化小。例如，在第一实施例中，FET可以包括nFET。可以预先配置该第一 实施例中的应变结构以具有预先选择的应变材料，该预先选择的应变材料 具有压缩应变和预先确定的热膨胀系数，以便应变材料施加在沟道区域上 的压缩应变的量与温度变化成反比。在第二实施例中，FET同样包括 nFET。然而，在该第二实施例中，可以预先配置应变结构具有预先选择的 应变材料，所述预先选择的应变材料具有拉伸应变和预先确定的热膨胀系 数，以便应变材料施加在沟道区域上的拉伸应变与温度变化成正比。在第 三实施例中，FET包括pFET。可以预先配置在该第三实施例中的应变结 构具有预先选择的应变材料，所述预先选择的应变材料具有拉伸应变和预 先设定的热膨胀系数，以便应变材料施加在沟道区域上的拉伸应变与温度 变化成反比。在第四实施例中，所述FET同样包括pFET。然而，在该第 四实施例中，可以预先配置应变结构以具有预先选择的应变材料，该预先 选择的应变材料具有压缩应变和预先确定的热膨胀系数，以便应变材料施 加在沟道区域上的压缩应变与温度变化成正比。还公开了形成上述晶体管的方法的多个实施例。具体而言，可以通过 使用常规处理技术，形成n型场效应晶体管(nFET)或p型场效应晶体 管。如上所述，在半导体沟道区域中的载流子的迁移率，无论nFET中的 电子或pFET中的空穴，均是温度敏感和应变敏感的。本方法实施例还包括邻近FET的沟道区域预先配置和形成由应变材 料构成的至少一个应变结构用于在沟道区域上施加依赖温度的应变。可以 在FET结构内相对于沟道区域的各种位置处形成这样的应变结构，以便保 证沟道区域中的依赖温度的载流子迁移率变化同时被沟道区域中的近似相 等并相反的依赖应变的载流子迁移率变化同所抵消。例如，可以通过在沟道区域之上，具体而言，在&出FET结构之上，形成应变材料的上层(overlayer)，以形成应变结构。还可以通过在沟道 区域之下形成应变材料的下层(underlayer)，以形成应变结构。可以通 过使用应变材料代替源^l/漏极区域中的硅，形成应变结构。可以通过形成 邻近源极/漏极区域的应变材料填充的淺沟槽隔离区域，来形成应变结构。 最后，可以通过使用应变材料形成FET栅极电极，来形成应变结构。
此外，当预先配置应变结构以在依赖温度的载流子迁移率变化与依赖 应变的载流子迁移率变化之间获得希望的平衡时，除了应变结构位置之外， 还存在可以考虑的至少四个其他因素(1)相对于沟道区域半导体材料的 温度膨胀系数(Psi)的应变材料的温度膨胀系数(TCE) (Pm) ; (2) 从应变材料到沟道的应变传递的相对符号(即，施加在所述沟道区域上的 应变的类型，压缩的或拉伸的)；(3)响应温度变化的该应变传递的量值
(即，响应温度变化而施加到沟道区域上的应变的相对量值)；以及U) 对于给定沟道应变的给定变化(Ms)的迁移率变化(即，响应应变变化， 沟道区域中的载流子迁移率变化的方向和相对量值)。
如果沟道中的应变与应变材料中的应变的比率是(il)并且，如果应 变材料中的应变的水平是(SM),那么沟道中的应变(Sc)可以由Sc = tixSm 给出。为了获得本发明的FET，选择应变结构和材料，以便应变变化导致 的迁移率的变化(随温度的改变)非常近似等于沟道载流子随温度的#
(非应变的)迁移率的变化但符号相反。通过求解下列公式，可以得到依 赖温度的载流子迁移率变化与依赖应变的载流子迁移率变化之间的平衡
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其中d^/dT代表响应温度的沟道区域中的载流子迁移率变化，d代表响应 沟道区域中的应变变化的沟道区域中的载流子迁移率变化(即，每应变变 化的迁移率变化)，i]代表从所述应变材料到沟道区域的应变的传递比率， PM代表应变材料的热膨胀系数(TCE) ， Psi代表沟道区域中的半导体材 料的热膨胀系数(TCE)。
换言之，由于任何结构的热膨胀系数的量值依赖其成分和尺寸， 一旦 通过该公式确定了应变结构的需要的热膨胀系数，那么就可以预先配置应变结构。也就是，可以预先确定应变结构的尺寸、组成、位置等，以侵羞 本上满足该一&式并且产生的迁移率的净变化小。例如，在第一实施例中，所述方法可以包括形成nFET。在该第一实施 例中，预先设置应变结构的方法包括，预先选择具有压缩应变的应变材料 并且预先确定应变材料的热膨胀系数，以便通过应变材料施加在沟道区域 上的压缩应变的量与温度变化成反比。在第二实施例中，所述方法同样可 以包括形成nFET。在该第二实施例中，然而，预先配置应变结构的方法， 包括预先选择具有拉伸应变的应变材料并预先确定应变材料的热膨胀系 数，以便通过所述应变材料施加在沟道区域上的拉伸应变与温度变化成正 比。在第三实施例中，所述方法包括形成pFET。在该第三实施例中，预 先配置应变结构的方法包括，预先选择具有拉伸应变的应变材料并预先设 确定应变材料的热膨胀系数，以便通过所述应变材料施加在沟道区域上的 拉伸应变的量与温度变化成反比。在第四实施例中，所述方法同样包括形 成pFET。在该第四实施例中，然而，预先配置应变结构的方法，包括预 先选择具有压缩应变的应变材料并预先确定应变材料的热膨胀系数，以便 通过所述应变材料施加在沟道区域上的压缩应变与温度变化成正比。当结合下面的描述和附图考虑时，将更好地了解和理解本发明的多个 实施例的这些和其他方面。应该理解，然而，虽然下列描述指出了本发明 的多个优选的实施例以及其大量的具体细节，但其通过示例性而非限制性 的方式给出。可以在本发明的实施例的范围内做出改变和修改而不背离其 精神，本发明的实施例包括所有这样的修改。


参考附图，从下面的详细描述可以更好地理解本发明的实施例，其中图1是示例了具有上层应变结构的FET的示意图；图2是示例了具有下层应变结构的FET的示意图；图3是示例了具有源极/漏极应变结构的FET的示意图；图4是示例了具有沟槽隔离应变结构的FET的示意图；图5是示例了具有栅极电极应变结构的FET的示意图6是示例了 n型场效应晶体管(nFET)的沟道区域中的电子迁移 率与温度之间的示例性反向关系的图形；
图7是示例了 p型场效应晶体管(pFET)的沟道区域中空穴迁移率 和温度之间的示例性反向关系的图8是示例了 nFET的沟道区域中的电子迁移率与压缩应变之间的示 例性反向关系的图9是示例了 nFET的沟道区域中的电子迁移率与拉伸应变之间的示 例性正向关系的例性正向关系的例性反向关系的图； '<—、、、'、、
图12是示例了本发明的FET实施例中的载流子迁移率不随温度变化 的图；以及
图13是示例了本发明的方法的实施例的示意图。
具体实施例方式
参考在附图中示例的以及下面详细描述的非限制性实施例，更充分地 解释了本发明的实施例以及其各种特征和有利的细节。应该注意在附图中 示例的特征没有严格地按比例绘制。省略了公知的元件和处理技术的描述 以避免不必要的模糊本发明的实施例。这里使用的实例仅仅旨在有利于理 解实施本发明的实施例的方法，以及进一步使本领域的技术人员能够实践 本发明的实施例。因此，这些实例不能解释为本发明的实施例的限制。
如上所述，场效应晶体管(FET)的沟道区域中的电荷载流子迁移率 是温度敏感的，并且还直接影响驱动电流。这对电路设计提出了更高的要 求，具体而言，对模拟电路设计提出了更高的要求，因为模拟电路通常需 要非常紧的容差。鉴于上述，这里公开了具有降低的驱动电流温度敏感性的场效应晶体管(FET)的实施例。具体而言，在每个实施例中，FET包括至少一个预 先配置的应变结构以便通过近似相等和相反的依赖应变的栽流子迁移率改 变同时抵消在沟道区域中的任何依赖温度的栽流子迁移率的改变，以保证 驱动电流在响应温度改变时保持近似恒定或至少在预定的范围内。当预先 配置应变结构时，要考虑各种因素。例如，调节应变结构传递比率和应变 层的温度膨胀系数(TCE)以显著地去掉随晶体管的载流子温度的迁移率 的本征变化。还^^开了形成该场效应晶体管的相关方法的实施例。具体而言，^^开了一种场效应晶体管(FET)(参见图1-5的FET 100-500)的实施例。每个FET 100-500可以包括其中沟道区域中的载流 子是空穴的p型晶体管(pFET)或其中沟道区域中的载流子是电子的n 型场效应晶体管(nFET)。栽流子的迁移率(即，nFET中的电子或pFET中的空穴)直接影响 驱动电流。此外，栽流子的迁移率依赖于沟道区域中的温度(即，迁移率 是温度敏感的)。例如，在pFET中(例如，具有{100}沟道平面并且具有 沿<110>方向的电流矢量)，已经发现在沟道区域中的空穴迁移率变化与 温度变化成反比(参见图7)。相似地，在nFET中(例如，具有{100}沟 道平面)，已经发现在沟道区域中的电子迁移率变化与温度变化成反比。 最后，载流子的迁移率还依赖于沟道区域中的应变的量和类型。例如，在 pFET中，已经发现载流子迁移率的变化与施加到沟道区域上的单轴压缩 应变的量的变化成正比(参见图10)，而与施加在沟道区域上的单轴拉伸 应变的量成反比(参见图11)。反之，在nFET中，已经发现载流子迁移 率变化与施加在沟道区域上的单轴拉伸应变的量成正比(参见图9)，而 与施加在沟道区域上的单轴压缩应变的量成反比(参见图8)。因此，本发明的FET实施例100-500包括一个或多个预先配置的应变 结构150-550用于在FET沟道区域上施加依赖温度的应变。设计该依赖温 度的应变以保证总的载流子迁移率，由此，使驱动电流与温度无关而保持 近似恒定。应变结构相对于沟道区域的位置可以改变，只要应变结构可以在沟道 区域上施加物理应变力(例如，压缩或拉伸应变)。例如，如在图l中所
示，应变结构可以包括在FET100的沟道区域110、栅极区域120和源^L/ 漏极区域130之上的应变材料层150 (即，上层)。如在图2中所示，应 变结构可以包括在FET 200的沟道区域210之下的应变材料层250 (即， 下层)。如在图3中所示，应变结构可以包括在FET 300的沟道区域310 的任一侧的源极/漏极区域350，其中源^漏极区域350包括应变材料(例 如，代替硅的外延生长的珪锗)。如在图4中所示，应变结构可以包括邻 近FET400的源极/漏极区域430的浅沟槽隔离(STI)区域，其中用应变 材料填充STI。最后，如在图5中所示，应变结构可以包括使用应变材料 形成的栅极电极550。
应该理解，虽然图1-5中示例的实施例在每个晶体管100-500中仅仅 示出了单个应变结构，但是示例的应变结构150-550的任何合适的组合均 可引入到本发明的FET结构中，以响应温度改变在依赖温度的载流子迁移 率变化和依赖应变的栽流子迁移率变化之间获得希望的平衡。
如上所述，栽流子迁移率的变化既是温度敏感的，又是应变敏感的(参 见图5-10)。该温度敏感性和应变敏感性是可以预测的。也就是，响应温 度变化的载流子迁移率的变化是可以预测的。此外，响应温度变化的由 FET沟道区域上的应变结构施加的应变的量(拉伸或压缩应变)是可预测 的。也就是，应变材料的热膨胀系数(即，温度每增加一度应变材料将膨 胀的量)，沟道区域的热膨胀系数，以及其它因素包括，但不限于，热膨 胀系数的失配，应变结构相对于沟道区域的尺寸和位置，都可以用于预测 沟道区域中的依赖温度的应变变化，该应变变化归因于响应温度变化的应 变材料的膨胀或收缩。最后，响应预测的应变变化的栽流子迁移率变化的 量也是可预测的。也就是，由此，可以使用沟道区域中的预测的依赖温度 的应变变化来预测在沟道区域中的依赖应变的迁移率的变化。
因此，了解到沟道区域110-510中的栽流子迁移率的温度敏感性，可 以设计并物理地设置温度敏感的应变结构150-550的配置以抵消预测的温度敏感的迁移率变化。也就是，可以预先选择每一个应变结构中的应变材料(参见图1-5的结构150-550)以具有给定的应变类型(例如，压缩的或 拉伸的)，以便在FET沟道区域110-510上施加给定应变类型的应变。同 样可以预先配置应变结构150-550中的应变材料以具有预定的热膨胀系数 (TCE)，以便应变结构在沟道区域上施加的应变的量是温度敏感的(即， 以便压缩或拉伸应变依赖于温度改变)。更具体而言，当预先配置该应变结构150-550以获得沟道区域中的依 赖温度的载流子迁移率变化与依赖应变的载流子迁移率的变化之间的希望 的平衡时，存在至少四个因素需要考虑，由此，保证驱动电流基本上不依 赖于温度(1)相对于沟道区域半导体材料的温度膨胀系数(pSi)的应 变材料的温度膨胀系数(TCE) (Pm) ; (2)从应变材料至沟道的应变 传递的相对符号(即，施加在沟道区域上的应变的类型，压缩的或拉伸的)； (3)响应温度变化的该应变传递的量值(即，响应温度变化而施加在沟道 区域上的应变的相对量值)；以及(4 )对于给定沟道应变的给定变化(Ms) 的迁移率变化(即，响应应变变化，沟道区域中的载流子迁移率变化的方 向和相对量值)。如果沟道中的应变与应变材料中的应变的比率是(ti)并且，如果应 变材料中应变的水平是(SM)，那么沟道中的应变(Sc )可以由Sc = rixSM 给出。为了获得本发明的FET，选择应变结构和材料，以便应变变化导致 的迁移率的变化(随温度的改变)非常近似等于沟道载流子随温度的4^E (非应变的)迁移率的变化但符号相反。通过求解下列^^式，可以得到沟 道区域的依赖温度的载流子迁移率变化与依赖应变的载流子迁移率变化之间的希望的平衡dT=-dXT!X(pM -pSi)其中d^/dT代表响应温度的沟道区域的载流子迁移率变化，d代表响应沟 道区域中的应变变化的沟道区域的载流子迁移率变化(即，每应变变化的迁移率变化)，Tl代表从应变材料到沟道区域的应变的传递比率，卩m代表应变材料热膨胀系数(TCE) ， psi代表沟道区域中的半导体材料的热膨胀系数(TCE)。
换言之，由于任何结构的热膨胀系数的量值依赖其成分和尺寸， 一旦 通过该公式确定了应变结构的需要的热膨胀系数，那么就可以预先配置应 变结构。也就是，可以预先确定应变结构的尺寸、组成、位置等，以便基 本上满足该>&式并且产生的迁移率的净变化小。
在示例性的情况下，可以配置nFET具有在FET之上的应变上层，并 可以预先选择上层材料，以便上层材料的热膨胀系数小于晶体管半导体材 料的热膨胀系数(例如，小于硅的热膨胀系数)。这样的系统的应变传递 典型为T]~0.1 (正)，使得随温度增加，nFET的沟道区域中的应变的绝 对值减小(即，倾向于增加拉伸)。该因素趋向导致电子迁移率随温度增 加而增加，由此^J氐消否则将导致的电子迁移率的本征减小。可以通过上层 与晶体管沟道的间隔、上层材料的厚度、凹进源极和漏极结到沟it^面之 下、以及其它因素，来进行传递效率的调整。可以通过淀积工艺的细节例 如温度、压力、速率以及化学反应物改变上层材料的温度系数。注意，在 上层材料中预先存在的应变可以是压缩的(<0)、拉伸的(<0)或中性的 (=0)，只要上层材料的相对TCE小于晶体管半导体材料的TCE。可以 应用相同的分析以设计各种结构的实施例。
例如，参考图l和2，应变结构包括具有预定的厚度的氮化物层。该 氮化物层可以被i殳置在沟道区域之上(参见图1中FET 100的结构150) 或之下(参见图2中FET 200的结构250 )，并且依赖于淀积条件以及应 变材料的氮与其它元素(例如，硅、氢等)的键合比率，可以是压缩的或 拉伸的。可选地，参考图4中的FET 400，应变结构450包括氧化物填充 的浅沟槽隔离(STI)结构，其邻接FET的源极/漏极区域430并具有预定 的体积。该氧化物填充材料可以是压缩的的(例如，高密度等离子体(HDP) 氧化物)或拉伸的(例如，四乙氧^Ji:烷(tetraethooxysihme ) ( TEOS ) 氧化物)。参考图3中的FET 300，应变结构350还包括代替FET源457 漏极区域中的硅的预定体积的压缩硅锗。最后，参考图5中的FET 500，域之上的栅极电极。
同样，预先配置上面描述的这些特征150-550中的每一个具有特定的 应变类型、热膨胀系数和相对沟道区域的位置，以^更响应温度变化，希望 地增加或减小压缩或拉伸应变。例如，在第一实施例中，FET 100-500可 以包括nFET，在应变结构150-550中的预先选择的应变材料的应变可以 包括压缩应变，并且热膨胀系数可以被预先确定，以便在沟道区域上通过 应变材料施加的压缩应变的量可以与温度成反比地改变。更具体而言，如 上所述，电子迁移率与温度变化成反比(参见图6)。这样，随着温度增 加，电子迁移率减小，而随温度减小，电子迁移率增加。此外，同样如上 所述，对于nFET，电子迁移率与压缩应变成反比(参见图8)。也就是， 对于nFET，随着沟道区域的压缩应变的增加，电子迁移率减小，而随着 沟道区域的压缩应变减小，电子迁移率增加。因此，温度的增加将导致 nFET沟道区域的依赖温度的电子迁移率的减小，而将同时导致沟道区域 上的依赖温度的压缩应变的减小。该依赖温度的压缩应变的减小将依次导 致沟道区域中依赖应变的电子迁移率的增加。相反地，温度的减小将导致 nFET沟道区域中依赖温度的电子迁移率的增加，而将同时导致沟道区域 上的依赖温度的压缩应变的增加。该依赖温度的压缩应变的增加将依次导 致沟道区域中依赖应变的电子迁移率的减小。这样，净载流子迁移率保持 近似不变(如图12所示)或至少具有预定的范围。
在笫二实施例中，FET 100-500还可以包括nFET，应变结构150-550 的预先选择的应变可以包括拉伸应变，并预先设定热膨胀系数，以便在沟 道区域上的拉伸应变正比于温度变化。更具体而言，如上所述，电子迁移 率与温度变化成反比(参见图6)。这样，随着温度增加，电子迁移率减 小，而随温度减小，电子迁移率增加。此外，同样如上所述，对于nFET， 电子迁移率正比于拉伸应变。也就是，随着沟道区域中拉伸应变的增加， 电子迁移率增加，而随着沟道区域中拉伸应变减小，电子迁移率减小(参 见图9)。因此，温度的增加将导致nFET沟道区域中依赖温度的电子迁 移率的减小，而将同时导致沟道区域上依赖温度的拉伸应变的增加。该依增加。相反地，温度的减小将导致nFET沟道区域中依赖温度的电子迁移 率的增加，而将同时导致沟道区域上依赖温度的拉伸应变的减小。该依赖 温度的拉伸应变的减小将依次导致沟道区域中依赖应变的电子迁移率的减 小。这样，净迁移率保持近似不变(如图12所示)或至少具有预定的范围。在第三实施例中，FET100-500可以包括pFET，应变结构150-550中 预先选择的应变可以包括拉伸应变，并预先设定热膨胀系数，以便在沟道 区域上拉伸应变与温度变化成反比(即，以便，对于正应变传递系数，上 层的TCE小于硅的TCE，或作为负应变传递系数，上层的TCE大于硅的 TCE)。更具体而言，如上所述，空穴迁移率与温度变化成反比(参见图 7)。这样，随着温度增加，空穴迁移率减小，而随温度减小，空穴迁移率 增加。此外，同才羊如上所述，对于pFET，空穴迁移率与拉伸应变成反比。 也就是，随着沟道区域中拉伸应变减小，空穴迁移率增加，而随着沟道区 域中拉伸应变增加，空穴迁移率减小(参见图11)。因此，温度的增加将 导致pFET沟道区域中依赖温度的空穴迁移率的减小，而将同时导致沟道 区域上的依赖温度的拉伸应变的减小。该依赖温度的拉伸应变的减小将依 次导致沟道区域中依赖应变的空穴迁移率的增加。相反地，温度的减小将 导致pFET沟道区域中依赖温度的空穴迁移率的增加，而将同时导致沟道 区域上依赖温度的拉伸应变的增加。该依赖温度的拉伸应变的增加将依次 导致沟道区域中依赖应变的空穴迁移率的减小。这样，净迁移率保持近似 不变(如图12所示)或至少在预定的范围内。在第四实施例中，FET 100-500同样包括pFET，应变结构150-550中 预先选择的应变可以包括压缩应变，并且热膨胀系数可以被预先设定，以 便在沟道区域上压缩应变与温度变化成正比。更具体而言，如上所述，(非 应变的)空穴迁移率与温度变化成反比(参见图7)。因此，随着温度增 加，空穴迁移率减小，而随温度减小，空穴迁移率增加。此外，同样如上 所述，对于pFET，空穴迁移率与压缩应变成正比。也就是，随着沟道区 域中压缩应变的增加，空穴迁移率增加，而随着沟道区域中压缩应变减小，空穴迁移率减小(参见图10)。因此，温度的增加将导致pFET沟道区域 中依赖温度的本征空穴迁移率的减小，而将同时导致沟道区域上依赖温度 的压缩应变的增加。该依赖温度的压缩应变的增加将依次导致沟道区域中 依赖应变的空穴迁移率的增加。相反地，温度的减小将导致pFET沟道区 域中依赖温度的空穴迁移率的增加，而将同时导致沟道区域上依赖温度的 压缩应变的减小。该依赖温度的压缩应变的减小将依次导致沟道区域中依 赖应变的空穴迁移率的减小。这样，净迁移率保持近似不变(如图12所示) 或至少具有预定的范围。参考图13，还公开了形成上迷晶体管的方法的实施例。在本方法实施 例中，形成n型场效应晶体管(nFET )或p型场效应晶体管(pFET X 1302 )。 具体而言，可以使用常规处理技术形成nFET。例如，提供晶片(例如， 绝缘体上硅(SOI)晶片)，并在晶片的半导体层的n掺杂的源^l/漏极区 域之间形成沟道区域。在沟道区域之上形成(例如，构图和蚀刻)栅极电 极。这样的nFET的沟道区域中的栽流子是电子。可选地，可以使用常规 处理技术形成p型场效应晶体管(pFET)。例如，提供晶片(例如，SOI 晶片)，并在晶片的半导体层的p掺杂的源^L/漏极区域之间形成沟道区域。 在沟道区域之上形成柵极(例如，构图和蚀刻)电极。这样的pFET的沟 道区域中的载流子是空穴。如上所讨论，沟道区域中的这些载流子的迁移 率，无论nFET中的电子或者pFET中的空穴，均是温度敏感以及应变敏 感的。本方法实施例还包括邻近沟道区域预先配置和形成一个或多个应变结 构(1304)，用于在沟道区域上施加物理应变力。可以在FET形成工艺 1302期间的各种阶段以及在相对于FET的沟道区域的各种位置中形成应 变结构，以便确保沟道区域中的依赖温度的载流子迁移率变化同时被沟道 区域中的近似相等并相反的依赖应变的载流子迁移率变化所抵消(1305 )。例如，参考图1，在FET100形成工艺1302期间，可以通过使用常规 处理技术形成应变结构，以在沟道区域110以及其它FET组件之上(例如， 栅极电极120、栅极侧壁间离物、源极/漏极区域130等之上)形成(例如，淀积)应变材料上层150。例如，该上层150可以包括淀积的氮化物层， 该氮化物层可以是压缩的或拉伸的，依赖于淀积条件和氮与应变材料的其 它元素(例如，硅，氢等)的键合比率。参考图2，也可以在FET的形成 工艺之前1302形成应变结构，通过提供具有在半导体层260之下的应变材 料的预制的下层250 (例如，氮化物下层)的晶片，在半导体材料层260 中形成沟道区域210和源^漏极区域。参考图3，还可以通过选择地蚀刻 掉FET的源^l/漏极区域中的硅，并用应变材料替代硅(例如，通过在沟 道区域310的侧面的源^漏极区域中外延生长珪锗350)，来形成应变结 构。参考图4，可以通过邻近FET源^L/漏极区域430形成应变材料填充的 浅沟槽隔离(STI)区域450来形成应变结构。该STI填充材料可以是压 缩的(例如，高密度等离子体(HDP)氧化物)或拉伸的(例如，四乙氧 基硅烷(TEOS)氧化物)。最后，参考图5中的FET 500，可以通过以 导电应变材料形成栅极电极550 (例如，通过常规淀积和构图方法)来形 成应变结构。
应该理解，虽然在这里讨论并在图1-5中示例的多个方法实施例示出 了在每个晶体管100-500中形成单应变结构，但是可以形成多个应变结构 的任何适宜的组合并将其引入到FET结构中，以便响应温度变化，在依赖 温度的栽流子迁移率变化与依赖应变的载流子迁移率变化之间获得希望的 平衡。
此外，当预先配置应变结构以在依赖温度的载流子迁移率变化与依赖 应变的载流子迁移率变化之间获得希望的平衡时，除了应变结构位置，还 存在至少四个其它的因素需要考虑(1306-1310) : (1)相对于沟道区域 半导体材料的温度膨胀系数(pSi )的应变材料的温度膨胀系数(TCE )(|5M );
(2)从应变材料到沟道的应变传递的相对符号(即，施加在沟道区域上的， 应变的类型，压缩的或拉伸的)；(3)响应温度变化的该应变传递的量值
(即，响应温度变化在沟道区域上施加的应变的相对量值)以及(4)对于 给定的沟道应变的给定变化(Ms)的迁移率变化(即，响应应变变化，沟 道区域中载流子迁移率的方向和相对量值的变化)。如果沟道中的应变与应变材料中的应变的比率是(Tl)并且，如果应 变材料的应变的水平是(SM)，那么沟道中的应变(Sc)可以由Sc-TlXS]M 给出。通过求解下列公式，可以得到沟道区域中依赖温度的载流子迁移率变化与依赖应变的载流子迁移率的变化之间的希望的平衡其中djLli/dT代表响应温度的沟道区域中载流子迁移率的变化，d代表响应沟道区域中应变变化的沟道区域中载流子迁移率的变化(即，每应变变化的迁移率变化)，il代表自应变材料的沟道区域的应变的传递比率，Pm代 表应变材料热膨胀系数(TCE) ， Psi代表沟道区域中半导体材料的热膨胀 系数(TCE)。换言之，由于任何结构的热膨胀系数的量值依赖其成分和尺寸， 一旦 通过该公式确定了应变结构的希望的热膨胀系数，那么就可以预先设定应 变结构。也就是，可以预先确定应变结构的尺寸、组成、位置等，以侵l 本上满足该公式，并且产生的迁移率的净变化小。例如，在第一实施例中，本方法可以包括在工艺1302处形成nFET。 在该实施例中，预先配置应变结构的工艺1304可以包括预先选择具有压缩 应变的应变材料和预先确定该应变材料的热膨胀系数，以便通过应变材料 施加到沟道区域上的压缩应变的量与温度变化成反比。更具体而言，如上 所述，电子迁移率与温度变化成反比(参见图6)。这样，随着温度增加， 电子迁移率减小，而随温度减小，电子迁移率增加。此外，同样如上所述， 对于nFET，电子迁移率与压缩应变成反比(参见图8)。也就是，随着沟 道区域中压缩应变的增加，电子迁移率减小，而随着沟道区域中压缩应变 减小，电子迁移率增加。因此，温度的增加将导致nFET沟道区域中依赖 温度的电子迁移率的减小，而将同时导致沟道区域上依赖温度的压缩应变 的减小。该依赖温度的压缩应变的减小将依次导致沟道区域中依赖应变的 电子迁移率的增加。相反地，温度的减小将导致nFET沟道区域中依赖温 度的电子迁移率的增加，而将同时导致沟道区域上依赖温度的压缩应变的 增加。该依赖温度的压缩应变的增加将依次导致沟道区域中依赖应变的电子迁移率的减小。
例如，在第二实施例中，本方法还可以包括在步骤1302处形成nFET。 在该实施例中，预先配置应变结构的工艺1304可以包括预先选择具有拉伸 应变的应变材料和预先确定该应变材料的热膨胀系数，以便沟道区域上的 拉伸应变正比于温度改变。更具体而言，如上所述，电子迁移率反比于温 度变化(参见图6)。这样，随着温度增加，电子迁移率减小，而随温度 减小，电子迁移率增加。此外，同样如上所述，对于nFET，电子迁移率 正比于拉伸应变(参见图9)。也就是，随着沟道区域中拉伸应变的增加， 电子迁移率增加，而随着沟道区域中拉伸应变减小，电子迁移率减小。因 此，温度的增加将导致nFET沟道区域中依赖温度的电子迁移率的减小， 而将同时导致沟道区域上依赖温度的拉伸应变的增加。该依赖温度的拉伸 应变的增加将依次导致沟道区域中依赖应变的电子迁移率的增加。相反地， 温度的减小将导致nFET沟道区域中依赖温度的电子迁移率的增加，而将 同时导致沟道区域上依赖温度的拉伸应变的减小。该依赖温度的拉伸应变 的减小将依次导致沟道区域中依赖应变的电子迁移率的减小。
在第三实施例中，本方法可以包括在步骤1302处形成pFET。在该实 施例中，预先配置应变结构的工艺1304可以包括预先选择具有拉伸应变的 应变材料并预先确定该应变材料的热膨胀系数，以便通过应变材料施加到 沟道区域上的拉伸应变的量与温度变化成反比。更具体而言，如上所述， 空穴迁移率反比于温度变化(参见图7)。这样，随着温度增加，空穴迁 移率减小，而随温度减小，空穴迁移率增加。此外，同样如上所述，对于 pFET，空穴迁移率反比于拉伸应变(参见图11)。也就是，随着沟道区 域中拉伸应变增加，空穴迁移率减小，随着沟道区域中拉伸应变的减小， 空穴迁移率增加。因此，温度的增加将导致pFET沟道区域中依赖温度的 空穴迁移率的减小，而将同时导致沟道区域上依赖温度的拉伸应变的减小。 该依赖温度的拉伸应变的减小将依次导致沟道区域中依赖应变的空穴迁移 率的增加。相反地，温度的减小将导致pFET沟道区域中依赖温度的空穴 迁移率的增加，而将同时导致沟道区域上依赖温度的拉伸应变的增加。该依赖温度的拉伸应变的增加将依次导致沟道区域中依赖应变的空穴迁移率 的减小。在第四实施例中，本方法可以包括在步骤1302处形成pFET。在该实 施例中，预先配置应变结构的工艺1304可以包括预先选择具有压缩应变的 应变材料并预先确定该应变材料的热膨胀系数，以便施加在沟道区域上的 压缩应变与温度变化成正比。更具体而言，如上所述，空穴迁移率与温度 变化成反比(参见图7)。因此，随着温度增加，空穴迁移率减小，而随 温度减小，空穴迁移率增加。此外，同样如上所述，对于pFET，空穴迁 移率正比于压缩应变(参见图10)。也就是，随着沟道区域中压缩应变的 增加，空穴迁移率增加，而随着沟道区域中压缩应变减小，空穴迁移率减 小。因此，温度的增加将导致pFET沟道区域中依赖温度的本征空穴迁移 率的减小，而将同时导致沟道区域上依赖温度的压缩应变的增加。该依赖 温度的压缩应变的增加将依次导致沟道区域中依赖应变的空穴迁移率的增 加。相反地，温度的减小将导致pFET沟道区域中依赖温度的空穴迁移率 的增加，而将同时导致沟道区域上依赖温度的压缩应变的减小。该依赖温 度的压缩应变的减小将依次导致沟道区域中依赖应变的空穴迁移率的减 小。因此，上面公开了具有降低的驱动电流温度敏感性的场效应晶体管 (FET)的多个实施例。具体而言，通过相反的依赖应变的载流子迁移率 变化，同步抵消FET沟道区域的任何依赖温度的载流子迁移率变化，以保 证响应温度改变，驱动电流保持近似恒定或至少在预先确定的范围内。通 过这样的应变结构来提供反向的依赖应变的栽流子迁移率变化，该应变结 构被预先配置以在沟道区域上施加预先选择的应变类型的依赖温度的量。 还公开了形成场效应晶体管的相关方法的实施例。本发明产生的有益效果包括，但不限于，由于较小的特性变化，晶体 管能够在较宽的电压和温度范围下操作。此外，能够实现对补偿具有较小 要求的较简单的模拟电路，降低成本并改善了电路性能。还可以产生更宽 的制造容差，由此降低制造成本并提高成品率。上述特定实施例的描述完全揭示了本发明的一般本质，以至于其他技 术人员可以通过应用电流知识容易地修改该特定的实施例和/或使该特定 的实施例适应各种应用而不背离一般概念，因此，希望在公开的实施例的 等价物的意义和范围内来理解这样的适应和修改。应该认识到，这里采用 的措辞和术语旨在描述而非限制。因此，本领域的技术人员将认识到，可以在所附权利要求书的精神和范围内修改地实践本发明的实施例。
权利要求
1.一种场效应晶体管，包括沟道区域，包括多个载流子；以及结构，邻近所述沟道区域并包括设置的应变材料以在所述沟道区域上施加应变，其中预先配置所述结构，以便通过所述结构在所述沟道区域上施加的所述应变是依赖温度的，从而，响应温度变化，通过所述沟道区域中近似相等并相反的依赖应变的载流子迁移率变化同时抵消在所述沟道区域中的依赖温度的载流子迁移率变化。
2. 根据权利要求l的场效应晶体管，其中所述应变材料具有预先确定 的热膨胀系数，其满足下列公式<formula>formula see original document page 2</formula>其中dui/dT代表响应温度的所述沟道区域中的第一载流子迁移率变 化，d代表响应所述沟道区域中的应变变化的所述沟道区域中的笫二载流 子迁移率变化，t]代表从所述应变材料至所述沟道区域的应变的传递比率，Pm代表所述应变材料的第 一热膨胀系数，PSi代表构成所述沟道区域的半导体材料的第二热膨胀系数。
3. 根据权利要求l的场效应晶体管，其中所述结构包括下列中的至少 一个所述应变材料的层，在所述沟道区域之上； 所述应变材料的层，在所述沟道区域之下； 栅极电极，包括所述应变材料，在所述沟道区域之上； 沟槽隔离区域，邻近源极/漏极区域，其中所述源极/漏极区域邻近所述沟道区域的侧面，并且其中使用所述应变材料填充所述沟槽隔离区域；以及所述源极/漏极区域，其中所述源极/漏极区域包括在所述沟道区域的 所述侧面上的所述应变材料。
4. 根据权利要求1的场效应晶体管，其中所述场效应晶体管包括n型场效应晶体管， 其中所述依赖温度的应变包括压缩应变，以及 其中所述压缩应变与温度变化成反比。
5. 根据权利要求1的场效应晶体管，其中所述场效应晶体管包括n型场效应晶体管， 其中所述依赖温度的应变包括拉伸应变，以及 其中所述拉伸应变与温度变化成正比。
6. 根据权利要求1的场效应晶体管，其中所述场效应晶体管包括p型场效应晶体管； 其中所述依赖温度的应变包括拉伸应变，以及 其中所述拉伸应变与温度变化成反比。
7. 根据权利要求1的场效应晶体管，其中所述场效应晶体管包括p型场效应晶体管， 其中所述依赖温度的应变包括压缩应变，以及 其中所述压缩应变与温度变化成正比。
8. —种场效应晶体管，包括沟道区域，包括半导体材料并具有多个载流子，其中所述载流子的迁移率依赖于所述沟道区域的温度和应变；以及结构，邻接所述沟道区域并包括设置的应变材料以在所述沟道区域上施力口应变，其中基于相对于所述半导体材料的第二温度膨胀系数(TCE)的所述 应变材料的至少第一温度膨胀系数(TCE)、在所述沟道区域上施加的所 述应变的类型、响应温度变化的在所述沟道区域上施加的所述应变的相对 量值、以及响应应变变化的所述沟道区域中的载流子迁移率变化的方向和 相对量值，来预先配置所述结构，以便，响应温度变化，通过所述沟道区 域中的近似相等并相反的依赖应变的栽流子迁移率变化同时抵消所述沟道 区域中的依赖温度的栽流子迁移率变化。
9. 根据权利要求8的场效应晶体管，其中所述应变材料具有预先确定 的热膨胀系数，其满足下列公式(WdT=-dxnx(pM -Pa)其中d]Lli/dT代表响应温度的所述沟道区域中的第一载流子迁移率变化，d代表响应所述沟道区域中的应变变化的所述沟道区域中的第二栽流子迁移率变化，T！代表从所述应变材料至所述沟道区域的应变的传递比率，Pm代表所述应变材料的第一热膨胀系数，pSi代表构成所述沟道区域的半导体材料的第二热膨胀系数。
10. 根据权利要求8的场效应晶体管，其中所述结构包括下列中的至 少一个所述应变材料的层，在所述沟道区域之上； 所述应变材料的层，在所述沟道区域之下； 栅极电极，包括所述应变材料，在所述沟道区域之上； 沟槽隔离区域，邻近源极/漏极区域，其中所述源极/漏极区域邻近所述沟道区域的侧面，并且其中使用所述应变材料填充所述沟槽隔离区域；以及所述源极/漏极区域，其中所述源极/漏极区域包括在所述沟道区域的 所述侧面上的所述应变材料。
11. 根据权利要求8的场效应晶体管，其中所述场效应晶体管包括n型场效应晶体管， 其中所述依赖温度的应变包括压缩应变，以及 其中所述压缩应变与所述温度变化成反比。
12. 根据权利要求8的场效应晶体管，其中所述场效应晶体管包括n型场效应晶体管， 其中所述依赖温度的应变包括拉伸应变，以及 其中所述拉伸应变与所述温度变化成正比。
13. 根据权利要求8的场效应晶体管，其中所述场效应晶体管包括p型场效应晶体管，其中所述依赖温度的应变包括拉伸应变，以及 其中所述拉伸应变与所述温度变化成反比。
14. 根据权利要求8的场效应晶体管，其中所述场效应晶体管包括p型场效应晶体管， 其中所述依赖温度的应变包括压缩应变，以及 其中所述压缩应变与所述温度变化成正比。
15. —种形成场效应晶体管的方法，包括以下步骤 形成具有多个栽流子的沟道区域；以及邻近所述沟道区域形成结构，所述结构包括用于在所述沟道区域上施 加应变的应变材料，其中形成所述结构包括预先配置所述结构，以^l通过所述结构在所述 沟道区域上施加的所述应变是依赖温度的，从而，响应温度变化，通过近 似相等并相反的依赖应变的载流子迁移率变化同时抵消在所述沟道区域中 的依赖温度的载流子迁移率变化。
16. 根据权利要求15的方法，其中所述预先配置包括通过求解下列公 式来预先确定所述应变材料的热膨胀系数dA/dT= -pSi)其中dpi/dT代表响应温度的所述沟道区域中的第一载流子迁移率变 化，d代表响应所述沟道区域中的应变变化的所述沟道区域中的笫二栽流子迁移率变化，I]代表从所述应变材料至所述沟道区域的应变的传递比率，|3M代表所述应变材料的第 一热膨胀系数，pSi代表构成所述沟道区域的半导体材料的第二热膨胀系数。
17. 根据权利要求15的方法，其中形成所述结构包括形成下列中的至 少一个所述应变材料的层，在所述沟道区域之上； 所述应变材料的层，在所述沟道区域之下； 栅极电极，包括所述应变材料，在所述沟道区域之上； 沟槽隔离区域，邻近源极/漏极区域，其中所述源极/漏极区域邻近所述沟道区域的侧面，并且其中使用所述应变材料填充所述沟槽隔离区域； 以及所述源极/漏极区域，其中所述源极/漏极区域包括在所述沟道区域的 所述侧面上的所述应变材料。
18. 根据权利要求15的方法，其中所述场效应晶体管包括n型场效应 晶体管并且其中所述预先配置包括下列之一 对于所述应变材料，预先选择压缩应变并预先确定热膨胀系数，以便 在所述沟道区域上施加的所述压缩应变与温度变化成反比；以及对于所述应变材料，预先选择拉伸应变并预先确定热膨胀系数，以<更 在所述沟道区域上施加的所述拉伸应变与温度变化成正比。
19. 根据权利要求15的方法，其中所述场效应晶体管包括p型场效应 晶体管并且其中所述预先配置包括下列之一 对于所述应变材料，预先选择拉伸应变并预先确定热膨胀系数，以便 在所述沟道区域上施加的所述拉伸应变与温度变化成反比；以及对于所述应变材料，预先选择压缩应变并预先确定热膨胀系数，以便 在所述沟道区域上施加的所述压缩应变与温度变化成正比。
20. —种形成场效应晶体管的方法，包括以下步骤 形成包括半导体材料并具有多个载流子的沟道区域；以及 邻近所述沟道区域形成结构，所述结构包括用于在所述沟道区域上施加应变的应变材料，其中形成所述结构包括基于相对于所述半导体材料的第二温度膨胀系 数(TCE)的所述应变材料的至少第一温度膨胀系数(TCE)、在所述沟 道区域上施加的所述应变的类型，响应温度变化的在所述沟道区域上施加 的所述应变的相对量值、以及响应应变变化的所述沟道区域中的载流子迁 移率变化的方向和相对量值，来预先配置所述结构，以便，响应温度变化， 通过所述沟道区域中的近似相等并相反的依赖应变的载流子迁移率变化同 时抵消所述沟道区域中的依赖温度的载流子迁移率变化。
全文摘要
本发明涉及应变补偿的场效应晶体管及其制造方法。公开了具有降低的驱动电流温度敏感性的场效应晶体管(FET)的实施例。具体而言，通过相反的依赖应变的载流子迁移率变化同时抵消FET沟道区域中的任何依赖温度的载流子迁移率变化，以确保响应温度变化时，驱动电流保持近似恒定或至少在预先确定的范围内。通过配置应变结构以在沟道区域上施加预先选择的应变类型的依赖温度的量，由此提供所述相反的依赖应变的载流子迁移率变化。还公开了形成所述场效应晶体管的相关方法的实施例。
文档编号H01L21/335GK101330105SQ20081010978
公开日2008年12月24日 申请日期2008年6月17日 优先权日2007年6月19日
发明者A·埃斯科巴尔, B·J·格林, E·J·诺瓦克 申请人:国际商业机器公司