Mos晶体管及用以形成外延结构的半导体制作工艺的制作方法
【专利说明】MOS晶体管及用以形成外延结构的半导体制作工艺
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及一种MOS (Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管(金属-氧化物-半导体晶体管)以及用以形成外延结构的半导体制作工艺，且特别是涉及一种具有氮/硅比大于1.3的外延间隙壁的M0S晶体管以及用以形成外延结构的半导体制作工艺。
【背景技术】
[0003]随着半导体制作工艺进入到深次微米时代，例如65纳米(nm)以下的制作工艺，对于M0S晶体管元件的驱动电流(drive current)的提升已显得日益重要。为了改善元件的效能，目前业界已发展出所谓的「应变娃(strained-silicon)技术」，其原理主要是使栅极通道部分的硅晶格产生应变，使电荷在通过此应变的栅极通道时的移动力增加，进而达到使M0S晶体管运作更快的目的。
[0004]在目前已知的技术中，已有使用应变娃(strained silicon)作为基底的M0S晶体管，其利用娃锗(SiGe)或娃碳(SiC)的晶格常数与单晶娃(single crystal Si)不同的特性，使娃锗外延结构或娃碳外延结构产生结构上应变而形成应变娃。由于娃锗外延结构或娃碳外延结构的晶格常数(lattice constant)比娃大或小,这使得娃的带结构(bandstructure)发生改变，而造成载流子移动性增加，因此可增加M0S晶体管的速度。
[0005]然而，应变硅制作工艺还需配合其他的半导体制作工艺，使在提升M0S晶体管的速度的同时，也不会劣化其他部分的半导体结构。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于一种M0S晶体管以及用以形成外延结构的半导体制作工艺，其形成氮/硅比大于1.3的含硅及氮的外延间隙壁，以防止形成外延结构于基底时，外延结构同时形成于外延间隙壁上。
[0007]为达上述目的，本发明提供一种M0S晶体管，包含有一栅极结构、一外延间隙壁以及一外延结构。栅极结构设置于一基底上。外延间隙壁，设置于栅极结构侧边的基底上，其中外延间隙壁包含硅及氮，且氮/硅比大于1.3。外延结构设置于外延间隙壁侧边的基底中。
[0008]本发明提供一种半导体制作工艺包含有下述步骤，用以形成一外延结构。首先，形成一栅极结构于一基底上。接着，形成一外延间隙壁于栅极结构侧边的基底上，用以定义一外延结构的位置，其中外延间隙壁包含硅及氮，且氮/硅比大于1.3。然后，形成外延结构于外延间隙壁侧边的基底中。
[0009]基于上述，本发明提出一种M0S晶体管以及用以形成外延结构的半导体制作工艺，其形成含硅及氮的外延间隙壁，且其氮/硅比大于1.3。如此一来，可确保外延间隙壁的低硅含量，而避免形成于外延间隙壁侧边的基底中的外延结构，同时成长于外延间隙壁上， 污染所欲形成的MOS晶体管的其他结构，而造成短路等问题，降低良率。
【附图说明】
[0010]图1-图5为本发明一实施例的用以形成一外延结构的一半导体制作工艺的剖面示意图。
[0011]主要元件符号说明
[0012]10:绝缘结构
[0013]110:基底
[0014]122:缓冲层
[0015]124:介电层
[0016]126:栅极层
[0017]128:盖层
[0018]128a:底盖层
[0019]128b:顶盖层
[0020]130、130b:间隙壁材料
[0021]132、132b:内层间隙壁材料
[0022]132a:间隙壁
[0023]134、134b:外层间隙壁材料
[0024]134a:外延间隙壁
[0025]140:外延结构
[0026]A:第一区
[0027]B:第二区
[0028]G1、G2:栅极结构
[0029]P:图案化的光致抗蚀剂
[0030]P1:清洗及改质制作工艺
[0031]R:凹槽
[0032]S:表面
【具体实施方式】
[0033]图1-图5绘示本发明一实施例的用以形成一外延结构的一半导体制作工艺的剖面示意图。如图1所示，首先，提供一基底110。基底110例如是一硅基底、一含硅基底、一三五族覆娃基底(例如GaN-on-silicon)、一石墨烯覆娃基底(graphene-on-silicon)或一石圭覆绝缘(silicon-on-1nsulator, SOI)基底等半导体基底。一绝缘结构10可形成于各晶体管之间，以将各晶体管电性绝缘。在本实施例中，绝缘结构10将基底110区别为一第一区A以及一第二区B，其中第一区A为一 PM0S晶体管区，而第二区B为一 NM0S晶体管区，但本发明不以此为限。绝缘结构10可例如为一浅沟槽隔离结构，其例如以浅沟槽隔离制作工艺形成，但本发明不以此为限。
[0034]形成多个栅极结构G1于第一区A的基底110上以及多个栅极结构G2于第二区B的基底110上。栅极结构G1及G2可分别为一堆叠结构，例如其由下而上包含一缓冲层122、一介电层124、一栅极层126以及一盖层128。详细而言,形成栅极结构G1及G2的方法，可包含:先全面依序覆盖一缓冲层(未绘示)、一介电层(未绘示)、一栅极层(未绘示)以及一盖层(未绘示)于基底110上，再将此些介质层图案化，而形成一缓冲层122、一介电层124、一栅极层126以及一盖层128。盖层128可为单层或多层结构。在本实施例中，盖层128包含堆叠的双层结构，其由下至上包含一底盖层128a以及一顶盖层128b，以在后续进行蚀刻或研磨制作工艺时，通过底盖层128a以及顶盖层128b的蚀刻选择比或研磨选择比，而以盖层128a以及顶盖层128b为蚀刻停止层或研磨停止层，但本发明不以此为限。另外，图中分别绘示四栅极结构G1于第一区A的基底110上以及四栅极结构G2于二区B的基底110上，但图中所绘示的栅极结构G1以及栅极结构G2的个数仅为示意，栅极结构G1及G2的个数非限于此。
[0035]缓冲层122可包含一氧化层、介电层124可包含一高介电常数介电层，其例如为一含金属介电层，可包含有铪(Hafnium)氧化物、错(Zirconium)氧化物，但本发明不以此为限。更进一步而言，高介电常数介电层可选自氧化铪(hafnium oxide, Hf02)、石圭酸給氧化合物(hafnium silicon oxide, HfSi04)、娃酸給氮氧化合物(hafniumsilicon oxynitride, HfS1N)、氧化招(aluminum oxide, A1203)、氧化镧(lanthanumoxide, La203)、氧化组(tantalum oxide, Ta205)、氧化宇乙(yttrium oxide, Y203)、氧化错(zirconium oxide, Zr02)、钦酸银(strontium titanate oxide, SrTi03)、ii圭酸错氧化合物(zirconium silicon oxide, ZrSi04)、错酸給(hafnium zirconium oxide, HfZr04)、银秘组氧化物(strontium bismuthtantalate, SrBi2Ta209, SBT)、错钦酸铅(lead zirconatetitanate, PbZrJii x03, PZT)与钦酸钡银(barium strontium titanate, BaxSr! xTi03, BST)所组成的群组。栅极层126可包含一多晶硅层，或者一牺牲层，在后续制作工艺中被金属层置换而形成金属栅极。底盖层128a可例如为一氮化层，而顶盖层128b可例如为一氧化层。缓冲层122、介电层124、栅极层126、底盖层128a以及顶盖层128b的材料都为举例的实施态样，但本发明非限于此。
[0036]如图2所示，顺应地全面覆盖一间隙壁材料130于第一区A以及第二区B的栅极结构G1及G2以及基底110上。在本实施例中，间隙壁材料130为双层，其包含一内层间隙壁材料132以及一外层间隙壁材料134。但在另一实施例中，间隙壁材料130也可例如为单层，视所欲形成的M0S晶体管而定。在此强调，当间隙壁材料130为双层时，本发明的外层间隙壁材料134则包含硅及氮，且氮/硅比大于1.3。当间隙壁材料130为单层时，本发明的间隙壁材料130则包含硅及氮，且氮/硅比大于1.3。如此一来，由于外层间隙壁材料134或间隙壁材料130的氮/硅比大于1.3，后续形成外延结构时，则可防止外延结构，特别是在形成PM0S晶体管时的外延结构中的锗成分，也形成或附着于外层间隙壁材料134或间隙壁材料130所形成的外延间隙壁上。具体而言，本发明的外层间隙壁材料134或间隙壁材料130的氮/娃比的数值，是由X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)表面分析技术实验而得，此技术可用于量测固态结构的最外层原子层的各组成成分的百分比。
[0037]如图3所示，全面覆盖并图案化光致抗蚀剂(未绘示)，以形成一图案化的光致抗蚀剂P，其中图案化的光致抗蚀剂P覆盖第二区B，但暴露出第一区A。然后，例如进行一蚀刻制作工艺，蚀刻暴露出的第一区A的间隙壁材料130，而形成一间隙壁132a以及一外延间隙壁134a于栅极结构G1侧边的基底110上，并保留第二区B的一间隙壁材料130b，其中间隙壁材料130b包含一内层间隙壁材料132b以及一外层间隙壁材料134b。详细而言，第一区A的外层间隙壁材料134经蚀刻形成为外延间隙壁134a，位于栅极结构G1侧边的基底110上，而第一区A的内层间隙壁材料132则经蚀刻形成为间隙壁132a位于栅极结构G1以及外延间隙壁134a之间的基底110上。在本实施例中，由于间隙壁132a以及外延间隙壁134a由依序沈积内层间隙壁材料132以及外层间隙壁材料134，再一并蚀刻二者所形成，因此外延间隙壁134a具有一船形剖面结构，而间隙壁132a具有一 L形剖面结构。但在其他实施例中，可分别沉积并蚀刻第一区A的内层间隙壁材料132以及外层间隙壁材料134，如此间隙壁132a及外延间隙壁134a则都具有一船形剖面结构，视实际需要而定。此外，本实施例在蚀刻第一区A的外延间隙壁材料130，而形成间隙壁132a以及外延间隙壁134a时，则以顶盖层128b为蚀刻停止层，而暴露出顶盖层128b。在其他实施例中，也可以底盖层128a为蚀刻停止层，而改以在形成间隙壁132a以及外延间隙壁134a时，一并移除顶盖层128b而暴露出底盖层128a。或者,通过设定调整底盖层128a以及顶盖层128b的蚀刻选择比，而仅蚀刻部分的顶盖层128b或底盖层128a，以调整蚀刻后的栅极结构G1的高度。
[0038]在此强调，由于本发明的外层间隙壁材料134包含硅及氮，且氮/硅比大于1.3，则其所