通过使用离子注入引入压缩金属栅极应力而在三栅极mosfet中实现驱动电流增强的制作方法
【专利说明】通过使用离子注入引入压缩金属栅极应力而在三栅极MOSFET中实现驱动电流増强
[0001]本申请为分案申请，其原申请是2012年5月15日进入中国国家阶段、国际申请日为2010年11月18日的国际专利申请PCT/US2010/057174，该原申请的中国国家申请号是201080051659.X，发明名称为“通过使用离子注入引入压缩金属栅极应力而在三栅极MOSFET中实现驱动电流增强”。
【背景技术】
[0002]将碳掺杂硅外延层沉积在三栅极晶体管的源区和漏区，以在晶体管的沟道中生成拉伸应力，从而增强沟道的载流子迀移率和驱动电流。但是该技术仅提供了相对较低的载流子迀移率，并且因此具有相对较低的饱和漏电流Idsat和线性漏电流Idlin。
【附图说明】
[0003]在说明书附图的图示中，通过示例的方式而非通过限制的方式来说明在这里公开的实施例，在附图中相似的附图标记指代类似的元件，并且其中:
[0004]图1描绘了根据在这里公开的主题，使用离子注入来在三栅极NM0S晶体管中形成压缩金属栅极应力以在晶体管的沟道中生成非平面(out-of-plane)压缩的处理的一个示例性实施例的流程图；
[0005]图2A和2B描绘了根据在这里公开的主题的处理期间的三栅极晶体管的示例性实施例的部分的截面图；
[0006]图3描绘了 NM0S三栅极晶体管的部分的透视图，例示性地提供了由离子注入到晶体管的栅极中而在晶体管的沟道上生成的模拟的非平面压缩力应力水平；
[0007]图4示出了曲线图，例示性地描绘了作为以MPa测量的应力的函数的长沟道(LC)迀移率增益；以及
[0008]图5和6分别例示性地示出了对具有〈110〉沟道取向和(100)上表面取向而不具有金属栅极应力的器件的Idsat和Idlin的模拟结果。
[0009]将理解的是，为了说明的简化和/或清楚，在图中例示的元件不必要按比例绘制。例如，为了清楚，可以相对于其它元件夸大某些元件的尺寸。此外，如果适当地考虑，在附图中重复附图标记以表示对应的和/或类似的元件。
【具体实施方式】
[0010]在这里描述了用于通过使用离子注入产生压缩金属栅极应力来增强三栅极MOSFET中的驱动电流的实施例。在以下的说明中，陈述了若干特定细节以提供在这里公开的实施例的全面理解。但是，本领域技术人员将认识到能够在没有一个或多个特定细节，或用其它方法、部件、材料等等的情况下实践在这里公开的实施例。在其它示例中，没有详细地示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免使说明书的方面难以理解。
[0011]贯穿本说明书提到的“一个实施例”或“实施例”表示结合实施例描述的具体特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，在整个本说明书不同位置处出现的词组“在一个实施例中”或“在实施例中”未必全部指代相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中可以以任何适合的方式组合具体的特征、结构或特性。在这里使用的词语“示例性”表示“用作范例、实例或示例”。在这里描述为“示例性的”任何实施例不应理解为一定比其它实施例优选或有利。
[0012]在这里公开的主题提供了一种技术，该技术用于通过将离子注入到金属栅极中而在晶体管的沟道中生成非平面的压缩来形成压缩金属栅极应力，从而进一步增强载流子迀移率和驱动电流。
[0013]随着每种新一代的晶体管的发展，晶体管的临界尺寸变得越来越小，为了避免在栅极金属中形成空隙，相比于溅射，栅极金属沉积的处理趋向于是化学气相沉积(CVD)处理，诸如原子层沉积(ALD)处理。已知这种ALD沉积的金属具有本征拉伸应变，而非通常在溅射材料中所看到的压缩应变。在这里公开的主题通过在金属栅极中注入离子来在ALD沉积的栅极金属层中形成压缩应力，所述离子诸如但不限于氮、氙、氩、氖、氪、氡、碳、铝或钛或其组合。
[0014]在这里公开的主题涉及使用离子注入来在三栅极NM0S晶体管或finFET NM0S晶体管中形成压缩金属栅极应力，并且由此在晶体管的沟道中生成非平面的压缩，这增强了沟道的载流子迀移率和驱动电流。由离子注入形成的压缩栅极应变转移到沟道，作为三栅极晶体管的支配侧壁(dominate sidewall)晶体管的压缩应变行的端部(compressivestrain end of line)。根据一个示例性实施例，通过在具有上表面(110)晶格的晶片上形成的〈110〉方向上取向的沟道上施加非平面压缩，显著地增强了载流子迀移率和驱动电流，其中沟道的侧壁具有(100)晶格取向。在具有上表面(100)晶格的晶片上形成的〈100〉方向上取向的沟道也呈现了类似的来自非平面压缩的载流子迀移率和驱动电流增强，其中沟道的侧壁具有(100)取向。
[0015]根据在这里公开的主题，将离子注入到三栅极NM0S晶体管的金属栅极中以在以〈110〉方向取向并在具有(100)晶格取向的晶片的上表面上形成的沟道中生成压缩应力。或者，通过将离子注入到三栅极晶体管的金属栅极中能够在沟道中生成压缩应力，使得沟道在具有(100)晶格取向的晶片的上表面上形成的〈100〉方向上取向。在这里公开的主题的技术可以不比需要多个步骤形成沟道应变的常规EPI生长技术复杂。另外，由于常规技术所使用的间距与栅极比例(scale)、EPI区域收缩得比栅极(或沟道长度Lg)快得多，这使得在这里公开的技术在更窄的间距方面有吸引力。
[0016]图1描绘了根据在这里公开的主题，使用离子注入在三栅极NM0S晶体管中形成压缩金属栅极应力以在晶体管的沟道中生成非平面的压缩的处理100的一个示例性实施例的流程图。在图1中描绘的示例性实施例包括两个阶段，其中在第一阶段期间，如步骤101所示，沉积了厚度在大约2nm与大约lOOnm之间的薄金属共形膜。在一个示例性实施例中，薄共形膜的厚度大约为10nm。能够用于薄金属共形膜的适合的金属包括但不限于铝、钡、络、钴、給、铱、铁、镧和其它镧系元素、钼、银、锇、钯、铀、铼、舒、铭、钪、锁、钽、钛、妈、银、钇、锌、或锆、或其组合。在步骤102，使用公知的离子注入技术将诸如但不限于铝、钡、铬、钴、給、铱、铁、镧和其它镧系元素、钼、银、锇、钯、铀、铼、舒、铭、钪、锁、钽、钛、妈、|凡、.乙、锌、锆、氮、氙、氩、氖、氪、氡、或碳、或其组合等离子注入到栅极金属中。注入剂量能够在大约1 x 1015/cm2与大约1 X 10 17/cm2之间，并且注入能量能够在大约0.1keV与大约500keV之间变化。
[0017]图2A描绘了三栅极晶体管200的示例性实施例的部分的截面图，其中示出了鳍201和栅极金属膜202。鳍201设置在氧化物203之间。如图2A中所示，在第一阶段，使用原子层沉积(ALD)或化学气相沉积(CVD)沉积技术来沉积栅极金属膜202，以形成薄金属共形膜(步骤101)。在图1中的步骤102期间，使用公知的离子注入技术将诸如但不限于铝、钡、络、钴、給、铱、铁、镧和其它镧系元素、钼、银、锇、钯、铀、铼、舒、铭、钪、锁、钽、钛、妈、银、钇、锌、锆、氮、氙、氩、氖、氪、氡、或碳、或其组合等离子104注入到栅极金属膜202中。应当理解，几乎能够将任何来自元素周期表的离子注入到栅极金属膜202中。此外，应当理解，重量较轻的离子可能起到污染物的作用，并且因此不如其它离子优选。
[0018]在离子注入步骤102之后的处理的第二阶段，流程继续至步骤103，在该步骤103，通过使用公知的ALD处理来完成诸如低电阻金属等栅极填充物(gate fill) 205，并且紧接着进行抛光。图2B描绘了步骤103之后的晶体管200。在一个示例性实施例中，以大约45°的注入角，大约1.2X1016的氮离子注入剂量而在栅极金属中实现大约1%的压缩应变。
[0019]在另一个示例性实施例中，能够在步骤104的栅极填充(gate fill)和抛光之后进行步骤103的离子注入。
[0020]图3-6描绘了测试和/或模拟的结果，并且图3-6仅出于例示性的目的而被提供并且不应当将其理解或解释为在这里公开的主题的限制或期望。图3描绘了提供例示性的由离子注入到晶体管的栅极中而在晶体管的沟道上生成的模拟的非平面压缩力应力水平的NM0S三栅极晶体管300的部分的透视图。更具体地，图3更具体地描绘了其中注入(模拟)了氮离子的沟道301和栅极302。灰色的阴影表示以dynes/cm2测量的非平面应力的水平。在图3的右上方示出了图3中所描绘的压缩力的范围。如在图3中所示，当大约
2.lXK^dynes/cm2的压缩应力形成在303处的栅极302中时，在304处的沟道301中生成