专利名称：具有增加的载流子移动率的场效应晶体管的制作方法
技术领域：
本发明关于半导体装置的领域。更详言之，本发明关于半导体场效应晶体管(FETs)的工艺领域。
背景技术：
在集成电路(IC)的发展中，如超大规模集成电路(VLSI)，一直都存在着追求更高的集成电路效能的需求。因此，半导体制造业面临增加晶体管效能的挑战，晶体管系指用于ICs中的N沟道场效应晶体管(NFETs)或P沟道场效应晶体管(PFETs)。
衡量场效应晶体管(FETs)的重要指针之一为工作速度，工作速度与FET中的电流有关。典型的FET包含栅极堆栈，包含位于栅极介电质上的栅极电极、漏级、源极以及位于该源极和该漏级间且于硅基板中的沟道。该沟道同时位于基板(如硅基板)上的该栅极介电质下。当施加高于临限电压的电压于栅极介电质时，沟道中将产生移动电荷载流子层，该移动电荷载流子如NFET中的电子或PFET中的电洞。藉由施加电压于该FET的漏级，使漏级和源极间产生电流的流动。
于上述对于FET的讨论中，该载流子移动率直接与流动于漏级和源极间的电流有关，且于本申请书中同时称作FET电流而与FET的工作速度有关。除了别的因素外，载流子移动率亦为温度、由该栅极电压于栅极介电值和沟道间所造成的电场以及参杂浓度的函数。藉由增加载流子移动率，FET电流以及必然的FET工作速度将可提升。因此增加载流子移动率的结果使得FET效能可提升至预期的目标。
如此一来，就需要发展具有增加的载流子移动率的FET的技术以完成提升FET效能的目标。
发明内容
本发明系针对具有增加的载流子移动率的场效应晶体管(FETs)。本发明系满足并解决于此项技艺中增加的载流子移动率(carrier mobility)的FET的需求以达成提升FET效能的目标。
依据示范实施例之一，位于基板上的FET包含位于该基板中的沟道。该FET更进一步包含位于该沟道上的第一栅极介电质，该第一栅极介电质的热膨胀系数称为第一热膨胀系数。该FET还包含位于该第一栅极介电质上的第一栅极电极，该第一栅极的热膨胀系数称为第二热膨胀系数，且该第二热膨胀系数系不同于该第一热膨胀系数，造成于该FET中载流子移动率的增加。举例来说该第二热膨胀系数可高于该第一热膨胀系数；而该载流子移动率的增加可由于该沟道中所产生的拉伸应变所造成(tensile strain)。
根据此示范实施例，FET可还包含位于第一栅极电介电质旁的“栅极衬层”(gate liner)，以及位于栅极衬层旁的“栅极间隔物”(gate spacer)，其中该栅极衬层具有第三热膨胀系数，以及栅极间隔体具有第四热膨胀系数，而第四热膨胀系数大于第三热膨胀系数，故于沟道中造成拉伸应变。
根据示范实施例之一，该FET可进一步包含位于该第一栅极介电质和该第一栅极间的第二栅极，该第二栅极具有第三热膨胀系数，该第三热膨胀系数系大于该第一热膨胀系数但小于该第二热膨胀系数，造成沟道中产生拉伸应变而增加载流子移动率。本发明的其它特征与优点将于熟悉此领域的技术人员于检阅于后伴随图式的详述后更趋明显。
图1为依据本发明实施例中含有示范的场效应晶体管(FET)的构造剖面图。
图2为依据本发明实施例中含有示范的场效应晶体管(FET)的构造剖面图。
图3为依据本发明实施例中含有示范的场效应晶体管(FET)的构造剖面图。
图4为依据本发明实施例中含有示范的场效应晶体管(FET)的构造剖面图。
具体实施例方式
本发明系针对具有增加的载流子移动率的场效应晶体管(FETs)。于后的叙述包含本发明实施的特定信息。此领域中的技术人员将了解本发明可以不同于本申请书所揭示的方法完成。此外，为不使本发明模糊难懂某些本发明的特定细节将不多做赘论。
于本说明书的图式中及所伴随的详细叙述系针对本发明的示范实施例。为求简洁，本发明其它实施例于本申请书中将不特别叙述且不会于图中揭示。
图1为依据本发明一实施例的示范的场效应晶体管(FET)的构造剖面图。构造100包含位于基板104上的FET 102。FET 102包含栅极堆栈106，而栅极堆栈106包含了栅极电极层114以及栅极介电质层116、源极108、漏级110和沟道112。于本实施例中FET 102可为N型场效应晶体管(NFET)或P型场效应晶体管(PFET)。
如图1所示，源极108和漏级110系以现有的技术形成于基板104中，且沟道112位于源极108和漏级110之间。于图1中更进一步揭示，栅极介电层116系覆盖沟道112位于基板104的上表面118上。举例来说，栅极介电质层116可具有10.0埃至15.0埃之间的厚度。亦显示于图1中，栅极电极层114位于栅极介电质层116之上。举例来说，栅极电极层114的厚度可于500.0埃至2000.0埃之间。栅极电极层114可利用化学气相沉积法(CVD)或其它适当的工艺于高温中沉积于栅极介电质层116上。
于本实施例中，栅极电极层114和栅极介电质层116系经过选择，使得栅极电极层114具有高于栅极介电质层116的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，CTE)。因此，当包含构造100的晶圆由沉积栅极电极层114的高温冷却之后，栅极电极层114的尺寸比栅极介电质层116更缩小(亦即收缩更多)。因此拉伸应变形成于沟道112中而造成FET 102中的载流子移动率增加。于实施例中，FET 102为PFET，且栅极介电质层116和栅极电极层114系经过选择使栅极介电质层116有高于栅极电极层114的热膨胀系数。于此实施例中，于沟道112中产生压缩应变而于该PFET中增加载流子移动率。
图2为依据本发明实施例中含有示范的场效应晶体管(FET)的构造剖面图。构造200包含位于基板204上的FET 202，FET 202包含栅极堆栈206，而栅极堆栈206包含栅极电极层220与222及栅极介电质层216、源极208、漏级210以及沟道212。FET 202可为NFET或PFET，此点类似于FET102。于图2中的构造200，其基板204、源极208、漏级210以及沟道212分别对应至构造100中的基板104、源极108、漏级110以及沟道112。
如图2所示，栅极介电质层216系覆盖沟道212位于基底204的上表面218上。举例来说，栅极介电质层216的厚度可为10.0埃至15.0埃。图2中同时也显示，栅极电极层220系位于栅极介电层216上，且可由如多晶硅或其它适当的材料所组成，举例来说，栅极电极层220的厚度可为100.0埃至500.0埃间。于图2中还指出，栅极电极层222系位于栅极电极层220上，且可由如硅化物或其它适当材料组成。举例来说，栅极电极层220的厚度可为400.0埃至1500.0埃。栅极电极层222可于高温中以CVD或其它适当的工艺沉积于栅极电极层220上。
于图2的本发明实施例中，栅极电极层220和222以及栅极介电质层216系经过选择，使得该栅极电极层222拥有高于栅极电极层220的热膨胀系数，且该栅极电极层220的该热膨胀系数系高于该栅极介电质层216。因此，当包含构造200的晶圆由沉积栅极电极层222的高温冷却之后，栅极电极层222的尺寸比栅极介电质层216更缩小，并且栅极电极层220比栅极介电层216缩得更小。因而于沟道212中产生拉伸应变，使于FET202中的载流子移动率增加。于实施例中，FET202可为PFET，而栅极介电质层216以及栅极电极层220和222系经过选择，使栅极介电质层216拥有高于栅极电极层220的热膨胀系数，而栅极电极层220的热膨胀系数高于栅极电极层222。于此实施例中，沟道212中产生压缩应变，使得PFET中的载流子移动率增加。
图3为依据本发明实施例中含有示范的场效应晶体管(FET)的结构剖面图。结构300系包含位于基板304上的FET 302。FET 302包含栅极堆栈306，栅极堆栈306包含栅极电极层314和栅极介电质层316和324、源极308、漏级110以及沟道312。FET 302可为NFET或PFET，此点类似于FET 102。于图3中的构造300，基板304、源极308、漏级310以及沟道312分别对应于构造100中的基板104、源极108、漏级110以及沟道112。
如图3中所示，栅极介电质层316系覆盖沟道312位于基板304的上表面318上，且可由二氧化硅或其它适当的介电质层组成。于图3中同时显示，栅极介电质层324系位于栅极介电质层316上且可由氮化硅或其它适当的介电质层组成。图3中进一步显示，栅极电极层314位于栅极介电质层324上，栅极电极层314可于高温中以CVD或其它适当的工艺沉积于栅极介电质层324上。
于本实施例中，栅极电极层314以及栅极介电质层316和324系经过选择，使得栅极电极层314拥有高于栅极介电质层324的热膨胀系数，而栅极介电质层324的热膨胀系数系高于栅极介电质层316的热膨胀系数。因此，当含有构造300的晶圆由沉积栅极电极层314的高温冷却之后，栅极电极层314的尺寸比栅极介电质层324更缩小，且栅极介电质层324比栅极介电质层316更缩小。因而于沟道312中产生拉伸应变造成FET 302中的载流子移动率增加。于实施例中，FET302为PFET，而栅极介电质层316和324以及栅极电极层314皆经过选择，使栅极介电质层316具有高于栅极介电质层324的热膨胀系数，且栅极介电质层324的热膨胀系数系高于栅极电极层314的热膨胀系数，于此实施例中，于沟道312中产生压缩应变而使PFET中的载流子移动率增加。
图4为依据本发明实施例中含有示范的场效应晶体管(FET)的结构剖面图。构造400包含位于基板404上的FET 402。FET 402包含栅极堆栈406、源极408、漏级410、沟道412、”栅极衬层”426、428以及”栅极间隔物”430、432。FET 402可为NFET或PFET，此点与FET 102相似。于图4中的构造400，其基板404、源极408、漏级410以及沟道412分别对应至构造100中的基板104、源极108、漏级110以及沟道112。
如图4所示，栅极堆栈406系位于基板404上。栅极堆栈406可为图1中的栅极堆栈106、图2中的栅极堆栈206或图3中的栅极堆栈306。于图4中更进一步显示，栅极衬层426和428系位于基板404上方个别紧邻于栅极堆栈406。举例来说，栅极衬层426和428的厚度可为50.0埃至200.0埃。图4中同时显示，栅极间隔物430与432系个别紧邻于栅极堆栈426与428。因此，栅极衬层426与428系个别位于栅极间隔物430与432间且位于栅极堆栈406旁，并也同时位于个别对应的栅极间隔物430及432与基板404之间。
于本实施例中，栅极衬层426与428以及栅极隔间物430与432系经过选择，使得栅极隔间物430与432有个别高于对应的栅极衬层426与428的个别热膨胀系数。因此，如前述的原因，于沟道412中产生拉伸应变使得FET 402中的载流子移动率增加。于实施例中，FET 302系为PFET，而栅极衬层426和428以及栅极间隔物430与432系经过选择，使得栅极衬层426与428有个别高于栅极间隔物430与432的个别热膨胀率。因此，于沟道412中产生了压缩应变使该PFET中的载流子移动率增加。
如上的讨论，本发明系藉由选择栅极堆栈的栅极和介电质层，使的具有适当的个别热膨胀系数，而达成于FET的沟道中增加拉伸应变，FET亦即FET 102，202，302或402。因此，本发明有助于达成于FET中增加载流子移动率，而提升FET的效能。此外，本发明藉选择栅极和栅极堆栈的介电质层，使的个别具有适当的热膨胀系数，而达成于PFET的沟道中增加压缩应变，导致载流子移动率的增加，进而提升FET的效能。
上述的本发明实施例可于不背离其发明领域下以各种技术完成。此外，于此领域的技术人员应了解到对于本发明实施例的叙述可于不背离本发明精神与范畴下完成其细节。且实施例的叙述系为示范而非意于限制之用。在此也必须了解本发明并限于特定的示范实施例而是包含于本发明范畴下所有的修饰与变更。
具有增加的载流子移动率的场效应晶体管已如上的叙述。
权利要求
1.一种位于基板(104)上的场效应晶体管，该场效应晶体管包含沟道(112)，位于该基板(104)中；第一栅极介电质(116)，其位于该沟道(112)上方，该第一栅极介电质(116)具有第一热膨胀系数；第一栅极电极层(114)，其位于该第一栅极介电质(116)上方，该第一栅极电极层(114)具有第二热膨胀系数；其中该第二热膨胀系数系不同于该第一热膨胀系数，使该场效应晶体管中产生载流子移动率的增加。
2.如权利要求1所述的场效应晶体管，其中，该第二热膨胀系数大于该第一热膨胀系数。
3.如权利要求2所述的场效应晶体管，其中，该增加的载流子移动率是由该沟道(112)的拉伸应变所造成。
4.一种位于基板(104)上的场效应晶体管，该场效应晶体管包含位于该基板(104)中的沟道(112)、位于该沟道(112)上方的第一栅极介电质(116)且该第一栅极介电质(116)具有第一热膨胀系数、位于该第一栅极介电质(116)上的第一栅极电极层(114)且该第一栅极电极层(114)具有第二热膨胀系数，该场效应晶体管的特征为该第二热膨胀系数不同于该第一热膨胀系数，致使该场效应晶体管中载流子移动率的增加。
5.如权利要求4所述的场效应晶体管，其中该第二热膨胀系数高于该第一热膨胀系数，造成在该沟道(112)中产生拉伸应变，而该拉伸应变引起该载流子移动率的增加。
6.如权利要求4所述的场效应晶体管，更进一步包含位于该第一栅极电极层(222)与该第一栅极介电质(216)间的第二栅极电极层(220)，该第二栅极电极层(220)具有第三热膨胀系数，该第三热膨胀系数大于该第一热膨胀系数但小于该第二热膨胀系数，于该沟道(212)中产生拉伸应变，而该拉伸应变造成该载流子移动率的增加。
7.如权利要求4所述的场效应晶体管，更进一步包含位于该第一栅极介电质(316)与该基板(304)间的第二栅极介电质(324)，该第二栅极介电质(324)具有第三热膨胀系数，该第三热膨胀系数低于该第一热膨胀系数，而该第二热膨胀系数高于该第一热膨胀系数，使该沟道(312)中产生拉伸应变，而该拉伸应变造成该载流子移动率的增加。
8.如权利要求4所述的场效应晶体管，其中，该场效应晶体管为P场效应晶体管，该第一热膨胀系数高于该第二热膨胀系数，使该沟道(112)中产生压缩应变，而该压缩应变造成该载流子移动率的增加。
9.如权利要求4所述的场效应晶体管，更进一步包含紧邻于该第一栅极介电质(116)的栅极衬层(426、428)、紧邻于该栅极衬层(426、428)的栅极间隔物(430、432)，该栅极衬层(426、428)具有第四热膨胀系数，该第四热膨胀系数高于该第三热膨胀系数，使沟道(412)中产生拉伸应变。
10.一种场效应晶体管位于基板(104)上，该场效应晶体管包含沟道(112)，其位于该基板(104)中；栅极堆栈(106)，其位于该沟道(112)上；第一栅极介电质(116)位于该栅极堆栈(106)上，该第一栅极介电质(116)具有第一热膨胀系数；第一栅极电极层(114)位于该第一栅极介电质(116)上方，该第一栅极电极层(114)具有第二热膨胀系数；其中，该第二热膨胀系数不同于该第一热膨胀系数，使沟道(112)中产生应变，而该应变于该场效应晶体管中造成载流子移动率的增加。
全文摘要
依据本发明的范例实施例，位于基板(104)上的场效应晶体管(FET)含有位于该基板(104)中的沟道(112)。该FET更进一步包含位于该沟道(112)上的第一栅极介电质(116)，该第一栅极介电质(116)具有第一热膨胀系数。该FET还包含位于该第一栅极介电质上的第一栅极电极层(114)，该第一栅极电极具有第二热膨胀系数，此第二热膨胀系数系不同于该第一热膨胀系数，导致于该FET中载流子移动率的增加。举例来说，该第二热膨胀系数可高于该第一热膨胀系数；而该增加的载流子移动率可由于该沟道(112)中的拉伸应变所造成。
文档编号H01L29/78GK1839480SQ200480023902
公开日2006年9月27日 申请日期2004年8月5日 优先权日2003年8月18日
发明者Q·项, J-S·古 申请人:先进微装置公司