专利名称：场效应晶体管及其制造方法
技术领域：
这里描述的实施例一般涉及场效应晶体管及其制造方法。
背景技术：
近年来，为了提高金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)的性能，考虑尝试使用电子迁移率和空穴迁移率均高于常规使用的Si沟道的Ge沟道。通过该方法，更高的迁移率改善了晶体管的电流可驱动性，并因此可望实现更高速的操作或更低的功耗。然而，还没有建立用于形成用于Ge沟道的栅极绝缘膜的技术。Ge和栅极绝缘膜之间的界面状态密度的降低成为主要问题。当前，作为用于Ge-MIS晶体管的栅极绝缘膜界面材料，~■氧化错(GeO2)实现了最闻的迁移率。
如上所述，使用GeO2作为Ge-MIS晶体管的栅极绝缘膜界面材料使得能够获得Ge的高迁移率的全部益处。然而，由于GeO2可溶于水，因此，它在制造过程中会在湿法中溶解，或者会由于空气中的水分而劣化。这构成了器件的可靠性降低的主要原因并进一步降低工
艺产量。
发明内容
一般地，根据一个实施例，一种场效应晶体管包含设置在含Ge衬底的一部分上并且至少包括GeO2层的栅极绝缘膜、设置在栅极绝缘膜上的栅电极、设置在衬底中以便把栅电极下面的沟道区夹在中间的源极-漏极区、以及在栅极绝缘膜的两侧部分上形成的含氮区。根据另一个实施例，一种制造场效应晶体管的方法，该方法的特征在于包括在含Ge衬底上形成至少包含GeO2层的栅极绝缘膜；在栅极绝缘膜上形成金属膜；蚀刻栅电极区之外的金属膜和栅极绝缘膜，以形成栅极层叠结构部分；氮化暴露于栅极层叠结构部分的两侧表面的栅极绝缘膜的表面，以形成含氮区；以及在栅极层叠结构部分的两侧形成源极_漏极区。根据又一个实施例，一种制造场效应晶体管的方法，该方法的特征在于包括在含Ge衬底上形成至少包含GeO2层的栅极绝缘膜；在栅极绝缘膜上形成金属膜；蚀刻栅电极区之外的金属膜以形成栅极层叠结构部分；氮化作为形成栅极层叠结构部分的结果而暴露的栅极绝缘膜；在氮化栅极绝缘膜之后，利用栅电极作为掩模有选择地蚀刻栅极绝缘膜；以及在衬底中形成源极-漏极区，以便将栅极层叠结构部分下面的沟道区夹在源极和漏极之间。
图I是示出根据第一实施例的场效应晶体管的截面图；图2A、图2B、图2C、图2D、图2E、图2F、图2G和图2H是用于解释根据第一实施例的场效应晶体管的制造过程的截面图3A、图3B和图3C是用于解释根据第二实施例的场效应晶体管的制造过程的截面图；图4是表示根据第三实施例的场效应晶体管的元件结构的截面图；图5A和图5B是用于解释根据第三实施例的场效应晶体管的制造过程的截面图；图6A、图6B、图6C和图6D是分别示出根据变型的场效应晶体管的元件结构的截面图；以及图7A和图7B是用于解释根据变型的场效应晶体管的制造过程的截面图。
具体实施例方式(第一实施例) 在图I的MISFET结构的截面图中，附图标记10表示Ge衬底。在Ge衬底10的一部分上，形成栅极绝缘膜20。通过依次层叠GeO2层21 (Inm厚)和LaAlO3高介电常数绝缘膜22 (2. 5nm厚)来形成栅极绝缘膜20。在高介电常数绝缘膜22上，依次形成TaN栅电极30 (IOnm厚)和SiO2硬掩模41 (3nm厚)。在栅电极30的两个侧面上，形成金属氧化物膜31。在由栅极绝缘膜20、栅电极30、硬掩模41和金属氧化物膜31等构成的栅极层叠结构的两个侧面上，形成氮化硅(SiN)栅极侧壁绝缘膜42 (底部宽度为IOnm)。在栅极层叠结构两侧的衬底10中，形成源极-漏极区50。源极-漏极区50由在栅极侧壁绝缘膜42下面形成的薄扩展扩散层51 (IOnm厚)、在栅极侧壁膜42之外形成的更厚的扩散层52 (25nm厚)和在扩散层52上形成的NiGe合金层53 (IOnm厚)构成。在已形成栅极层叠结构部分和源极-漏极区50的衬底上，形成层间绝缘膜61。在层间绝缘膜61中，制成用于与源极-漏极区50接触的接触孔。在接触孔中，金属互连62被形成以便被嵌入孔中。在GeO2层21的两个侧面上，作为含氮区形成Ge氧氮化物膜25。特别地，在GeO2层21的两个侧面部分上，直到离开侧面Inm距离的氮含量为I %或更大。最接近侧面区特别具有10%或更大的氮含量并且不溶于水。通过该配置，设置在GeO2层21的两个侧面上的氧氮化物膜25的存在防止了 Ge02层21在工艺期间溶解并防止了栅极脱落。因此，可以确保良好的工艺产量。另外，由于空气中的水分导致的6^2层21的劣化受到抑制，从而防止栅极泄漏增加并防止阈值波动。因此，MISFET的可靠性得到提高。并且，由于残留于层间绝缘膜61中的水分或从空气扩散到层间绝缘膜61中的水分所导致的GeO2层21的长期劣化受到抑制，这提高了长期可靠性。下面，参照图2A 2H解释第一实施例的场效应晶体管的制造过程。首先，如图2A所示，在Ge衬底10上形成浅槽隔离(STI)结构11。然后，如图2B所示，通过550°C下的热氧化在Ge衬底10的表面上形成厚Inm的GeO2层21。然后，在STI11和GeO2层21上，依次沉积厚2. 5nm的LaAlO3高介电常数绝缘膜22、厚IOnm的TaN电极膜(栅电极)30和厚IOnm的SiO2硬掩模41。然后，如图2C所示，在栅极图案通过光刻技术由抗蚀剂(未示出)形成之后，通过反应离子束蚀刻(RIE)有选择地蚀刻硬掩模41到GeO2层21，由此形成栅极层叠结构部分。通过以上过程，在金属栅电极30的侧壁上形成金属氧化物膜31。
然后，如图2D所示，暴露的GeO2层21的两个侧面被暴露于氮等离子体，从而执行氮化处理。通过氮化处理，形成作为含氮区的Ge氧氮化物膜25。尽管在LaAlO3高介电常数绝缘膜22的两个侧面中也包含氮，然而，不一定包含它。可仅在GeO2层21的两个侧面中形成含氮区。另外，GeO2层21的氮化处理不限于氮等离子体。例如，可以通过与氮自由基或氨(NH3)的热反应来执行氮化处理。氮化处理的条件的一个例子如下衬底温度处于从室温到400°C或更低的范围内，N2气体压力为I IOPa(用于等离子体处理)或150 300Pa(用于自由基处理)，在100 800W的微波输出下。然后，在将杂质离子(用于nMISFET的P、AS和Sb以及用于pMISFET的B和BF2)注入扩展区51中之后，执行活化退火。然后，如图2E所示，在通过等离子体CVD技术等在包含栅极侧壁的整个表面上沉积厚IOnm的SiN膜之后，去除不包括侧壁的区域，由此形成栅极侧壁绝缘膜42。然后，在将 杂质离子注入栅极侧壁绝缘膜42的两侧之后，执行活化退火，从而形成源极-漏极扩散层52。不仅源极-漏极扩散层52而且扩散区51可同时经受活化退火，同时省略扩展区51的活化退火过程。然后，如图2F所示，在整个表面上沉积Ni膜55之后，执行热处理，从而在源极/漏极上形成NiGe层53。然后，通过酸来去除未反应的Ni，从而形成图2G所示的MISFET的基本结构。最后，如图2H所示，在沉积层间绝缘膜61之后，制成接触孔。然后，金属互连62被嵌入接触孔中，这完成了图I所示的结构。如上所述，通过第一实施例，栅极下面的GeO2层21的两个侧面均包含氮，这使得层21不溶于水。该确保了良好的工艺产量，从而导致成本降低。另外，由于空气中的水分所导致的劣化可受到抑制，这提高了 Ge-MIS晶体管的可靠性。并且，作为制造过程，只需要对普通的过程增加图2D所示的氮化处理，这使得能够更容易地实现制造过程。(第二实施例)下面参照图3A 3C来解释根据第二实施例的场效应晶体管的制造过程。与图I相同的部分由相同的附图标记表示，并且，省略它们的详细解释。第二实施例与第一实施例的不同之处在于执行RIE以形成栅极层叠结构部分的过程。即，在RIE过程中，在两个阶段中执行栅电极30的蚀刻和栅极绝缘膜20的蚀刻，而不是同时蚀刻栅电极30和栅极绝缘膜20。特别地，在图2B所示的状态之后，如图3A所示，通过使用例如基于氯的气体的RIE，有选择地蚀刻栅电极30。此时，蚀刻在高介电常数绝缘膜22的表面上停止。然后，如图3B所示，执行诸如等离子体氮化的氮化处理并且将氮引入GeO2层21中，由此形成Ge氧氮化物膜25。此时，Ge氧氮化物膜25不仅进入不被栅电极30覆盖的部分，而且进入被栅电极30覆盖的部分。在氮化处理中，氮还被引入高介电常数绝缘膜22中。然后，如图3C所示，利用硬掩模41和栅电极30作为掩模，通过使用基于氯化合物的气体的RIE，有选择地蚀刻高介电常数绝缘膜22和Ge氧氮化物膜25。该蚀刻不一定限于RIE。例如，可通过例如使用稀释的盐酸等的湿蚀刻，有选择地蚀刻高介电常数绝缘膜22和Ge氧氮化物膜25。从此时开始，如第一实施例那样，形成栅极侧壁绝缘膜42、源极-漏极区50、层间绝缘膜61和金属互连62，这完成与第一实施例具有相同配置的场效应晶体管。如上所述，通过第二实施例，即使栅电极30和栅极绝缘膜20被单独地蚀刻，也获得与第一实施例相同的配置。因此，第二实施例具有产生与第一实施例相同的效果并且减少由栅极部分的蚀刻导致的衬底10的过蚀刻的优点。(第三实施例)下面参照图4以及图5A和图5B来解释根据第三实施例的场效应晶体管的元件结构。与图I相同的部分由相同的附图标记表示，并且省略它们的详细解释。第三实施例使用金属源极-漏极结构。如图4所示，第三实施例的源极-漏极区50仅由NiGe层53构成，而不使用扩散层。NiGe层53在栅极端正下方扩展，以便使载流子 被注入到反型层中而不通过p-n结。在n-MIS晶体管中，在NiGe层53和Ge衬底10之间的界面附近形成S分离区58。在nMIS晶体管的情况下，对于降低对于电子的肖特基势垒，NiGe-Ge界面附近的S原子的分离是非常有效的。作为被分离的原子S的替代，也可以使用Se。在P-MIS晶体管的情况下，由于金属的费米能级钉扎在Ge的价带的顶部，S原子和Se原子均不需要被分离。只需要直接在Ge上形成NiGe。第三实施例的制造过程使得消除了注入杂质离子以形成源极-漏极区的过程和形成栅极侧壁的过程，而是增加了注入S离子的过程。nMIS晶体管需要注入S离子，而PMIS晶体管不需要注入S离子。特别地，在图2C的状态中通过等离子体氮化处理形成含氮区25之后，Ni膜沉积并通过热处理变为锗化物，由此形成图5A所示的NiGe层53。然后，如图5B所示，注入S离子，然后进行热处理以形成S分离区58。然后，如第一实施例那样，形成层间绝缘膜61和金属互连62，这完成了图4的场效应晶体管。如上所述，通过第三实施例，源极-漏极区50仅由NiGe层53构成，并且，剩余的配置基本上与第一实施例相同。因此，在GeO2层21的两个侧面上形成的含氮区25使得GeO2层21不溶于水。因此，第三实施例产生与第一实施例相同的效果。(变型)本发明不限于以上的实施例。虽然在实施例中使用了整块Ge衬底，然而，本发明不限于此。可以使用任何适当的衬底，倘若该衬底包含Ge。例如，可以使用图6A所示的在绝缘膜71上形成有Ge薄膜72的绝缘体上锗(GOI)衬底或图6B所示的在Si衬底75上形成有Ge层76的硅上锗(GOS)衬底。作为Ge的替代，图6C所示的应变Ge层82可被用作沟道。在这种情况下，应变Ge层82在具有60 90%的Ge含量的SiGe层81上形成，并具有压缩应变，该压缩应变导致空穴迁移率的增加。该配置对于提高pMISFET性能特别有用。另外，可以使用反型配置，即在Ge衬底85上形成的应变SiGe层86。在这种情况下，具有75 95%的Ge含量的应变SiGe层86具有拉伸应变，该拉伸应变导致电子迁移率的增加。该配置对于提高nMISFET性能特别有用。应变层82、86中的每一个的厚度在2 IOnm的范围内。在抑制由于应变的增加所导致的晶体缺陷的产生并且实现有助于增加迁移率的应变和Ge含量的范围内，设定Ge含量和每个应变层的厚度。另外，为了施加应变，可以在源极-漏极区中形成晶格常数与Ge不同的材料。例如，可以在源极-漏极中嵌入SiGe，从而使得能够施加拉伸应变。并且，在源极-漏极中嵌入GeSn或SiGeSn，从而使得能够施加压缩应变。当使用应变SiGe沟道时，如图7A所示，应变SiGe层91和Ge帽层92事先在Ge衬底上依次外延生长。然后，如图7B所示，Ge帽层92被热氧化以形成GeO2层21。虽然在实施例中本发明被应用于平面沟道结构，然而它可被应用于诸如鳍片FET或三栅极结构的非平面沟道结构。并且，本发明可被应用于应变Ge、应变SiGe沟道和非平面沟道结构的组合。栅极绝缘膜材料不一定限于GeO2层和LaAlO3层，并且，当然，可以是GeO2 层和另一个高介电常数绝缘膜(例如，HfO2, HfON, HfSiON, LaTiO3^ ZrO2, LaZrO2, Y2O3>Al2O3)的组合。另外，栅极绝缘膜材料不限于高介电常数材料。例如，可以使用Si02、SiN或SiON等作为栅极绝缘膜材料。虽然已描述了某些实施例，然而，这些实施例仅作为例子被给出，并且不是要限制本发明的范围。相反，可以各种其它的形式体现这里描述的新颖的实施例；并且，在不背离 本发明的精神的情况下，可以提出这里描述的实施例的形式的各种省略、替代和变化。附图和它们的等同物要覆盖落入本发明的范围和精神内的这些形式和变更方式。相关申请的交叉引用本申请基于在2011年3月25日提交的在先日本专利申请No. 2011-068465并要求其作为优先权，在此弓I入其全部内容作为参考。
权利要求
1.一种场效应晶体管，其特征在于包括 设置在含Ge衬底的一部分上并且至少包含GeO2层的栅极绝缘膜； 设置在栅极绝缘膜上的栅电极； 设置在衬底中以便把栅电极下面的沟道区夹在中间的源极-漏极区；以及 在栅极绝缘膜的两侧部分上形成的含氮区。
2.根据权利要求I的场效应晶体管，其特征在于，所述栅极绝缘膜具有GeO2层和高介电常数绝缘膜的层叠结构。
3.根据权利要求I的场效应晶体管，其特征在于，所述含氮区是Ge氧氮化物膜。
4.根据权利要求I的场效应晶体管，其特征在于，所述含Ge衬底是Ge衬底。
5.根据权利要求I的场效应晶体管，其特征在于，所述含Ge衬底具有在Ge衬底上形成有应变SiGe层的结构。
6.根据权利要求I的场效应晶体管，其特征在于，所述含Ge衬底具有在Si衬底上所形成的晶格松驰的SiGe层上形成有应变Ge层的结构。
7.根据权利要求I的场效应晶体管，其特征在于，所述含Ge衬底具有在绝缘膜上形成有Ge层的结构。
8.根据权利要求I的场效应晶体管，其特征在于，所述含Ge衬底具有在Si衬底上形成有Ge层的结构。
9.根据权利要求I的场效应晶体管，其特征在干，进ー步包括 在栅电极的两侧部分上形成的栅极侧壁绝缘膜。
10.根据权利要求9的场效应晶体管，其特征在于，所述源扱-漏极区包含在栅极侧壁绝缘膜下面形成的扩展扩散层、在栅极侧壁绝缘膜之外形成并且比扩展扩散层厚的扩散层、以及在扩散层上形成的合金层。
11.根据权利要求I的场效应晶体管，其特征在于，所述源扱-漏极区是Ge和另ー个金属的合金层。
12.一种制造场效应晶体管的方法，该方法的特征在于包括 在含Ge衬底上形成至少包含GeO2层的栅极绝缘膜； 在栅极绝缘膜上形成金属膜； 蚀刻栅电极区之外的金属膜和栅极绝缘膜，以形成栅极层叠结构部分； 氮化暴露于栅极层叠结构部分的两侧表面的栅极绝缘膜的表面，以形成含氮区；以及 在栅极层叠结构部分的两侧形成源极-漏极区。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，形成栅极绝缘膜包含形成6^2层和高介电常数绝缘膜的层叠结构。
14.根据权利要求12的方法，其特征在干，氮化栅极绝缘膜包含使栅极绝缘膜暴露于等离子体。
15.根据权利要求12的方法，其特征在干，氮化栅极绝缘膜包含使栅极绝缘膜暴露于氮自由基。
16.一种制造场效应晶体管的方法，该方法的特征在于包括 在含Ge衬底上形成至少包含GeO2层的栅极绝缘膜； 在栅极绝缘膜上形成金属膜；蚀刻栅电极区之外的金属膜以形成栅极层叠结构部分； 氮化作为形成栅极层叠结构部分的结果而暴露的栅极绝缘膜； 在氮化栅极绝缘膜之后，利用栅电极作为掩模有选择地蚀刻栅极绝缘膜；以及在衬底中形成源极-漏极区，以便将栅极层叠结构部分下面的沟道区夹在源极和漏极之间。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，形成栅极绝缘膜包含形成6^2层和高介电常数绝缘膜的层叠结构。
18.根据权利要求16的方法，其特征在干，氮化栅极绝缘膜包含使栅极绝缘膜暴露于包含氮离子的等离子体。
19.根据权利要求16的方法，其特征在干，氮化栅极绝缘膜包含使栅极绝缘膜暴露于氮自由基。
全文摘要
公开了场效应晶体管及其制造方法。根据一个实施例，场效应晶体管包括设置在含Ge衬底(10)的一部分上并且主要包含Ge02层(21)的栅极绝缘膜(20)；设置在栅极绝缘膜(20)上的栅电极(30)；设置在衬底(10)中以便把栅电极(30)下面的沟道区夹在中间的源极-漏极区(50)；以及在栅极绝缘膜(20)的两侧部分上形成的含氮区(25)。
文档编号H01L29/51GK102694023SQ20111027182
公开日2012年9月26日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年3月25日
发明者手塚勉 申请人:株式会社东芝