TWI248166B - Semiconductor device and fabricating method thereof - Google Patents

Description

12481^—^ 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種半導體元件及其製造方法，且特 別是有關於一種提高載子遷移率(Carrier Mobility)的半導 體元件及其製造方法。 【先前技術】

金屬氧化半導體電晶體(Metal_〇xide Semiconductor Transistor ; MOS)夾著其耗電量非常小，並且適合高密度 的積集製造等諸多優點，為現今半導體製程中，最重要而 且應用最廣泛的一種基本的電子元件。隨著半導體的積隼 度(imegmtion)的提昇，金屬氧化半導體電晶體的尺寸亦隨 ^小。'然而，其尺寸縮減有其極限，因此，如何利用其 善載子遷移率的方法廣;==的應雜—以改 對N型金氧半導體電晶體而言，於且 有拉伸應力(Tensile Stress)之氮 ；；上方復盖一層具 應變是幕所皆知的—種方法。且^1力=道的拉伸 的電子遷移率增加的程度與氮 體電晶體上 氮化石夕膜之應力將可控制N型金氧半導二f成正比，因此 f率增加的程度，氮化石夕膜的拉S3!晶體上電子遷 越佳。 μ力越鬲，電子遷移率 然而，另—方而 膜的拉伸應力二;=體電晶體而言， •對_成二反：二下： 5 ：/g 12481版 fdoc 與P型金氧半導體電晶體的半導體元件，如何於增加氮化 石夕膜的拉伸應力而加強N型金氧半導體電晶體之電子^ =時，又可以減少p型金氧半導體電晶體電洞遷移‘ 的哀減，是目前極需克服的問題。 【發明内容】 的製=此其種半導趙元件 加快元件的運作輕。 郷㈣衣減， 本發明的另一目的是提供一種半導體元处 N型金氧半導體電晶體的電子遷移率，又可以減二 型金氧半導體電晶體電崎料的衰減之絲。〜 2明提種半導體元件的製造方法 曰曰體，此介電層具有第_拉伸應力 ^體包 光阻層，暴露出p型金氧半導二兩曰 ；土 &上形成 阻層為罩幕，對p型金氧半導2二曰曰體之介電層。以光 子植入製程，以使此部分之介電 ,:：：進仃離 層 中，第二拉伸應力小於第；力、有二:拉伸應力，其 從狎應力。然後，再移除光阻 法 依照本發明的較佳實施例所述之半導體 ^述於猶光阻祕鎌介 方 依照本發明的較佳實施例所述之半導體元件的製造方 6

12481版<_ 更可—型金氧半導體電 極之表面形成金㈣、祕區以及間 對準石夕化物製程。^…成方法例如疋進行自行 法，較佳實施例所述之半導體元件的製造方 =之；丨笔層例如是碳化石夕層或是氮化石夕層。 法，㈣的錄實施觸述之半導體元件的製造方 上^^拉/申應力例如約是介於… 铸^ ’更可以域切層形成後進行熱處理 ...…驟例如是尖峰回火（spike anneal)、紫 =:(「—）、電子束回火(心 或 田射回火（laser anneal)。 依照本發明的較佳實施例所述之半導體元件的製造方 1 ’上述之離子植人製程所植人之摻質可以為錯（Ge)原 ^其植人的能量例如是5G〜撕eV’其植人的劑量例如 疋1x10〜lxl〇16個原子/平方公分。 、依照本發明的較佳實施例所述之半導體元件的製造方 法，上述離子植入製程所植入之摻質還可以 子、氬（AO原子錢（Xe)原子。 J京 I本奄明k出一種半導體元件，其係由基底、至少一 p 型金氧半導體電晶體與—N型金氧半導體電晶體以及介電 ^所構成。其中，P型金氧半導體電晶體以及金氧半 ‘脰電晶體係設置於基底中。介電層至少係設置於p裂金 7 I2481M ^f.doc/g 氧半導體電晶體以及N型金氧半導

N型金氧半導體電晶體上之介電層^=^其中位在 型金氧半導體電晶體上之介電層的拉伸應力-力大於位在P 依照本發明的較佳實施例所述之半導 匕括金屬魏物層設置於p型金 2 ’更可以 金氧料體電晶體之_區、&_===及N型 介佳實施例所述之半導體元件，上述之 "电層之材質可以是碳化石夕或氮化石夕。兀件上述之 型金== = =元件… 氬或氙。 兒㈢中例如疋摻雜有鍺、矽、 本發明因於形成高拉伸應力 =導體電晶體上之介電層進二 “早且可.型金氧半導體 ; 應力，因而得以於提高N )1电層的拉伸 率的同時，減少P型金體的電子遷移 減，達到增加科運作逮度體電洞遷移率的衰 易懂為=其他目的、特徵和優點能更明顯 ^下了文特舉車父佳貫施例，並配合所附圖式，作詳細說 【實施方式】 種半所料騎照本料—雛實施例之一 種丰V體几件的製造流程剖面圖。 請參照圖U，此方法係先提供—絲·。基底1〇〇 1248 f.doc/g 上至少已形成有p型金氧半導體雕 半導體電晶體12〇。p型全氧半1=31 型金氧 氧半導體w _ 體電晶體⑽料型金 ί ^之形成方法為熟知此項技術者_ 於此不λ述。兩電晶體之間可以 隔離結構102例如是藉由淺$ =£域減⑽⑽)製程或是其他合適之製程，而形ί 接著，請參照圖1Β，於基底100 =住Ρ型金氧半導體電晶體_及νΪ 金氧 m =2。，介電層13。具有第一拉伸應力。介=二 :化石夕或氮化石夕或其他具拉伸應力之材質。並 法是電浆增強型化學氣相沈積 氣的比例_ t彳=_魏與氮 ㈤Pa之間的氮化^膜找出拉伸應力約是介於〇.5〜 芦二卜：frr形成更可以是在沈積-層氮化賴 熱處理步驟，以控制其拉伸應力約 W、峰口火（.k a之間。其中，熱處理步驟例如是利用 j 峨1)、紫外線烘烤⑽⑽ing)、電 子束回火（E-beam anneal)或是 等技術來進行。 4W(Lanneal) 140, ^出p型金氧半導體電晶體110上之介電層i3〇。光阻 層140例如是正光阻，其例如是先以旋轉塗佈（_ 12481偷 wfd()e/g coating)方狀介電層⑽上形成絲㈣層(未圖示）， 再利用曝光顯影製程圖案化光阻材料層，形成光阻層刚。 繼而，請參照圖1D，以光阻層14〇為罩幕，; 氧半導體電晶體U0上之介電層13〇進行一離子植程 150。離子植入製程150所植入之推質例如是石夕⑻軒、 風㈤原子或氣㈤原子。另外，也可以植入錯（⑽ 摻質。植人鍺（Ge)原子的方式例如是控制植入能 里力在50〜200keV，植入劑量約係^⑺丨3〜〗心 方公分來進行離子植入。 原子/千 然後’請參照圖1E，P型金氧半導體電晶體ιι〇上 ”電層130在經過離子植入製程15〇之 被降低’接近啊’成為具有第二拉伸應力的= 130，。苴中，介帝恳，斤 〜”甩層 之第-θ 弟二拉伸應力遠小於介電層130 ^」伸應力。繼而，移除光阻層刚，移除的方法 〇疋以濕式去光阻或乾式去光阻的方式來進行。在一奋 移除光阻層⑽之後，更可以移除介電層13= 二電i 130 ’如圖1F所示，以便於後續其他製程，如自 打對準紗化物製程（self-aligned silidde)之進行。 n以下係針對利用上述方法所得之結構加以說明。浐泉 照圖1E，本發明之半導體元件係由基底ι〇〇、ρ型金= 導體電晶體11G、N型金氧半導體電晶體12G、介電層13〇 以及’I電I 130,所構成。兩電晶體可以是藉 搬而將魏隔開來。其中，p型金氧半導體電晶體= 以及N型金氧半導體電晶體12〇係設置於基底100中。介

I2481i_/g 電層i3〇’係設置於p型金氧半導體電晶體11〇±， 層no則設置在N型金氧半導體電晶體12〇上，豆中位= n型金氧半導體電晶體12G上之介電層⑽的拉伸應 於位在p型金氧半導體電晶體UG上之介電層i3G，的拉 ，力’且介電層13〇’中例如是摻雜有鍺、硬、氬或氣等換 、上述實施例之製造方法’於1>型金氧半導體電晶體11〇 以及N型金氧半導體電晶體12〇上形成介電層別之後， 對p型金氧半導體電晶體11G上之介電層l3G進行離子植 ^製程ISO，此方法之步驟簡單，製程相當容易，且可有 效降低P型金氧半導體電晶體11G上介電層⑽，之拉伸應 1 因為具有拉伸應力介電層i3G之形成，而導致； 金氧半導體電晶體11G電洞遷料衰減的問題。 圖2A至圖2E所繪示為依照本發明另一較佳實施例之 一種半導體元件的製造流程剖面圖。 請參照圖2A，此方法係先提供基底2〇〇，基底2〇〇上 =至少是已形成有p型金氧半導體電晶體2ig以及N型 ^氧半導體電晶體220。其中，p型金氧半導體電晶體21〇 ^ N型金氧半導體電晶體22〇之形成方法為熟知此項技術 2所週知、’於此不贅述。兩電晶體之間可以是用隔離結構 播制來作為區隔。隔離結構2〇2例如是藉由淺溝渠隔離結 構4程、區域氧化(L〇c〇s)製程或是其他合適之製程，而 形成之。 此外’ P型金氧半導體電晶體210之源極區214a、汲 12481^4^/ 極區214b以及間極212之表面以及n型金氧半導體電晶 體220之源極區224a、汲極區224b以及閘極222之: 已形成金屬矽化物層225。金屬矽化物層225之形^ 例如是進行自行對準矽化物製程。 / 、接^，請參照圖2B，於基底2〇〇上形成介電層， 至少覆盖住P型金氧半導體電晶體21〇以及Μ 體電晶體220，此介電層23〇具有第一拉伸應力。^声 230，材質例如是碳切、氮切或其他適當之材料。】 I ==^的形成方法例如是電漿增強魏學氣相沈積 氣的比例等製程參數，製造出拉伸應力約 2.5GPa之間的氮化石夕膜。 心丨於0.5〜 声（ί二ft夕膜的形成更可以是在沈積—層氮化石夕臈 7行熱處理步驟，以控制其拉伸應力約 疋I Λ 之間。其中，熱處理步驟例如是_ 大峰回火（spikeanneal)、紫外線供烤（UVcudng)、㊆ ^：^r：amanneaI)"^ 異參照圖2C，於基底200上形成光阻層·， 暴路出Ph乳半導體電晶體210上之介電層23〇。光阻 層240例如是正光阻，其例如是以旋轉塗佈的方式在介㊉ 層230上形成-層光阻材料層（未圖示），再利用】 影製程圖案化光阻材料層，形成光 "' ' 繼而，請參照㈣，以光阻層24^幕，對ρ型金 12 I2481Mwf.d〇〇/g 氧半導體電晶體210上之介電層230進行一離子植入製程 250。離子植入製程250所植入之摻質例如是矽（s〇原子、 氬（Ar)原子或氙（xe)原子。另外，也可以植入鍺（G〇 ^子為摻質。植入鍺（Ge)原子的方式例如是控制植入能 量約在50〜200keV，植入劑量約為1χ1〇13〜1χ1〇16原子/平 方公分來進行離子植入。 然後，請參照圓2Ε，Ρ型金氧半導體電晶體上之介電 層230在經過離子植入製程25〇之後，其拉伸應力將被降 接近GGPa’成為具有第二㈣應力的介電層23〇，。 ，、中’介電層23〇’之第二拉伸應力遠小於介電層挪之 繼？ ’移除光阻層240 ’移除的方法例如是 々，'式光阻或乾式去光阻的方式來進行。 由上述製造方法所得之半導體元件，如圖2 …结構與前-實麵之不同在於··更包括 ^ 225設置於Ρ型金氧半導 、’蜀夕化物層 體雷日卿990 μΙΓ 以及Ν型金氧半導 曰日月丑0之源極區、汲極區與閘極之表面。 上述貫施例之製造方法，於ρ型 以及Ν型金氧半導體電晶體2=:體10 對Ρ型金氧半導體電晶體21〇上之介，之後， 入萝鋥250，卜卜古、η %層23〇進行離子植 衣私250’此方法之步驟簡單，製程相 效降低Ρ型金氧半導體電晶體2Η)上介電;^可有 力，避免因為具有拉伸應力介電層现“=伸應 型金氧半導體電晶體21〇電_ ^成，而導致Ρ 層230如為氮化石夕膜層，;：开^=，的問題。且介電 ，、形成於金屬矽化物層22s之上 13 方作為形成接觸窗開口時之崎終止層（C。祕Etch st〇p =taye〇之用，由於此膜層之應力影響，亦有提升載 子遷移率的效果。 入/虹所述，本發日胳p熟氧半物電晶體以及N型 至乳+導體電晶體上形成具拉伸應力之介電層之後，再對 ^型金氧半導體電晶體上之介電層進行離子植入製程。豆 二=單，且可以降低P型金氧半導體電晶體上介電層： =應力’進而減少P型金氧半導體電晶體電洞遷移率的 衣減。本發明所提出之元件結構，於提升n型金氧 電:遷移率的同時’尚得以減少P型金氧半導體 =曰曰Μ洞遷移率的衰減’而達到提高元件運作速度 果0 3本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 二2丄任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 ^巳圍内，^可作些許之更軸潤飾，因此本發明 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 ' 、，圖1Α至圖1F所繪示為依照本發明一較佳實施例之一 種半導體元件之製造流程剖面圖 圖2A至圖2E所繪示為依照本發明另 一種半導體元件之製造流程剖面圖。 【主要元件符號說明】 1⑻、200 :基底 102、202 ··隔離結構 ‘較佳實施例之 I248144w,doc/g 110、210 : P型金氧半導體電晶體 120、220 : N型金氧半導體電晶體 130、130’、230、230’ ：介電層 140、240 :光阻層 150、250 :離子植入製程 225 :金屬矽化物層 212、222 :閘極 214a、224a :源極區 214b、224b · >及極區

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Claims (1)

1248· twf.d〇c/g 十、申請專利範圍·· 1·一種半導體元件的製造方法，其步驟包括·· 雕+提供—基底，該基底上至少已形成有—p型金氧半導 脰电晶體以及一N型金氧半導體電晶體； 、 導體形成—介電層，至少覆蓋住該p型金氧半 、熟替導體電晶體，該介電層具有 一弟一拉伸應力； 曰 電曰俨二:成一光阻層’暴露出該ρ型金氧半導體 私曰日體上之該介電層； 該介阻層i罩幕，對該ρ型金氧半導體電晶體上之 曰二子植人製程，以使該p型金氧半導體電 :庫力=二:層具有-第二拉伸應力，其中，該第二拉 伸應力小於该第一拉伸應力，·以及 移除該光阻層。 法，第1項所述之半導體元件的製造方 ;'如由往且層後’更包括移除該介電層。 法，二二第1項所述之半導體元件的製造方 體電：麵以及丨電層之前，更包括於該ρ型金氧半導 以及:W面形:5半導體電晶體之源極區、及— 战金屬矽化物層。 法，園第3項所述之半導體元件的製造方 :製ί 金屬砂化物層的方法包括-自行對準石， 5.如申請專利範圍第丨項所述之半導體錯的製造方 16 I248164twfd〇c/g 法，其中該介電層包括一氮化矽層。 、6.如中請專利範圍第5項所^之半導體元件的製造方 法’其中戎鼠化石夕層的拉伸應力介於〇 5〜2 5Gpa。 7.如U利範圍第5項所述之半導體元件的製造方 法，其巾職職切相方法包括電料㈣ 相 沈積法（PECVD)。 8.如申請專利難第5項所述之半導體元件的製造方

法，其中職峨切層的綠包括於魏切層形成後 進行一熱處理步驟。 、9.如申請專利範圍第8項所述之半導體元件的製造方 ^，其中該熱處理步驟包括尖峰回火（spikeanneai)、紫 供烤（UVcUring)、電子束回火（E-beamanneal)或 雷射回火（laser anneal；)。 10.如申料利範圍第i項所狀半導體元件的製造 法’其中該離子植入製程所植入之推質包括錯（原 子0 11.如ΐ請專職，1()項所述之半導觀件的製造 法’其中該離子植入製程之植入能量為50〜200kev。 士、、12.如申請專利範圍第10項所述之半導體元件的製造 去，其中该離子植入製程之植入劑量為 原子/平方公分。 、、13.如申請專利範圍第丨項所述之半導體元件的製造 方法，其中該離子植入製程所植入之摻質包括矽（Si)原 子、氬（Ar)原子或氙（Xe)原子。 17 12481MW f.doc/g 方牛申^利範圍第1項所述之半導體元件的製造 '八中°亥；|電層包括一碳化矽層。 15. —種半導體元件，包括 一基底； 電晶導:ί晶體以及-N型金氧半導體 n型:口以:該】=導_^ 曰俨卜夕#人+ 脰上，其中位在该金氧半導體電 dt，的拉伸應力大於位在該P型金氧半導】 屯日日胜上之该介電層的拉伸應力。 括-範圍第15項所述之半導體元件，更包 n型型金氧半導體電晶體以及該 17. 如申請專利範圍第15項所述導==表 耕電層讀質包贼切。 W7L件’其中 18. 如申請專利範圍第】 該介電層讀質包括碳切。 h體轉，其中 如中請專利範圍第15項 位在該P型金氧半導體電㈣上 件，其中 ，如申請專利範圍第15項所述之二 =有錯。 位^亥P型金氧半導體電晶體 件’其中 氬或氙。 層中摻雜有石夕、 18