[发明专利]半导体结构及形成该半导体结构的方法

说明书

技术领域

本发明的实施例一般而言涉及金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，且更具体而言，涉及具有碳掺杂源极/漏极区的应变MOSFET以及形成该MOSFET的方法。

背景技术

场效应晶体管的沟道区内流过的电流与该沟道区内的载流子(例如，n型场效应晶体管(n-FET)内的电子以及p型场效应晶体管(p-FET)内的空穴)的迁移率成正比。沟道区上不同的应变会影响载流子迁移率，并因此影响电流。例如，p-FET的沟道区上的压应力可以提高空穴迁移率。相反，n-FET的沟道区上的拉应力会提高电子迁移率。已知各种应力工程技术以对于n-FET和p-FET沟道区施加期望的应力。例如，如通过引用的方式结合于此的2005年4月26日授权的Murthy等的美国专利No.6,885,084中所讨论，通过用硅和锗的合金来形成源极/漏极区，则可以在p-FET的沟道中内产生压应力(即，与电流方向平行的单轴压应变)，以及通过用硅和碳的合金来形成源极/漏极区，则可以在n-FET的沟道区中产生拉应力(即，与电流方向平行的单轴拉应变)。

形成拉应力源(tensile stressor)的源极/漏极区来增强n-FET性能的一种方法为，用碳注入物使源极/漏极区非晶化，随后使该注入的非晶化的源极/漏极区重结晶。为了最大化重结晶的硅碳源极/漏极区的应力效应，碳注入必须深。不幸的是，由于存在同时将碳离子注入栅电极并损伤栅极介电层的风险，深的碳注入受限制。因此，本领域中需要一种改善的n-FET结构，其可以为沟道区提供优化的拉应力。

发明内容

鉴于前述讨论，在此披露了一种改进的n型金属氧化物半导体场效应晶体管(n-FET)以及包含该n-FET的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件的实施例。在此还披露了单独形成该n-FET以及形成包含该n-FET的CMOS器件的两者的方法的实施例。

具体而言，在n-FET形成工艺初期，执行碳注入工艺以在单晶硅层中沟道区两侧上形成碳注入区。在该碳注入工艺中，多晶硅栅电极受氮化物帽保护。在该碳注入工艺之后，除去该氮化物帽，并沉积n型掺杂剂用于形成深的源极/漏极和源极/漏极扩展。在形成结以及快速热退火工艺之后，执行非晶化注入工艺以使碳注入区全部重新非晶化。随后，使用激光退火工艺使毗邻沟道的区域中的硅层重结晶以形成具有取代式的碳的硅碳合金，并由此形成毗邻沟道的单轴拉应力源。

该方法产生一种n-FET结构，其中硅碳完全容纳在非晶化区域内且具有无碳的栅电极。与现有技术的方法相反，在此所披露的该方法消除碳注入工艺和非晶化注入工艺之间的相互影响，由此提供了更大的工艺灵活性。该方法还可以与应力记忆技术(stress memorization technique，SMT)组合以保证优化的拉应力。此外，当形成CMOS器件时，初期碳注入工艺可以自然地整合到p-FET的硅锗(即，eSiGe)源极/漏极区的早期外延生长工艺中。

更具体而言，在此披露了一种诸如场效应晶体管的半导体结构的实施例，该半导体结构包括单晶硅层(例如，体硅晶片、绝缘体上硅(SOI)晶片的绝缘体上硅层等)、该单晶硅层内的沟道区、以及该沟道区上方的栅电极。

该半导体结构还包括对称地布置于该沟道区的每一侧上的三个注入区。更具体而言，在该沟道区的每一侧上，半导体结构的单晶硅层包括：包含非晶化物质(例如，锗(Ge)、氙(Xe)、氩(Ar)、硅(Si)等)的第一注入区；包含碳的第二注入区；以及包含n型掺杂剂(例如，磷(P)、砷(As)或锑(Sb))的第三注入区，其包括较深的源极/漏极(S/D)部和较浅的扩展部。

该第二注入区容纳在该第一注入区内，使得该第一注入区的边缘(即，第一边缘)位于该第二注入区的边缘(即，第二边缘)的外部，且进一步介于该第二注入区的边缘和该沟道区之间。此外，碳存在于该第二注入区内，使得在采用退火工艺(例如，激光退火、闪光退火(flash anneal)、快速热退火、炉内退火等)而重结晶时，硅碳合金形成于该第二注入区中。该硅碳合金对于该沟道区施加预定应力(例如，拉应力)，由此优化n-FET内的载流子迁移率(即，电子迁移率)并因此优化电流。