[发明专利]半导体结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用应力的MOSFET(金属氧化物半导体体场效应晶体管)及其制造方法，更具体地，涉及利用相变材料提高沟道区的载流子迁移率的半导体结构及其制造方法。

背景技术

在半导体器件中，可以将应力用于调节器件性能。施加到nMOSFET的沟道区上的拉应力可以提高电子的迁移率，施加到pMOSFET的沟道区上的压应力可以提高空穴的迁移率，从而可以提高器件的最大输出电流和工作速度，同时降低器件的功耗。

用于在沟道区中产生应力的传统方法包括利用外延硅层与衬底之间的晶格错配(即外延生长应力)，或者利用半导体器件的顶部氮化硅层的本征压应力或拉应力(即膜应力)。

当在硅锗衬底上外延生长薄硅层时，硅层在平行衬底平面的方向将具有与锗硅衬底相同的晶格常数。由于外延硅层的晶格常数大于正常值，因此，在硅层内形成拉应力。外延硅层中拉应力的大小主要由硅层厚度或衬底的锗含量所决定。该外延硅层用于形成沟道区。

利用化学气相淀积(CVD)、原子层淀积(ALD)和等离子体增强化学气相淀积等可以在器件顶部形成高应力的氮化硅膜。通过控制淀积的工艺条件以及随后的热处理条件，可以分别获得本征拉应变和本征压应变，氮化硅膜将相应的应力施加到下方的沟道区中。

随着半导体器件的按比例缩小，利用上述传统的方法已经难以在沟道区中产生所需的强应力。

本发明人在受让给International Business Machines的美国专利US7482615中提出了利用相变材料向沟道区施加应力的方法，其中在栅极上方形成了相变材料层。利用相变材料在相变过程中产生的不同类型的应力，可以改善nMOSFET和pMOSFET的性能。

然而，如果在同一个衬底上形成nMOSFET和pMOSFET二者，则必须分别在两种类型的晶体管上方的相变材料经过相反的相变过程(从多晶向非晶，或反之)。

相变可以通过不同的机制实现，包括但不限于：施加温度的变化(加热或冷却)、施加电压或电流的变化等。然而，这些机制难以同时提供相反的相变过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用相同的相变过程提供不同类型的应力的半导体结构及其制造方法。

根据本发明的一方面，提供一种半导体结构，包括在半导体衬底上形成的半导体器件，所述半导体器件包括：沟道区，形成在所述半导体衬底上；栅堆叠，形成于所述沟道区上方；源/漏区，形成于所述沟道区的两侧，所述半导体器件还包括：应力传递层，位于所述源/漏区和所述栅堆叠上方；开口，形成在所述应力传递层中所述栅堆叠的上方或源区和漏区的上方；相变材料填充物，填充所述开口；以及约束层，位于所述应力传递层和开口上方，其中，所述应力传递层用于将所述相变材料填充物在相变过程中的体积变化转变成作用在所述沟道区上的应力，并且所述约束层用于约束相变材料填充物的自由体积变化。

根据本发明的另一方面，提供一种制造半导体结构的方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成半导体器件，所述半导体器件包括：沟道区，形成在所述半导体衬底上；栅堆叠，形成于所述沟道区上方；源/漏区，形成于所述沟道区的两侧；所述方法进一步包括：

在所述源/漏区和所述栅堆叠上方形成应力传递层；

在所述应力传递层中所述栅堆叠上方或源区和漏区的上方形成开口；

在所述开口中填充相变材料填充物；

在所述应力传递层和开口上方形成约束层；

执行退火，以使所述相变材料填充物发生相变，所述应力传递层将所述相变材料填充物在相变过程中的体积变化转变成作用在所述沟道区上的应力。

相变材料(Phase Change Material，PCM)，如Ge₂Sb₂Te₅、In₂Se₃、Sb₂Te等，在发生相变期间不仅产生电阻的变化，而且也产生显著的体积膨胀或收缩。如果周围的环境约束自由体积变化，则相变材料中将产生本征的压应力或拉应力。因此，相变材料可以作为向半导体器件的沟道区施加相应应力的应力产生源。

对于Ge₂Sb₂Te₅，在从多晶相转变成非晶相时体积膨胀，在环境约束的条件下产生本征的压应力，而在从非晶相转变成多晶相时体积收缩，在环境约束的条件下产生本征的拉应力。