PMOS晶体管结构及其形成方法技术

本发明专利技术公开了一种PMOS晶体管结构及其形成方法，涉及基本电子元器件技术领域。所述晶体管包括衬底、栅极结构、沟道区以及源、漏区，该半导体结构还包括球形阻断装置，以及位于衬底与沟道区界面处、衬底与源、漏区界面处的含碳材料层，其中所述球形阻断装置设置于衬底中且位于所述源、漏区和所述沟道区下方，所述球形阻断装置为空腔或填充有绝缘介质，所述含碳材料层位于沟道区下方的位置中碳、硅原子重量比为1：（0.7‑2.4），形成的半导体结构漏电流显著降低，电学性能得到明显提升，并且本发明专利技术中形成该半导体结构的方法工艺简单，成本低廉，引入杂质少，能够进一步改善半导体结构的性能。

【技术实现步骤摘要】
PMOS晶体管结构及其形成方法
本申请涉及半导体领域，尤其涉及半导体结构及其形成方法，PMOS晶体管及其形成方法。
技术介绍
现有的半导体结构中，随着MOS器件特征尺寸的不断减小，导致沟道长度变短，由于宽度也将按同比例缩小，如此会导致严重的短沟道效应。这是因为当漏极加上高电压时，由于栅很短，源极同时受到漏极电场的影响，在此电场影响下，源结势垒降低，并且漏极耗尽层扩展，甚至跟源结的耗尽区相连，因此使器件无法关断，产生较大的漏电流。随着沟道长度进一步缩短，短沟道效应更加明显，严重恶化晶体管器件的阈值电压。为解决上述技术问题，本专利技术提出一种MOS晶体管的结构以及形成该结构的方法，具体的，在半导体衬底中形成球形阻断装置，使其位于源、漏区以及沟道区域的下方，能够削弱源、漏之间的耦合电容，降低该球形阻断装置附近的电流泄漏，从而实现对晶体管器件的有效关断。在形成上述具有球形阻断装置的MOS晶体管器件时，巧妙设置球形阻断装置的位置以及选择各阶段刻蚀工艺，能够保证刻蚀的精确性，避免额外刻蚀损伤，工艺简单，注入成本较低，改善器件性能。
技术实现思路
本专利技术提供了一种半导体结构，包括：衬底101、栅极结构108、沟道区106以及源、漏区107，其特征在于，所述半导体结构还包括球形阻断装置105，以及位于衬底与沟道区界面处、衬底与源、漏区界面处的含碳材料层，其中所述球形阻断装置设置于衬底中且位于所述源、漏区和所述沟道区下方，所述球形阻断装置为空腔或填充有绝缘介质，所述含碳材料层位于沟道区下方的位置中碳、硅原子重量比为1：（0.7-2.4）。优选的，绝缘介质为氩气、氮气、二氧化碳或者六氟化硫气体。优选的，所述球形阻断装置彼此相互隔离，且彼此之间的间隔为2-15nm，所述球形阻断装置的直径为5-10nm。优选的，所述含碳材料层厚度为3-15nm。一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底，在衬底上表面淀积第一硬掩膜，采用光刻刻蚀工艺形成多个第一刻蚀窗口，通过第一刻蚀窗口对衬底进行刻蚀形成多个第一深槽；在所述第一深槽中部分填充氮化硅材料；在所述第一深槽未被填充的部分中通过第一原位外延工艺将其填满；进行平坦化，去除衬底上表面的第一硬掩模，露出衬底上表面；在衬底上表面淀积第二硬掩膜，采用光刻刻蚀工艺形成多个第二刻蚀窗口，通过第二刻蚀窗口对第一原位外延工艺填满的所述第一深槽进行刻蚀，形成多个第二深槽，其中第二深槽的宽度小于第一深槽；去除所述氮化硅材料；采用第二原位外延工艺填充第二深槽；进行平坦化，去除衬底上表面的第二硬掩模，露出衬底上表面；在衬底上表面淀积第三硬掩膜，采用光刻刻蚀工艺形成第三窗口，通过第三窗口对衬底进行碳掺杂；对进行碳掺杂的注沟道区进行刻蚀形成第三沟槽，在该步骤中保留沟道区底部一特定厚度的碳掺杂区域，采用第三原位外延工艺重新形成沟道区；进行退火处理，激活碳掺杂区域的碳原子，并使碳原子发生横向扩散，扩散到即将形成的源、漏区底部；在沟道区上方形成栅极结构，在沟道区域两侧的衬底中形成源、漏区。优选的，所述特定厚度为3-15nm。优选的，去除氮化硅材料之后形成彼此相互隔离球形阻断装置，彼此之间的间隔为2-15nm，所述球形阻断装置的直径为5-10nm。优选的，所述球形阻断装置为空腔或填充有绝缘介质，所述绝缘介质为氩气、氮气、二氧化碳或者六氟化硫气体。优选的，所述退火工艺之后，位于沟道区底部的碳掺杂区域中碳、硅原子重量比为1：（0.7-2.4）。优选的，去除所述氮化硅材料采用的工艺包括各向同性刻蚀，刻蚀所述第一深槽、第二深槽以及第三深槽的工艺为各向异性刻蚀。本专利技术的半导体结构中引入球形阻断装置，能够有效削弱源、漏之间的耦合电容，降低该球形阻断装置附近的电流泄漏，实现对晶体管器件的有效关断；在源、漏区以及沟道区域和衬底的界面处形成含碳材料层，可以改善MOS晶体管中的应力以及掺杂离子的扩散，避免掺杂离子聚集在源、漏区与衬底界面处，能够提高器件的导通电流，有效降低沟道区域与衬底之间的隧穿漏电流；通过对碳离子注入的注入能量和时间等因素的调节，使最终形成的器件中位于沟道区下方的含碳材料层中碳、硅原子重量比为1：（0.7-2.4），能够实现晶体管器件性能的最优化。并且在形成本专利技术的半导体结构时，采用特定的刻蚀工艺形成特定的沟槽，可以使工艺结果可控性强，成品率高。附图说明图1示意性示出本专利技术的PMOS晶体管结构。图2a-图2i示意性示出本专利技术的PMOS晶体管制造方法各步骤对应的剖面图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更容易被清楚的理解，下面将结合附图对本专利技术的具体实施例方式做进一步详细的说明。本专利技术可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于本专利技术中描述的实施例。应当理解的是，当元件例如层、区域或衬底被称作“形成在”或“设置在”另一元件“上”时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。如图1所示，本专利技术的PMOS晶体管结构包括：衬底101，位于衬底中的球形阻断装置105，该球形阻断装置能够有效削弱源、漏之间的耦合电容，降低该球形阻断装置附近的电流泄漏，实现对晶体管器件的有效关断，位于球形阻断装置上方的源、漏区107，以及位于源、漏区107之间的沟道区域106，在源、漏区107与衬底101接触的界面上形成碳掺杂层，可以阻挡PMOS器件源、漏区掺杂离子的扩散，该碳掺杂层同样存在于沟道区域106与衬底101的界面处，位于沟道区域106上方的栅极结构108。为进一步降低晶体管器件的漏电流，还可以设置有轻掺杂源、漏结构（未示出）。衬底101可以是硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅衬底、绝缘体上锗衬底、玻璃衬底或者-族化合物衬底等；位于衬底中的球形阻断装置可以是球形空腔，其中填充氩气、氮气、二氧化碳或者六氟化硫气体。该位于沟道区域下方的球形阻断装置为多个，优选为大于等于两个，且球形阻断装置彼此相互隔离，彼此之间的间隔为2-15nm，球形阻断装置的直径优选为5-10nm，如此设置可以在保证衬底强度的前提下，尽可能最大限度的削弱源、漏之间的耦合电容，降低该球形阻断装置附近的电流泄漏，实现对晶体管器件的有效关断。源、漏区可以是通过对衬底进行离子注入工艺形成，也可以是原位外延工艺形成包含硅和/或硅锗材料的半导体层；在一个实施例中，采用外延工艺形成源、漏区时，可以形成抬升的源、漏区结构，有助于提高器件的应力。在源、漏区以及沟道区域和衬底的界面处形成含碳材料层（例如是碳化硅或碳化硅锗层），一方面源、漏区底部的含碳材料层可以改善P型MOS晶体管中掺杂离子的扩散，避免掺杂离子聚集在源、漏区与衬底界面处，能够提高器件的导通电流；另一方面，位于沟道区域下方的含碳材料层，能够有效降低沟道区域与衬底之间的隧穿漏电流。该含碳材料层厚度优选为3-15nm，该含碳材料层位于沟道区下方的位置中碳、硅原子重量比为1:0.7~1:2.4，通过研究发现，将碳、硅原子重量比规定在上述范围内，可以更进一步的降低器件的漏电流，增强导通时载流子迁移率，优选的，当硅原子质量为100质量份时，碳原子为107质量份时，能够使器件的性能最优化。对碳、硅原子重量比的测量是通过对器件含碳材料层进行X射线衍射（XRD）测试确定的。此外，栅极结构还包括侧墙、栅极绝缘层、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种PMOS晶体管结构，包括衬底、栅极结构、沟道区以及源、漏区，其特征在于，所述半导体结构还包括球形阻断装置，以及位于衬底与沟道区界面处、衬底与源、漏区界面处的含碳材料层，其中所述球形阻断装置设置于衬底中且位于所述源、漏区和所述沟道区下方，所述球形阻断装置为空腔或填充有绝缘介质，所述含碳材料层位于沟道区下方的位置中碳、硅原子重量比为1:0.7~1:2.4。

【技术特征摘要】
1.一种PMOS晶体管结构，包括衬底、栅极结构、沟道区以及源、漏区，其特征在于，所述半导体结构还包括球形阻断装置，以及位于衬底与沟道区界面处、衬底与源、漏区界面处的含碳材料层，其中所述球形阻断装置设置于衬底中且位于所述源、漏区和所述沟道区下方，所述球形阻断装置为空腔或填充有绝缘介质，所述含碳材料层位于沟道区下方的位置中碳、硅原子重量比为1:0.7~1:2.4。2.如权利要求1所述的PMOS晶体管，其中，所述绝缘介质为氩气、氮气、二氧化碳或者六氟化硫气体。3.如权利要求1所述的PMOS晶体管结构，其中，所述球形阻断装置彼此相互隔离，且彼此之间的间隔为2-15nm，所述球形阻断装置的直径为5-10nm。4.如权利要求1所述的PMOS晶体管结构，其中，所述含碳材料层厚度为3-15nm。5.一种PMOS晶体管结构的形成方法，包括：提供衬底，在衬底上表面淀积第一硬掩膜，采用光刻刻蚀工艺形成多个第一刻蚀窗口，通过第一刻蚀窗口对衬底进行刻蚀形成多个第一深槽；在所述第一深槽中部分填充氮化硅材料；在所述第一深槽未被填充的部分中通过第一原位外延工艺将其填满；进行平坦化，去除衬底上表面的第一硬掩模，露出衬底上表面；在衬底上表面淀积第二硬掩膜，采用光刻刻蚀工艺形成多个第二刻蚀窗口，通过第二刻蚀窗口对第一原位外延工艺填满的所述第一深槽进行刻蚀，形成多个第二深槽，其中第二深槽的宽度小于第一深槽；去除所...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟静，
申请(专利权)人：孟静，
类型：发明
国别省市：河北,13