半导体结构及其形成方法技术

本发明专利技术提供一种半导体结构及其形成方法，该半导体结构包括：半导体衬底；形成在所述半导体衬底中的凹槽，所述凹槽中填充有稀土氧化物；部分或全部位于所述稀土氧化物上沟道区；和位于所述沟道区两侧的源区和漏区。通过在半导体器件的源区和漏区下方形成稀土氧化物层，从而向CMOS器件的源漏区和沟道区引入类型和大小可调的应力，显著提升半导体器件的迁移率，并且，利用稀土氧化物的晶体特性，以晶体生长的方式形成应力源，极大地简化了工艺流程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体设计及制造
，特别涉及一种沟道区下方填充有稀土氧化物的。
技术介绍
随着半导体技术的发展，半导体基本元件金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的特征尺寸的不断缩小，当特征尺寸进入深亚微米乃至纳米量级时，原来大尺寸下并不存在或者并不显著的不利于器件性能的一系列效应逐渐显现出来。例如亚阈值电压降低、漏致势垒降低和漏电流过大等效应。为解决上述问题，一种方案是根据器件类型不同对器件的特定区域引入相应的应力，从而提高器件的载流子迁移率，进而提升器件性能。在深亚微米和纳米级器件中，合适 的应力对提升器件性能是至关重要的。传统的应力引入方式包括在源漏区掺入替位式元素以改变晶格常数，或者在形成器件结构之后另外生长应力帽层等。这些传统的应力引入方式最主要的缺陷之一在于应力类型难以调节，工艺复杂。并且，随着器件特征尺寸的进一步缩小，传统的应力引入方式将难以形成有效的应力，从而难以达到显著提高半导体器件性能的效果。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决现有技术中小尺寸器件漏电严重以及应力引入困难、工艺复杂和应力效果不理想的缺陷。为达到上述目的，本专利技术一方面提供一种半导体结构，包括半导体衬底；形成在所述半导体衬底中的凹槽，所述凹槽中填充有稀土氧化物；部分或全部位于所述稀土氧化物上沟道区；和位于所述沟道区两侧的源区和漏区。其中，所述稀土氧化物的晶格常数a与所述沟道区和或所述源区和漏区的半导体材料的晶格常数b的关系为a=(n±c)b，其中n为整数，c为晶格常数失配率，0〈c ( 15%。在本专利技术的一个实施例中，所述凹槽的深度不小于5nm。为了保证凹槽中所填充的稀土氧化物的表层附近的晶格常数不被衬底影响，以及保证能够引入较大的应力，凹槽的深度不宜过小。在本专利技术的一个实施例中，所述稀土氧化物包括(GdhErx) 203、(Gd1^xNdx) 203、(EivxNdx) 203、(EivxLax)2O3' (PivxLax)2O3' (PivxNdx)2O3' (PivxGdx) 203 中的一种或多种的组合，其中X的取值范围为0-1。在本专利技术的一个实施例中，所述稀土氧化物通过外延生长形成。在本专利技术的一个实施例中，所述源区和漏区以及所述沟道区通过晶体生长的方式形成，从而有利于得到高质量低缺陷的晶体。在本专利技术的一个实施例中，所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度等于或大于所述凹槽的深度。在本专利技术的一个实施例中，所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度小于所述凹槽的深度。在本专利技术的一个实施例中，当所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度小于所述凹槽的深度时，所述凹槽中填充有所述稀土氧化物的部分侧壁形成有阻挡层。本专利技术另一方面还提供一种半导体结构的形成方法，包括以下步骤S01 :提供半导体衬底；S02 :在所述半导体衬底中形成凹槽；S03 :在所述凹槽中填充稀土氧化物；S04 在所述稀土氧化物上形成沟道区，以及在所述沟道区两侧形成源区和漏区。其中，所述稀土氧化物的晶格常数a与所述沟道区和或所述源区和漏区的半导体材料的晶格常数b的关系为a=(n±c)b,其中n为整数，c为晶格常数失配率，0〈c ( 15%。在本专利技术的一个实施例中，所述凹槽的深度不小于5nm。为了保证凹槽中所填充的稀土氧化物的表层附近的晶格常数不被衬底影响，以及保证能够引入较大的应力，凹槽的深度不宜过小。 在本专利技术的一个实施例中，所述稀土氧化物包括(GdhErx) 203、(Gd1^xNdx) 203、(EivxNdx)2O3' (EivxLax)2O3' (PivxLax)2O3' (Prl-xNdx) 203、(Pr1^xGdx)2O3 中的一种或多种的组合，其中X的取值范围为0-1。在本专利技术的一个实施例中，所述稀土氧化物通过外延生长形成。在本专利技术的一个实施例中，步骤S03中在所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度等于或大于所述凹槽的深度。。在本专利技术的一个实施例中，步骤S04包括在所述稀土氧化物上，以及在所述沟道区两侧分别生长晶体以形成所述沟道区、所述源区和漏区。通过晶体生长的方式形成源漏区和沟道区，从而有利于得到高质量低缺陷的晶体。在本专利技术的一个实施例中，步骤S03中在所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度小于所述凹槽的深度。则在一个可选的实施例中，通过控制所述稀土氧化物的生长条件，使所述稀土氧化物从所述凹槽底部纵向优先生长，从而使生长完成后所述凹槽内部不会形成孔洞。对于难以实现纵向优先生长的衬底材料，可选地，步骤S0 3可以进一步包括S031 :在所述凹槽中形成阻挡层；S032 :去除形成在所述凹槽底部的所述阻挡层，保留形成在所述凹槽侧壁的所述阻挡层；S033 :在所述凹槽中生长所述稀土氧化物；S034:去除所述凹槽侧壁上未被所述稀土氧化物覆盖的所述阻挡层。本专利技术提供一种，通过在半导体器件的沟道区下方形成稀土氧化物层，在一些特定晶向上稀土氧化物的晶格常数一般约为常见半导体材料如Si、Ge、III-V族化合物半导体材料的两倍左右，通过调整稀土氧化物的成分，可以方便地调整其晶格常数，使其比沟道区材料和或源漏区材料的晶格常数的整数倍稍大或者稍小，通过晶格常数的差异，在外延的过程中向CMOS器件的沟道区和或源漏区引入应力。本专利技术的有益效果体现在(I)由于稀土氧化物的晶格常数随稀土氧化物中稀土元素的种类和含量而变化，故可以根据源漏区和沟道区的材料的晶格常数，通过调节稀土氧化物的种类和组分，在源漏区和沟道区引入所需类型和大小的应力；(2)由于作为应力源的稀土氧化物为晶体生长所得，因此相对于传统的应力引入方式，对沟道区引入的应力更大，对器件迁移率的提升更为显著和有效；(3)利用稀土氧化物的晶体特性，以晶体生长取代传统的源漏区掺入替位式元素或生长应力帽层的应力引入方式，极大地简化了工艺流程。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图I为本专利技术实施例一的半导体结构的示意图；图2为本专利技术实施例二的半导体结构的示意图；图3为本专利技术实施例三的半导体结构的示意图；图4-6为本专利技术实施例一的半导体结构的形成方法的中间步骤的结构示意图；图7为本专利技术实施例二的半导体结构的形成方法的中间步骤的结构示意图；图8-11为本专利技术实施例三的半导体结构的形成方法的中间步骤的结构示意图。具体实施例方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。图I所示为本专利技术实施例一的半导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体结构，其特征在于，包括 半导体衬底； 形成在所述半导体衬底中的凹槽，所述凹槽中填充有稀土氧化物； 部分或全部位于所述稀土氧化物上的沟道区；和 位于所述沟道区两侧的源区和漏区； 其中，所述稀土氧化物的晶格常数a与所述沟道区和或所述源区和漏区的半导体材料的晶格常数b的关系为a=(n土c)b,其中η为整数，c为晶格常数失配率,0〈c彡15%。2.如权利要求I所述的半导体结构，其特征在于，所述凹槽的深度不小于5nm。3.如权利要求I所述的半导体结构，其特征在于，所述稀土氧化物包括(GdhErx)2O3.(GdhNdx)2O3' (EivxNdx)2O3' (Er1^xLax) 203> (PivxLax)2O3' (Pr1^xNdx) 203> (Pr1^xGdx) 203 中的ー种或多种的组合，其中X的取值范围为0-1。4.如权利要求I所述的半导体结构，其特征在于，所述稀土氧化物通过外延生长形成。5.如权利要求I所述的半导体结构，其特征在于，所述源区和漏区以及所述沟道区通过晶体生长的方式形成。6.如权利要求I所述的半导体结构，其特征在于，所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度等于或大于所述凹槽的深度。7.如权利要求I所述的半导体结构，其特征在于，所述凹槽中填充的所述稀土氧化物的厚度小于所述凹槽的深度。8.如权利要求7所述的半导体结构，其特征在于，所述凹槽中填充有所述稀土氧化物的部分侧壁形成有阻挡层。9.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括以下步骤 501:提供半导体衬底； 502:在所述半导体衬底中形成凹槽； 503:在所述凹槽中填充稀土氧化物； 504:在所述稀土氧化物上形成沟道区，以及在所述沟道区两侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：王巍，王敬，郭磊，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：