一种高锗浓度锗硅沟道的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高锗浓度锗硅沟道的制备方法，其步骤依次为，在硅衬底上制备低锗浓度的锗硅，通过低温氧化转化为高锗浓度的锗硅以及其表面的二氧化硅，再去除表面的二氧化硅，形成高锗浓度的锗硅作为沟道。通过这种方法，能有效提高作为沟道材料的锗硅薄膜中锗的浓度以增加沟道的空穴迁移率，降低阈值电压，提升器件性能，同时减少锗硅薄膜的缺陷密度，提高器件良率，而且工艺成熟易操作，稳定性好，操作时间短，适合大批量生产，制备成本低廉。
【专利说明】一种高锗浓度锗硅沟道的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路【技术领域】，特别涉及一种高锗浓度锗硅沟道的制备的方法。
【背景技术】
[0002]随着晶体管的特征尺寸缩小到纳米尺度后，等比例缩小技术面临着越来越严峻的挑战，其中漏电、阈值电压增大、功耗密度增大、迁移率退化等现象严重。以往通过缩短沟道长度、减薄栅介质层厚度等方法解决，但随着栅介质厚度也逐渐减小到物理极限后，以提高载流子迁移率为目的的应力工程逐渐成为了主流趋势。通过提高沟道内载流子的迁移率，可以弥补由于沟道高掺杂引起的库仑相互作用、栅介质变薄导致的有效电场强度提高以及界面散射增强等因素引发的迁移率退化，其中，得到广泛应用的是应变硅StrainedSilicon 技术。
[0003]应变硅技术是通过在器件结构和材料的设计方面对沟道区引入应变，即应力变化，以改变沟道区衬底的晶格结构，从而提高沟道区载流子的迁移率，达到改善器件性能的目的。在沟道区引入应变的方法主要有两种:一种是在硅衬底上直接异质外延生长一层带有应力的沟道材料；另一种是采用源漏区异质外延，如嵌入式锗娃Embedded SiGe,或在器件上覆盖高应力薄膜材料对沟道产生部分应力。比较两种方法:第一种方法沟道应变程度更大，但其工艺比较复杂，成本较高；而后者由于是间接作用于沟道，因此沟道应变程度有限，对载流子迁移率的提高较少，但工艺比较简单，成本较低。因此，源漏端的应力工程、刻蚀停止层技术(CESL)被广泛应用在90纳米及以下技术代。但是，当技术节点进入20纳米以下时，由于沟道区内的应力需要进一步提高，沟道区直接外延带有应力的沟道材料将成为发展趋势。
[0004]而沟道材料的选择，硅材料由于自身的载流子迁移速度以及氧化硅介电常数的限制，当器件微小化以后，已经无法满足高性能半导体器件的需求。锗硅材料，具有如下优点，成为硅材料的理想替代材料:
[0005]1.空穴迁移率是硅的2?3倍，电子迁移率是硅的2倍；
[0006]2.禁带宽度比较小，有利于发展低电压器件。
[0007]3.施主/受主的激活温度远低于硅，有利于节省热预算；
[0008]4.小的禁带宽度，有助于组合介电材料，降低漏电流。
[0009]Intel在其90纳米技术代中首次引入锗硅做为沟道材料来提高场效应管的沟道迁移率，降低阈值电压。对于P型场效应管而言，由于锗硅的空穴迁移率是硅的2-3倍，其有益效果尤为明显。因此锗硅更多地被用来作为提升P型场效应管的沟道材料来提高其空穴迁移率。
[0010]错娃中错的浓度越闻，其沟道应力就越大，空穴迁移率也越闻。但由于错与娃的晶格常数存在4.2%的晶格失配，直接在硅衬底上外延生长高锗浓度的锗硅薄膜会导致薄膜内产生大量位错等缺陷，若将其用作沟道材料，将严重影响器件性能。为提供器件需要的锗硅薄膜，现有工艺提供的方法是:首先在硅衬底上外延生长较厚的低锗浓度的锗硅层作为缓冲层，然后再外延生长高锗浓度的锗硅薄膜。但实际操作时，当要求锗硅薄膜达到锗浓度大于40%时，需要几百纳米厚的低浓度锗硅层作为缓冲层。现有技术的这种方法，既造成了锗材料和生产产能的浪费，又限制其不能运用到20纳米以下技术代的器件，更不能解决锗浓度越高，生长的锗硅薄膜越容易产生位错等缺陷的问题。因此，需要一种能制备低缺陷密度的高锗浓度的锗硅薄膜的方法。
【发明内容】
[0011]本发明要解决的技术问题是，提高作为沟道材料的锗硅薄膜中锗的浓度，以增加沟道的空穴迁移率，降低阈值电压，提升器件性能；同时减少该锗硅薄膜的缺陷密度，提高器件良率。
[0012]为解决上述问题，本发明提供一种高锗浓度锗硅沟道的制备方法，在硅衬底上制备低锗浓度的锗硅薄膜，通过氧化转化为高锗浓度的锗硅薄膜以及其表面的二氧化硅层，再去除表面的二氧化硅层，形成高锗浓度的锗硅薄膜作为沟道；
[0013]可选的，所述低锗浓度的锗硅的制备方法是外延，化学气相沉积，物理气相沉积和原子层沉积；
[0014]优选的，所述低锗浓度的锗硅的制备温度为25°C?600°C ；
[0015]优选的，所述低锗浓度的锗硅中锗浓度为0.1%?20%，制备的锗硅厚度0.1?40纳米；
[0016]可选的，所述转化低锗浓度锗硅为高锗浓度的氧化，氧化温度为300°C?600°C，氧化反应气体为氧气或水汽，氧化时间为5?100分钟；
[0017]优选的，所述氧化形成的高锗浓度锗硅中锗的浓度为25%?50% ；
[0018]优选的，所述高锗浓度的锗硅中锗浓度分布为整体均匀的矩形分布或从表面往里浓度递减的梯形分布；
[0019]可选的，所述去除表面的二氧化硅的方法是刻蚀或化学机械抛光；
[0020]优选的，所述刻蚀是湿法刻蚀或干法刻蚀；
[0021]优选的，所述湿法刻蚀采用稀氢氟酸溶液为腐蚀药液，浓度为0.1%?30%。
[0022]本发明提供了一种高锗浓度锗硅沟道的制备方法。器件的沟道，采用锗硅作为应变材料，通过锗硅材料本身的应力变化对器件沟道区引入应变，改变沟道区的晶格结构，可以提高载流子的迁移率，达到提升器件性能的目的。本发明的技术方案所提供的这种形成高锗浓度锗硅作为器件沟道的方法，既提高了沟道区载流子的迁移率，又能够降低锗硅中的缺陷密度，提高器件良率。
[0023]作为沟道区的锗硅，往往其厚度仅需要几十纳米，却要求其浓度很高，直接在硅衬底上沉积高浓度锗硅会因为锗/硅之间的晶格失配，在薄膜中产生大量位错等缺陷，造成极低的器件良率。现有技术的解决方法如附图1所示，其中X和y为不同锗硅层中锗的摩尔浓度。首先在硅衬底101上外延生长较厚的低锗浓度的锗硅层102作为缓冲层buffer，然后再外延生长高锗浓度的锗硅薄膜103作为器件沟道区。通过使用低锗浓度的锗硅缓冲层使锗/硅之间的晶格常数差异可以缓慢变化。但在实际器件制备中，为了使锗硅满足作为沟道材料的锗浓度要求40%，需要生长几百纳米厚的低浓度锗硅层作为缓冲层。锗是稀缺性材料。现有工艺的做法造成了锗材料极大的浪费，并且极大占用了外延机台的生产产能；这种几百纳米厚的低锗结构本身并不能作为器件的组成部分，只是为防止高浓度锗和硅的原子晶格失配的缓冲，却垫高了实际的器件沟道，这将不利于制备20纳米以下技术代的器件，限制了器件的升级；更重要的是，即使使用缓冲层工艺，运用现有技术生产的锗硅，仍不能避免随着锗浓度升高，所生长的锗硅薄膜缺陷密度也越高的问题。
[0024]本发明所提供了一种高锗浓度锗硅沟道的制备方法，可以解决现有技术的一系列问题，如附图2所示。具体步骤为:首先在硅衬底上制备低锗浓度锗硅薄膜，然后通过氧化转化为高锗浓度的锗硅薄膜以及其表面的二氧化硅，再去除表面的二氧化硅，最终形成高锗浓度的锗硅作为沟道。通过本发明提供的方法，只需生长较薄的低锗浓度锗硅薄膜，运用常用的氧化工艺，使锗硅层中的硅被氧化气体俘获，并与之反应生成二氧化硅滞留在锗硅层表面。这样就能使锗由于娃的减少富集于锗娃薄膜与二氧化娃界面，出现高锗浓度的锗硅层。一开始只是一个原子长度，随着氧化时间增加，更多的硅被俘获生成二氧化硅，高锗浓度锗硅层的厚度展宽变厚。调节氧化工艺时间和温度，可以使高锗浓度锗硅层厚度和浓度分布满足作为器件沟道的要求。最后去除表面二氧化硅，留下的便是转化完成的可以作为沟道的高锗浓度锗硅。
[0025]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0026]本发明方法省略了生长厚度为几百纳米的低锗浓度的锗硅缓冲层的步骤，代之以先沉积厚度较薄的低锗浓度锗硅薄膜，再通过低温氧化提高锗浓度的方法。这样不仅能够节省材料锗；缩短工艺时间，节省生产产能；更重要的是，去除几百纳米厚的低锗浓度锗硅缓冲层能够大大减小实际器件沟道的高度，使本发明方法有很好的工艺延展性，不仅适应90纳米技术代器件的要求，更能向下延伸以满足20纳米及以下技术代器件的要求。本发明方法所选用的低温氧化手段是标准半导体工艺中常规的低温氧化过程:温度范围在600°C以下，使用的氧化反应气体也是常规的氧气和水汽。本发明所述的低温氧化是相对于800°C和800°C以上的生成二氧化硅介质的氧化工艺而言，其工艺成熟稳定，易操作，适合大规模生产。本发明选择在低温热过程中氧化锗硅，并在其表面产生二氧化硅，以俘获并滞留硅在锗硅层以外。而锗硅薄膜中的锗由于硅地不断减少，开始富集，首先聚集在氧化生成的二氧化硅和锗硅薄膜的界面形成高锗浓度的聚集薄层，然后随着硅浓度地进一步降低，高锗浓度薄层进一步扩展，并慢慢往锗硅薄膜内部扩散。高锗浓度聚集薄层扩展成聚集区，最终提升锗硅中锗的浓度，有效提高锗硅薄膜中的载流子迁移率，即空穴迁移率，提升器件尤其是P型场效应管性能。本发明所述的低温氧化较二氧化硅介质氧化所需的温度低，比现有技术所采用的近1000°c外延工艺温度更低。低温的好处在于:第一，可以有效控制器件的整体热预算，第二，低温降低了锗硅薄膜的氧化速率，避免快速氧化造成锗浓度过快聚集而产生位错缺陷，第三，降低氧化反应生成的二氧化硅表面粗糙度。本发明方法在节省原材料，简化工艺步骤，提高设备效率的同时，还能避免传统外延沉积高锗浓度的锗硅容易产生位错的问题，制备工艺简单稳定，成本低廉。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是现有技术形成锗硅沟道的制造工艺示意图；
[0028]图2是本发明形成高锗浓度锗硅沟道的制造工艺示意图；
[0029]图3(a)?图3(d)是本发明实施例一高锗浓度锗硅沟道制造工艺步骤示意图；
[0030]图4是本发明实施例二高锗浓度锗硅沟道制造工艺步骤示意图。
【具体实施方式】
[0031]为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0032]实施例一
[0033]请参考图3(a)?图3(d)，为本发明实施例一，形成高锗浓度锗硅沟道制造工艺步骤示意图。
[0034]本实施例所述器件属于40纳米技术代，通过采用低温氧化的方法生成高锗浓度的锗硅材料作为器件沟道。具体工艺步骤如下:
[0035]如附图3(a)所示，在硅衬底301上通过低温外延方法沉积厚度为40纳米的低锗浓度的锗硅薄膜302，薄膜中锗浓度为15% ；
[0036]然后，如附图3(b)所示，在580°C温度条件下氧化硅片，通入的氧化气体为水汽H20和氧气02，氧化时间为50分钟。氧化结果为，在锗硅薄膜表面形成二氧化硅Si02层303。高锗浓度区集聚在锗硅薄膜顶部，与二氧化硅层形成界面，锗硅薄膜中最大的锗浓度也被提升至30%，形成具有锗浓度为梯形分布的锗硅薄膜302 ；
[0037]如附图3(c)所示，用化学机械抛光去除表面的二氧化硅:抛光液为氧化铈Ce02抛光液，抛光压力为1.5磅/平方英寸(psi)，采用终点检测方法保证表面的Si02去除干净。最终形成作为器件沟道区的高锗浓度的锗硅薄膜302。
[0038]在上述的氧化过程中，锗、硅与氧化气体发生了以下化学反应:
[0039]Si+02 — S12 ( AG—732kJ/mol)
[0040]Gc+02 — GoO2 ( Δ G—376kJ/mol)
[0041 ] Ge02+Si — Si02+Ge ( Δ G—365kJ/mol)
[0042]参照以上化学反应方程式，由于吉布斯能的差异(」G)，在热氧化过程中，锗硅SiGe中的硅会与氧气02反应，在锗硅SiGe表面生成二氧化硅Si02。锗硅SiGe中的锗也会与氧气02反应生成氧化锗Ge02,但由于氧化锗化学性质Ge02不稳定,它会继续与娃反应再生成二氧化硅Si02和锗。生成的锗会重新扩散到锗硅SiGe和二氧化硅Si02的界面并进行不断聚集，从而首先提升了界面锗硅SiGe中的锗的浓度，然后随着氧化反应的继续慢慢向低锗浓度的区域扩散，形成锗浓度分布从表面往里浓度递减的梯形分布。
[0043]在实际制造过程中，锗硅SiGe中锗的浓度分布并不是单一不变的，而是可以通过热氧化的工艺条件进行调节，形成的高锗浓度的锗硅SiGe，其锗的浓度可以是从表面往里浓度递减的，也可以是整体均匀的。本实施例中，如附图3(d)所示，氧化形成的锗硅SiGe，其锗的浓度是从表面往里浓度递减变化的，最高浓度区域302a，浓度提高了两倍，由原先的15%提高为30%。而靠近衬底的区域302b，其浓度变化不大。由于器件有效沟道的深度的一般定义在10纳米以内，只要保证氧化后的锗硅SiGe薄膜表面存在连续的且锗浓度显著提升的锗硅SiGe薄膜302a，以此作为沟道区，就可以提高沟道中的空穴迁移率。从试验数据以及实施例二的结果表明，本实施例中浓度达到30%的高锗浓度锗硅区302a的厚度，即沟道区深度，远大于10纳米。
[0044]本实施例中采用的低温氧化温度为580°C，相对一般的二氧化硅介质氧化的温度要低。这是为了避免氧化反应的化学反应速度太快，出现由于锗硅SiGe薄膜内锗浓度富集速度太快而导致出现位错等缺陷；并且过快的氧化反应也容易造成其氧化生成的Si02表面粗糙度过大。另外，氧化反应温度太高还会超过器件的热预算，导致器件良率下降，性能变差。
[0045]实施例二:
[0046]请参考图4，为本发明实施例二，形成高锗浓度锗硅沟道制造工艺步骤示意图，其中X为不同锗硅层中锗的摩尔浓度。
[0047]本实施例所述器件属于28纳米技术代，通过采用低温氧化的方法生成高锗浓度的锗硅材料作为器件沟道。具体工艺步骤如下:
[0048]在硅衬底401上用原子层沉积生成12纳米的锗硅SiGe薄膜402，薄膜中锗浓度为20% ；
[0049]在450°C温度条件下热氧化硅片，通入的氧化气体为氧气02，氧化时间为30分钟。锗娃薄膜表面形成二氧化娃Si02层403,锗娃SiGe薄膜中锗浓度提升至40%,形成连续的高锗浓度的锗硅SiGe薄膜；
[0050]然后用湿法刻蚀去除表面的二氧化硅Si02，腐蚀药剂采用5%氢氟酸溶液。最终形成作为器件沟道区的高锗浓度的锗硅。
[0051]通过450°C，30分钟的通入氧气的氧化，12纳米厚的锗硅SiGe薄膜内的锗浓度提升至40%，且在整个薄膜中实现高锗浓度的均匀分布。本实施例采用沉积薄的低锗浓度锗硅SiGe薄膜，一方面是考虑到需要降低热氧化的温度，缩短工艺的时间以符合28纳米技术代的器件热预算，另一方面是为了保证生成高锗浓度的锗硅薄膜，同时还能提高生产效率。本实施例氧化温度较实施例一更低。这是为了避免氧化时发生的化学反应速度太快，出现由于锗硅SiGe薄膜内锗浓度富集太快而导致的位错等缺陷产生。同样的，厚度为12纳米，高锗浓度均匀分布的锗硅SiGe薄膜也完全能够满足作为器件沟道区的要求，即有效沟道区深度大于10纳米。
[0052]本实施例采用低浓度的氢氟酸去除二氧化硅。在保证完全去除表面的二氧化硅Si02的同时，也可以改善锗硅SiGe薄膜表面的粗糙度。
[0053]综上所述，本发明通过低温氧化实现提升低锗浓度的锗硅SiGe薄膜中锗浓度，特别是提升锗硅SiGe薄膜表面的锗浓度，避免了现有技术中采用外延方法淀积厚的锗硅SiGe缓冲层，造成器件厚度增加的缺点。本发明通过反应离子刻蚀、湿法刻蚀或者化学机械抛光等方法去除表面的二氧化硅Si02，在保证去除Si02的同时也保证了高锗浓度的锗硅SiGe薄膜表面粗糙度小，化学性质不发生改变。
[0054]相较于现有技术的外延方法，本发明通过低温氧化，能有效制备出高锗浓度的锗硅薄膜，提高沟道的空穴迁移率，提升P型场效应管性能；同时控制氧化反应速率，避免了高锗浓度的锗硅SiGe薄膜内产生位错等缺陷，提高了器件良率。
[0055]上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
【权利要求】
1.一种高锗浓度锗硅沟道的制备方法，其特征在于，在硅衬底上制备低锗浓度的锗硅，通过氧化转化为高锗浓度的锗硅以及其表面的二氧化硅，再去除表面的二氧化硅，形成高锗浓度的锗硅作为沟道。
2.如权利要求1所述的高锗浓度锗硅沟道的制备方法，其特征在于所述的低锗浓度的锗硅的制备方法是外延，化学气相沉积，物理气相沉积和原子层沉积。
3.如权利要求1所述的高锗浓度锗硅沟道的制备方法，其特征在于所述的低锗浓度的锗硅的制备温度为25°C?600°C。
4.如权利要求1所述的高锗浓度锗硅沟道的制备方法，其特征在于所述的低锗浓度的锗硅中锗浓度为0.1 %?20%，制备的锗硅厚度0.1?40纳米。
5.如权利要求1所述的高锗浓度锗硅沟道的制备方法，其特征在于所述将低锗浓度锗硅转化为高锗浓度的氧化，氧化温度为300°C?600°C,氧化反应气体为氧气或水汽,氧化时间为5?100分钟。
6.如权利要求5所述的高锗浓度锗硅沟道的制备方法，其特征在于所述氧化形成的高锗浓度锗硅中锗的浓度为25%?50%。
7.如权利要求1所述的高锗浓度锗硅沟道的制备方法，其特征在于所述的高锗浓度的锗硅中锗浓度分布为整体均匀的矩形分布或从表面往里浓度递减的梯形分布。
8.如权利要求1所述的高锗浓度锗硅沟道的制备方法，其特征在于所述的去除表面的二氧化硅的方法是刻蚀或化学机械抛光。
9.如权利要求8所述的高锗浓度锗硅沟道的制备方法，其特征在于所述的刻蚀是湿法刻蚀或干法刻蚀。
10.如权利要求9所述的高锗浓度锗硅沟道的制备方法，其特征在于所述的湿法刻蚀采用稀氢氟酸溶液为腐蚀药液，浓度为0.1 %?30%。
【文档编号】H01L21/336GK104332389SQ201410410397
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】钟旻 申请人:上海集成电路研发中心有限公司