[發(fā)明專利]一種高鍺濃度鍺硅溝道的制備方法

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• 申請日: 2014-08-20
• 公開（公告）號: CN104332389A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鐘旻
• 申請（專利權(quán)）人: 上海集成電路研發(fā)中心有限公司
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L21/336
• 代理公司: 上海天辰知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31275
• 代理人: 吳世華;林彥之

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高鍺濃度鍺硅溝道的制備的方法。?

背景技術(shù)

隨著晶體管的特征尺寸縮小到納米尺度后，等比例縮小技術(shù)面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中漏電、閾值電壓增大、功耗密度增大、遷移率退化等現(xiàn)象嚴(yán)重。以往通過縮短溝道長度、減薄柵介質(zhì)層厚度等方法解決，但隨著柵介質(zhì)厚度也逐漸減小到物理極限后，以提高載流子遷移率為目的的應(yīng)力工程逐漸成為了主流趨勢。通過提高溝道內(nèi)載流子的遷移率，可以彌補(bǔ)由于溝道高摻雜引起的庫侖相互作用、柵介質(zhì)變薄導(dǎo)致的有效電場強(qiáng)度提高以及界面散射增強(qiáng)等因素引發(fā)的遷移率退化，其中，得到廣泛應(yīng)用的是應(yīng)變硅Strained?Silicon技術(shù)。?

應(yīng)變硅技術(shù)是通過在器件結(jié)構(gòu)和材料的設(shè)計(jì)方面對溝道區(qū)引入應(yīng)變，即應(yīng)力變化，以改變溝道區(qū)襯底的晶格結(jié)構(gòu)，從而提高溝道區(qū)載流子的遷移率，達(dá)到改善器件性能的目的。在溝道區(qū)引入應(yīng)變的方法主要有兩種：一種是在硅襯底上直接異質(zhì)外延生長一層帶有應(yīng)力的溝道材?料；另一種是采用源漏區(qū)異質(zhì)外延，如嵌入式鍺硅Embedded?SiGe，或在器件上覆蓋高應(yīng)力薄膜材料對溝道產(chǎn)生部分應(yīng)力。比較兩種方法：第一種方法溝道應(yīng)變程度更大，但其工藝比較復(fù)雜，成本較高；而后者由于是間接作用于溝道，因此溝道應(yīng)變程度有限，對載流子遷移率的提高較少，但工藝比較簡單，成本較低。因此，源漏端的應(yīng)力工程、刻蝕停止層技術(shù)(CESL)被廣泛應(yīng)用在90納米及以下技術(shù)代。但是，當(dāng)技術(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入20納米以下時，由于溝道區(qū)內(nèi)的應(yīng)力需要進(jìn)一步提高，溝道區(qū)直接外延帶有應(yīng)力的溝道材料將成為發(fā)展趨勢。?

而溝道材料的選擇，硅材料由于自身的載流子遷移速度以及氧化硅介電常數(shù)的限制，當(dāng)器件微小化以后，已經(jīng)無法滿足高性能半導(dǎo)體器件的需求。鍺硅材料，具有如下優(yōu)點(diǎn)，成為硅材料的理想替代材料：?

1.空穴遷移率是硅的2～3倍，電子遷移率是硅的2倍；?

2.禁帶寬度比較小，有利于發(fā)展低電壓器件。?

3.施主/受主的激活溫度遠(yuǎn)低于硅，有利于節(jié)省熱預(yù)算；?

4.小的禁帶寬度，有助于組合介電材料，降低漏電流。?

Intel在其90納米技術(shù)代中首次引入鍺硅做為溝道材料來提高場效應(yīng)管的溝道遷移率，降低閾值電壓。對于P型場效應(yīng)管而言，由于鍺硅?的空穴遷移率是硅的2-3倍，其有益效果尤為明顯。因此鍺硅更多地被用來作為提升P型場效應(yīng)管的溝道材料來提高其空穴遷移率。?

鍺硅中鍺的濃度越高，其溝道應(yīng)力就越大，空穴遷移率也越高。但由于鍺與硅的晶格常數(shù)存在4.2％的晶格失配，直接在硅襯底上外延生長高鍺濃度的鍺硅薄膜會導(dǎo)致薄膜內(nèi)產(chǎn)生大量位錯等缺陷，若將其用作溝道材料，將嚴(yán)重影響器件性能。為提供器件需要的鍺硅薄膜，現(xiàn)有工藝提供的方法是：首先在硅襯底上外延生長較厚的低鍺濃度的鍺硅層作為緩沖層，然后再外延生長高鍺濃度的鍺硅薄膜。但實(shí)際操作時，當(dāng)要求鍺硅薄膜達(dá)到鍺濃度大于40％時，需要幾百納米厚的低濃度鍺硅層作為緩沖層。現(xiàn)有技術(shù)的這種方法，既造成了鍺材料和生產(chǎn)產(chǎn)能的浪費(fèi)，又限制其不能運(yùn)用到20納米以下技術(shù)代的器件，更不能解決鍺濃度越高，生長的鍺硅薄膜越容易產(chǎn)生位錯等缺陷的問題。因此，需要一種能制備低缺陷密度的高鍺濃度的鍺硅薄膜的方法。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提高作為溝道材料的鍺硅薄膜中鍺的濃度，以增加溝道的空穴遷移率，降低閾值電壓，提升器件性能；同時減少該鍺硅薄膜的缺陷密度，提高器件良率。?

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種高鍺濃度鍺硅溝道的制備方法，在硅襯底上制備低鍺濃度的鍺硅薄膜，通過氧化轉(zhuǎn)化為高鍺濃度的鍺硅薄膜以及其表面的二氧化硅層，再去除表面的二氧化硅層，形成高鍺濃度的鍺硅薄膜作為溝道；?

可選的，所述低鍺濃度的鍺硅的制備方法是外延，化學(xué)氣相沉積，物理氣相沉積和原子層沉積；?

優(yōu)選的，所述低鍺濃度的鍺硅的制備溫度為25℃～600℃；?

優(yōu)選的，所述低鍺濃度的鍺硅中鍺濃度為0.1％～20％，制備的鍺硅厚度0.1～40納米；?

可選的，所述轉(zhuǎn)化低鍺濃度鍺硅為高鍺濃度的氧化，氧化溫度為300℃～600℃，氧化反應(yīng)氣體為氧氣或水汽，氧化時間為5～100分鐘；?

優(yōu)選的，所述氧化形成的高鍺濃度鍺硅中鍺的濃度為25％～50％；?

優(yōu)選的，所述高鍺濃度的鍺硅中鍺濃度分布為整體均勻的矩形分布或從表面往里濃度遞減的梯形分布；?

可選的，所述去除表面的二氧化硅的方法是刻蝕或化學(xué)機(jī)械拋光；?

優(yōu)選的，所述刻蝕是濕法刻蝕或干法刻蝕；?