专利名称：锗硅选择性外延生长预处理方法
技术领域：
本发明属于半导体集成电路制造领域，尤其涉及一种锗硅选择性外延生长之前预处理方法，以避免预处理过程中等离子体对侧墙的蚀刻，提升锗硅薄膜生长的质量。
背景技术：
随着集成工艺技术进入到深亚微米的工艺条件下，常规的微缩方法遇到了以短沟道效应为核心的一系列问题。例如，当器件进一步微缩，随着电流密度的增大，迁移率的提升成为保持晶体管性能的关键所在。近年来，由于应变工程技术(Strain Engineering)可以在45nm及以下工艺中运用，通过在PMOS晶体管的源/漏极区域，导入局部的单向的拉伸或压缩应力到MOSFET的沟道中，以提升晶体管沟道内的载流子迁移率，从而在栅氧厚度变薄或保持不变的情况下使驱动电流大幅增长，从而提高PMOS器件速度。其中，填充蚀刻掉的源/漏极区域的选择性外延技术生长的锗硅外延层是应变工程技术目前能得到应用的主要前沿技术之一。一般而言，一项完整的外延工艺首先需要根据实现的工艺结果对器件进行预处理，就目前工艺集成来说，主要用来清除表面的自然氧化而产生的氧化硅和其他杂质，为后续的外延生长准备出洁净的硅表面状态，否则，会影响随后的薄膜的生长，继而影响薄膜质量以及应变效果。由此可见，在选择性外延技术生长出锗硅外延层之前，对硅表面进行预处理十分重要。目前采用的一种预处理的步骤如下参见图1A，提供一器件，所述器件包括衬底100，在衬底100上形成有浅槽隔离 (STI) 102，在衬底100和STI102的表面上由下至上依次形成包括有栅氧化层104和多晶硅栅106，在所述栅氧化层104和所述多晶硅栅106的侧壁上形成有氧化物侧墙108，在所述氧化物侧墙108上形成有氮化物侧墙110，在衬底100上形成有源极区域112和漏极区域 114。所述氧化物侧墙108使用的材料可以为二氧化硅(SiO2),所述氮化物侧墙110使用的材料可以为氮化硅。此时，在PMOS晶体管的源极区域112和漏极区域114的表面上形成一层自然氧化层116 (Native Oxide)。参见图1B，从反应腔体外向上述器件通入氨气(NH3)和三氟化氮(NF3)等离子体， 所述NH3和所述NF3之间会发生反应，产生可以和自然氧化层116(即氧化硅)发生反应的物质，并生成一种固化物(即(NH4)2SiF6),其生成固化物的化学反应方程式为NF3+NH3 — NH4F+NH4F. HF(1)NH4F+Si02 — (NH4) 2SiF6+H20(2)NH4F. HF+Si02 — (NH4) 2SiF6+H20(3)由化学反应方程式(1)可知，NH3和NF3经过化学反应可以生成用来蚀刻固化物 ((NH4) 2SiF6)的NH4 F (氟化铵)和NH4 F. HF,所述NH4 F和所述NH4F. HF均为等离子体态； 由化学反应方程式⑵可知，在温度小于30摄氏度时，NH4F和NH4 F. HF蚀刻氧化硅时均可生成(NH4)2SiFf^PH2OGJOt5
但是，这种等离子体不仅和氧化硅反应生成一种固化物，也要和氮化物侧墙 110(即氮化硅，Si3N4)反应生成同一种固化物，生成固化物的化学反应方程式为NH4F+Si3N4^ (NH4) 2SiF6+NH3 (4)NH4F. HF+Si3N4 ^ (NH4) 2SiF6+NH3 (5)由化学反应方程式⑷可知，在温度小于30摄氏度时，NH4 F和NH4 F. HF也能分别蚀刻氮化硅，生成(NH4)2SiFf^PNHy参见图1C，加热至100 200度左右让固化物分解成气体挥发掉。(NH4)2SiF6 ^ SiF4 个 +NH3 个 +HF 个(6)同样，H2O也会在此温度下被挥发掉。参见图1D，因此，采用这种预处理的方法，会蚀刻氮化硅侧墙，继而造成侧墙关键尺寸(CD)的减少，影响后续的一些关键器件的性能。综上所述，选择性外延技术生长锗硅之前进行预处理十分重要，需要寻求解决办法来消除目前预处理过程中等离子体对侧墙的蚀刻，以及对锗硅薄膜生长质量的影响，但在实际的实施过程中仍然存在着问题，亟待引进能有效改善上述缺陷的新方法，以解决应变工程技术在半导体集成工艺中运用时所面临如何改善短沟道效应等一系列的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能锗硅选择性外延生长预处理方法。为解决上述问题，本发明提出的一种锗硅选择性外延生长预处理方法，包括如下步骤向反应腔体中的器件通入氢气等离子体；所述器件上的自然氧化层与氢气等离子体进行化学反应后生成水汽；加热所述器件直至水汽挥发掉；在所述器件的源/漏极区域进行锗硅选择性外延生长。因为本发明向反应腔体中的器件表面通入氢气等离子体，使氢气等离子(活性氢)可以容易得与所述器件上的自然氧化层发生反应生成水汽，然后加热所述器件，使水汽挥发掉。然而，氢气等离子体与氮化硅侧墙却很难发生反应，所以基本上不会刻蚀氮化硅侧墙，从而避免了 NH3和NF3等离子体带来的对氮化硅侧墙的蚀刻这个副作用，解决了侧墙关键尺寸(CD)的减少的问题。因此，经过上述步骤，可以清除所述器件表面的自然氧化层， 为后续的外延生长准备出了洁净的硅表面状态，不会影响后续的一些关键器件的性能，提高了锗硅薄膜生长的质量，进而提升了应变效果，工艺简单且易实施。
图IA至图ID为现有技术中一种锗硅选择性外延生长预处理方法；图2为本发明一种锗硅选择性外延生长预处理的方法流程；图3A至图3D为本发明一种锗硅选择性外延生长预处理方法。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。参见图2，本发明所提供的一种锗硅选择性外延生长预处理方法流程为SlOO 向反应腔体中的器件通入氢气等离子体；SlOl 所述器件上的自然氧化层与氢气等离子体进行化学反应后生成水汽挥发掉；S102 在所述器件的源/漏极区域进行锗硅选择性外延生长。下面以图2所示的方法流程为例，结合附图3A至3D，仅以PMOS晶体管为例对一种锗硅选择性外延生长预处理的方法工艺进行详细描述，本领域的技术人员应当知晓如何将该方法应用于NMOS晶体管的源/漏极区域。SlOO 向反应腔体中的器件通入氢气等离子体。首先，参见图3A，将器件放入到反应腔体中。所述器件包括衬底300，在衬底300 上形成有浅槽隔离(STI) 302，在衬底300和STI302的表面上由下至上依次形成包括有栅氧化层304和多晶硅栅306，在所述栅氧化层304和所述多晶硅栅306的侧壁上形成有氧化物侧墙308，在所述氧化物侧墙308上形成有氮化物侧墙310，在衬底300上形成有源极区域 312和漏极区域314。所述氧化物侧墙308使用的材料可以为二氧化硅(SiO2),所述氮化物侧墙310使用的材料可以为氮化硅。此时，在PMOS晶体管的源极区域312和漏极区域314 的表面上形成一层自然氧化层316。然后，参见图3B，为了去除自然氧化层316，优选的，从反应腔体外向上述器件通入氢气等离子体，所述氢气等离子体的通入流量为IOOsccm lOOOOsccm，通入时间为 20s 60s，所述反应腔体中的温度为150摄氏度至600摄氏度，压力2托至10托。其中，所述氢气等离子体还可以由反应腔体外通入原位氢气，并在反应腔体中进行原位等离子体工艺而产生。所述原位氢气在反应腔体中产生氢气等离子体的原位等离子体的具体工艺参数包括工作压力为2托至10托，反应温度为150摄氏度至600摄氏度，所述氢气通入的流量为IOOsccm至lOOOOsccm，通入时间为20s 60s，射频功率为50瓦 1000瓦。。SlOl 所述器件上的自然氧化层与氢气等离子体进行化学反应后生成水汽挥发掉。参见图3C，所述氢气等离子体与自然氧化层316反应，其生成固化物(Si)的化学反应方程式为H*+Si02 — Si+H20 个 G =-285kJ/mol(7)同时，伴随着氢气等离子体与氮化硅的反应，其生成固化物(Si)的化学反应方程式为H*+Si3N4 — Si+NH3 G = -12. 67kJ/mol(8)根据化学反应方程式(7)和化学反应方程式(8)中的分别生成硅(Si)晶体所需要能量引起的吉布斯自由能变化(G)推算，氢离子很难和氮化硅反应，所以基本上不会刻蚀氮化物侧墙310，从而避免了 NH3和NF3等离子体带来的对氮化物侧墙310的蚀刻这个副作用，解决了侧墙关键尺寸(CD)的减少的问题，不会影响后续的一些关键器件的性能，工艺简单且易实施。S102 在所述器件的源/漏极区域进行锗硅选择性外延生长。参见图3D，自然氧化层316被清除以后，就可以在PMOS晶体管的源极区域312和漏极区域314进行选择性外延技术生长出锗硅外延层318。由上述技术方案可知，与现有技术中采用NH3和NF3去除PMOS晶体管的源极区域 312和漏极区域314表面上的自然氧化层316的工艺相比，本发明向反应腔体中的器件表面通入氢气等离子体，因为活性氢与自然氧化层316容易发生反应生成水汽。且活性氢与氮化物侧墙310却很难发生反应，从而避免了 NH3和NF3等离子体带来的对氮化物侧墙310 的蚀刻这个副作用，解决了侧墙关键尺寸(CD)的减少的问题。因此，通过本发明可以清除 PMOS晶体管的源极区域312和漏极区域314表面上的自然氧化层316，为后续的外延生长准备出了洁净的硅表面状态，不会影响后续的一些关键器件的性能，提高了锗硅薄膜生长的质量，进而提升了应变效果，工艺简单且易实施。本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种锗硅选择性外延生长预处理方法，包括如下步骤向反应腔体中的器件通入氢气等离子体；所述器件上的自然氧化层与氢气等离子体进行化学反应后生成水汽挥发掉；在所述器件的源/漏极区域进行锗硅选择性外延生长。
2.根据权利要求1所述的锗硅选择性外延生长预处理方法，其特征在于所述氢气等离子体是由反应腔体外通入的。
3.根据权利要求2所述的锗硅选择性外延生长预处理方法，其特征在于所述氢气等离子体的通入流量为IOOsccm至lOOOOsccm，通入时间为20s至60s。
4.根据权利要求2所述的锗硅选择性外延生长预处理方法，其特征在于所述反应腔体中的温度为150摄氏度至600摄氏度，压力为2托至10托。
5.根据权利要求1所述的锗硅选择性外延生长预处理方法，其特征在于所述氢气等离子体是由反应腔体外通入原位氢气，并在反应腔体中进行原位等离子体工艺而产生的。
6.根据权利要求5所述的锗硅选择性外延生长预处理方法，其特征在于所述原位氢气的通入流量为IOOsccm至lOOOOsccm，通入时间为20s至60s。
7.根据权利要求5所述的锗硅选择性外延生长预处理方法，其特征在于所述原位等离子体中的工作压力为2托至10托，反应温度为150摄氏度至600摄氏度，射频功率为50 瓦至1000瓦。
全文摘要
本发明提出一种锗硅选择性外延生长预处理方法，包括如下步骤向反应腔体中的器件通入氢气等离子体；所述器件上的自然氧化层与氢气等离子体进行化学反应后生成水汽挥发掉；在所述器件的源/漏极区域进行锗硅选择性外延生长。由上述技术方案的实施，避免了预处理过程中等离子体对侧墙的蚀刻，提升锗硅薄膜生长的质量。
文档编号H01L21/20GK102496574SQ20111036617
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者张文广, 徐强, 郑春生, 陈玉文 申请人:上海华力微电子有限公司