专利名称：压缩SiGe〈110〉生长的MOSFET器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及先进的互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管器件的设 计和材料工艺，更具体地说涉及压缩应变SiGe材料。
背景技术：
随着CMOS晶体管器件尺寸的下降，提高电路的性能的方法变得更重 要。做此事的一种方法是增强沟道区域中载流子的迁移率；即增强电子或 空穴迁移率。这可以通过几种方法实现1. 在珪衬底上使用不同的Si晶格尺寸以获得应变。 一般地，驰豫SiGe 过渡层上应变硅或SOI上应变硅(SSDOI)在高Ge浓度SiGe合金下表现 出N-FET上约2x的电子迁移率的增强和p-FET上50 %的空穴迁移率的增 强。其很大程度上是因为硅处在双轴拉伸应变下。然而，大多数这样的拉 伸应变Si包括高密度的缺陷。2. 在如SKllO村底的不同表面取向硅上制造MOSFET在P-FET中 表现出 1.5x的空穴迁移率增强但是N-FET的电子迁移率却有相当大的下 降。Min Yang在IEDM 2003上描述了 一种混合取向村底，其将Si<110> 衬底和Si〈10O衬底结合在一起，以便在Si〈110村底上制造P-FET用于 增强空穴迁移率并且在SKIOO上制造N-FET以保持N-FET的性能。发明内容需要一种在CMOS中获得空穴和电子载流子的增强的解决方法。 本发明提供一种具有增强的载流子迁移率的半导体材料，其包括在双 轴压缩应变下的具有<110>表面晶向的SiGe合金层。双轴压缩应变表示由
纵向压缩应力和横向压缩应力引起的净应力，其在半导体材料生长期间在SiGe合金层的平面内引起。可以通过在如Si或SiGe的具有较小晶格间隔的基层或衬底上形成层 在SiGe层中形成双轴压缩应变，其中Ge的浓度小于在其上的压缩应变层 中的Ge浓度。可以通过在如SiGe的具有较大晶格间隔的基层或衬底上外延形成层 在SiGe层中形成双轴拉伸应变，其中Ge的浓度大于在其上的拉伸应变层 中的Ge浓度。本发明的半导体材料包括具有双轴压缩应变的<110>表面取向的SiGe 合金层，为N-MOS和P-MOS场效应晶体管提供增强的迁移率。本发明的另 一个方面涉及形成本发明的半导体材料的方法，其中本发 明的方法包括如下步骤提供硅锗合金<110>层；在此硅锗合金含<110>层 中具有双轴压缩应变。在一个实施例中，通过包括如下步骤的方法制造具有<110>表面取向 和双轴压缩应变的SiGe合金层。使用如下步骤处理Si或SiGe〈110衬底表面23。C的DI水中10ppm 的臭氧，100:1的稀氢氟酸lmin， DI水冲洗5min，在23。C的DI水中1:100 体积比的盐酸，最后DI水冲洗5min。然后是在30°C以上在如N2的惰性 气氛中加热，冲洗并干燥。下一步，在Si或SiGe〈110衬底上形成外延结晶压缩应变SiGe合金 层，其通过上述清洁工艺处理，通过使用硅烷或锗烷气体的快速热化学气 相沉积(RTCVD),在从60(TC到650。C的温度范围内，在等于20Torr 的气压下生长。在我们的情况下，通过使用100sccm的硅烷，40sccm的锗 烷，600。C的温度和7torr的气压下134秒，压缩应变22。/。SiGe合金的厚 度应该低于20nm。此SiGe层在Si或SiGe〈110衬底上是压缩应变或伪晶。 通过AFM测量的表面粗爭造度低于0.2nm并且缺陷密度在器件的质量范围 内(低于5x 1()7缺陷/cm2)。另外，在Si或SiGe〈110衬底上的外延结晶压缩应变SiGe合金层可
以在由Applied Material Corporation， HTF才莫型的Centura平台建立的快 速热化学气相沉积系统(RTCVD)中生长。此系统包括6个室；2个进片 室，l个转换室，l个快速热退火(RTP)室，2个高温多晶硅(HTP)室。 在600 。C到650 。C范围内的HTP室中生长压缩应变SiGe合金层。
另外，可以在具有浅沟槽隔离的外延结晶压缩应变SiGe合金区域上形 成CMOS器件。另外，可以在具有浅沟槽隔离的外延结晶压缩应变SiGe合金区域上形 成具有如具有高于3.9的介电常数的金属氧化物，金属硅化物的高K栅极 介质的CMOS器件。另外，可以在具有浅沟槽隔离的外延结晶压缩应变SiGe合金区域上的 栅极介质或高K介质上形成具有金属栅极和金属硅化物的CMOS器件。
通过下面结合附图对本发明的详细描述，本发明的这些和其它特征， 目的以及优点将更清楚，其中图1示出了在(110)表面取向的硅衬底上的RTCVD生长22%SiGe 合金层上的5nm Si覆层的TEM微观图。图2示出了 Si〈110表面在化学处理(清洁)工序后的AFM图像。图3示出了在(110 )表面取向硅衬底上的压缩应变或伪晶的厚度小于 20nm的SiGe 22 % Ge的RAMAN分析的曲线图。图4示出了在(110)表面取向硅衬底上的SiGe合金的临界厚度曲线。图5示出了通过RAMAN分析在(110 )表面取向硅衬底上的22 % SiGe 合金层的热稳定性。图6示出了在(110)表面取向硅衬底上的压缩应变的22%SiGe合金 层上制造的MOSFET。图7示出了空穴迁移率对反向电荷的曲线图，示出了在22%SiGe层 <110>上的空穴迁移率高于Min Yang在IEDM 2003上报道的Si〈110的 约10到15%，高于Si层〈10O即控制层的约180%。
具体实施方式
参考附图，特别是图1， TEM微观图示出了在单晶珪衬底16的(110) 表面14上的SiGe合金层12。在通过快速热化学气相沉积(RTCVD)工 艺生长的SiGe合金层12中的Ge浓度为22 % 。层12的厚度为18nm。在 层12上生长厚度为5nm的Si覆层18。在沉积层12前，化学处理村底16的上表面14。图2示出了部分表面 14在化学处理后的原子力显微(AFM)图像。化学处理包括选择具有表面 粗糙度小于0.2nm的Si或SiGe衬底16,将衬底16浸入在23'C下的去离 子水中10PPM臭氧的第一浴中，将邱于底16浸入稀HF 100:1的第二浴中 至少1分钟，将衬底16浸入去离子水的第三浴中至少5分钟，将衬底16 浸入在23。C下的HC1酸和去离子水至少1:100的第四浴中，将衬底16浸 入去离子水的第五浴中至少5分钟，并且从第五浴移出衬底16以在包括如 氮气的惰性气氛中并且在至少30。C的温度下干燥衬底16。通过RMS的表 面粗糙度等于0.109nm并且Z范围等于1.174nm，其与最初的Si〈110表 面相当。形成SiGe外延层12的步骤包括选择具有<110>的上表面的Si或SiGe 单晶衬底16,将单晶衬底16载入快速热化学气相沉积工具中，将工具中 的气压降低到0.2Torr以下，升高工具中的温度到约600。C并且引入如硅烷 的含硅气体和如锗烷的含锗气体，从而在衬底16上形成SiGe伪晶层，其 具有的Ge浓度不同于所述衬底从而伪晶层12是应变层。图3示出了层12作为厚度的函数的RAMAN分析。在图3中，纵坐 标表示驰豫百分比并且横坐标表示nm厚度。曲线30具有曲线部分34, 这一部分的层12是伪晶，在曲线30的点35处开始层12的驰豫。曲线部 分36示出了随着层12的厚度增加驰豫加速。只要层12低于20nm,层12 仍为伪晶。伪晶指外延或晶格匹配和/或与村底晶格一致。因此SiGe22。/o的 晶格间隔一般大于Si并且通过伪晶处于压缩应变。对110 Si中的晶格间隔 在x和y方向上为5.4埃。Ge的晶格间隔在x和y方向上为5.6埃，大于Si的约4。/。。 SiGe合金具有的晶格间隔是Si和Ge的浓度的线性函数。因 此当层12是〈110Si上的伪晶时，在SiGe中22 %的Ge浓度导致约1 %的 压缩应变。在〈10OSi上压缩相同。曲线32示出了 SiGe层〈0O作为厚度 的函数的驰豫。图4的曲线40示出了在<110>表面取向的Si衬底上的SiGe合金的临 界厚度。在图4中，纵坐标表示nm临界厚度，横坐标表示在SiGe合金中 Ge的百分比。在图4中，具有的厚度在曲线40下的SiGe的层12为伪晶。图5的曲线50-53，通过RAMAN分析示出了在MOSFET制造期间 SiGe合金层12的热稳定性。在图5中，纵坐标表示a.b.u.强度，横坐标表 示l/cm波数。人等于325nm。曲线50示出了 Si 110的波数520 1/cm。曲 线51-53示出了通过快速热退火(RTA)在1000。C下高达400秒的热循环 后约514 1/cm的波数。图5中，曲线51-53显示，在IOO(TC的RTA期间， 层12仍为伪晶。在RTA期间或之后没有观察到层12的驰豫。图6是在Si衬底16的<110>表面14上的压缩应变22%SiGe合金层 12上制造的MOSFET器件的扫描显微图像。首先化学处理衬底16的上表 面14。然后在衬底16上制造层12。下一步，在衬底16中形成浅沟槽隔离 (STI)区域60以提供将制造的MOSFET的电隔离。下一步，在层l2上 生长栅极介质层62。栅极介质层62为约2.5nm厚的N20氧化物。栅极介 质层62向下接触SiGe合金层12。在栅极介质层62下在SiGe合金层12 上剩余小于0.5nm的Si覆盖层18，意味着N20氧化物接触SiGe合金层 12。下一步，在栅极介质层62上形成多晶硅层64。下一步，通过形成掩 膜和反应离子蚀刻(RIE )光刻构图层64和栅极介质层62以形成MOSFET 66的栅极介质63和栅极电极65。下一步，通过离子注入形成源极68和漏 极69，使用栅极用于源极和漏极的自对准。下一步，与多晶硅栅极65相 邻形成侧壁隔离物70。图7是有效空穴迁移率对反向载流子密度的曲线图。在图7中，纵坐 标表示cm2/Vsec的有效空穴迁移率，横坐标表示1/cm2的反向载流子密 度。曲线74是在层12即图6中示出的MOSFET 66的沟道中空穴迁移率
的分布。测量并然后绘制以形成曲线74的空穴迁移率高于在曲线75中示 出的Si〈UO的空穴迁移率的约10%。在曲线75中的空穴迁移率高于曲线 76示出的SK100〉的空穴迁移率的约180%。 已经描述和示出的是1. MOSFET器件包括在Si〈110衬底上的伪晶SiGe沟道层。2. 通过RTCVD形成伪晶SiGe层的方法和在RTCVD前化学处理硅 表面的方法。3. 对本领域的技术人员明显的是在不脱离仅通过附加权利要求的范围 限制的本发明的广义范围下，可以进行各种修改和改变。
权利要求
1.一种用于传导载流子的结构，包括Si或SiGe的单晶衬底，具有<110>的上表面，以及SiGe伪晶层，在所述衬底上形成，具有的Ge浓度高于所述衬底的Ge浓度，从而所述伪晶层处于压缩应变。
2. 根据权利要求l的结构，还包括在所述伪晶层上的栅极介质。
3. 根据权利要求2的结构，还包括在所述栅极介质上的栅极电极。
4. 根据权利要求3的结构，还包括在所述伪晶层中在所述栅极介质的 任一侧上形成的源极和漏极区域，以在其之间形成沟道。
5. 根椐权利要求2的结构，还包括在所述栅极介质上的多晶硅栅极电 极以形成MOSFET。
6. 根据权利要求2的结构，还包括在所述栅极介质上的多晶硅锗栅极 电极。
7. 根据权利要求2的结构，还包括在所述栅极介质上的金属和金属硅 化物栅极电极中的一个。
8. 根据权利要求2的结构，其中所述栅极介质具有大于3.9的介电常数。
9. 根据权利要求1的结构，其中所述衬底表面具有约O.lnm的RMS。
10. 根据权利要求1的结构，其中所述SiGe伪晶层具有小于20nm的 厚度。
11. 一种用于形成用于传导栽流子的结构的方法，包括如下步骤 选择具有<110>的上表面的Si或SiGe的单晶衬底，以及 在所述衬底上形成SiGe伪晶层，其具有的Ge浓度高于所述衬底的Ge浓度，从而所述伪晶层处于压缩应变。
12. 根据权利要求ll的方法，还包括在所述伪晶层上形成栅极介质的 步骤。
13. 根据权利要求12的方法，还包括在所述栅极介质上形成栅极电极 的步骤。
14. 根据权利要求13的方法，还包括在所述伪晶层中在所述栅极介质 的任一侧上形成源极和漏极区域以在其之间形成沟道的步骤。
15. 根据权利要求12的方法，还包括在所述栅极介质上形成多晶硅栅 极电极以形成MOSFET的步骤。
16. 根据权利要求12的方法，还包括在所述栅极介质上形成多晶硅锗 栅极电极的步骤。
17. 根据权利要求12的方法，还包括在所述栅极介质上形成金属和金 属硅化物栅极电极中的一个的步骤。
18. 根据权利要求12的方法，还包括选择介电常数大于3.9的所述栅 极介质的步骤。
19. 根据权利要求ll的方法，还包括化学处理所述衬底表面到低于约 O.lnm的RMS的步骤。
20. 根据权利要求11的方法，还包括形成厚度小于20nm的所述SiGe 伪晶层的步骤。
21. —种用于形成半导体外延层的方法，包括如下步骤 选择具有<110>的上表面的Si或SiGe的单晶衬底， 将所述单晶衬底载入快速热化学气相沉积工具中，降低所述工具中的气压到低于0.2Torr，升高所述工具中的温度到约600。C,以及引入含Si气体和含Ge气体，从而在所述衬底上形成SiGe伪晶层， 其具有的Ge浓度不同于所迷衬底的Ge浓度，从而所述伪晶层处于应变。
22. 根据权利要求21的方法，还包括化学处理所述衬底表面到低于约 O.lnm的RMS粗糙度的步骤。
23. 根据权利要求21的方法，还包括在一段时间内降低所述工具中的 温度到低于40(TC从而停止外延生长的步骤。
24. —种用于外延沉积化学处理衬底的方法，包括如下步骤 选择具有小于o.2nm的表面粗糙度的Si或SiGe衬底， 将所述衬底浸入在23。C下的去离子水中的10PPM臭氧的第一浴中， 将所述衬底浸入稀HF 100:1的第二浴中至少1分钟， 将所述衬底浸入去离子水的第三浴中至少5分钟， 将所述衬底浸入在23。C下的HC1酸和去离子水至少1:100的第四浴中，将所述衬底浸入去离子水的第五浴中至少5分钟，以及 从所述第五浴移出所述^H"底，以在包括如氮气的气氛中在至少30。C的 温度下干燥所述衬底。
全文摘要
本发明公开了一种用于传导载流子的结构及其形成方法，结合具有〈110〉的上表面的Si或SiGe单晶衬底和SiGe伪晶或外延层，其具有不同于衬底的Ge浓度从而伪晶层处于应变。公开了一种形成半导体外延层的方法，结合在快速热化学气相沉积(RTCVD)工具中通过将工具中的温度升高到约600℃并且引入含Si气体和含Ge气体形成伪晶或外延层的步骤。公开了一种用于外延沉积化学处理衬底的方法，包括如下步骤将衬底浸入一系列分别含有臭氧，稀HF，去离子水，HCl酸和去离子水的浴中，随后在惰性气氛中干燥衬底以获得无杂质并且具有小于0.1nm的RMS粗糙度的衬底表面。
文档编号H01L21/8234GK101160664SQ200580015396
公开日2008年4月9日 申请日期2005年6月21日 优先权日2004年6月24日
发明者K·K·陈, K·W·瓜里尼, K·里姆, M·耶奥, 敏 杨 申请人:国际商业机器公司