一种半导体器件的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种半导体器件的制造方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有栅极结构；在所述半导体衬底的源/漏区中形成碗状凹槽；依次执行一湿法清洗过程、一蚀刻后处理过程和一表面清洗过程，所述蚀刻后处理过程包括先后执行的高温热退火过程和氢气还原处理过程；蚀刻所述碗状凹槽，以形成∑状凹槽。根据本发明，所述高温退火工艺可以改善所述碗状凹槽的表面粗糙度，所述氢气还原处理工艺可以消除蚀刻气体中的氧或氮对所述碗状凹槽的表面造成的掺杂污染，从而改善后续湿法蚀刻所述碗状凹槽的工艺窗口。
【专利说明】一种半导体器件的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造工艺，具体而言涉及一种用于嵌入式锗硅应变MOS器件的Σ状凹槽的制作方法。
【背景技术】
[0002]为了提高PMOS器件沟道中载流子的迁移率，在PMOS器件将要形成源/漏区的部分制作凹槽以形成嵌入式锗硅的技术已经成为广为关注的热点。对于45nm及以上节点的半导体制造工艺，由于器件尺寸的按比例缩小，器件沟道的长度也相应缩短，因此，有相关研究指出在PMOS器件将要形成源/漏区的部分制作侧壁向器件沟道方向内凹的凹槽可以有效缩短器件沟道的长度，满足器件尺寸按比例缩小的要求；同时，这种凹槽具有在栅极间隙壁下方较大下切的特点，由此，在这种凹槽中形成的嵌入式锗硅可以对器件沟道区产生更大的应力。
[0003]制作具有上述特点的凹槽的基本思路是:采用干法蚀刻在PMOS器件将要形成源/漏区的部分先形成一个凹槽，然后采用湿法蚀刻使该凹槽的侧壁向器件沟道方向内凹。所述干法蚀刻过程结束之后，所述凹槽的侧壁的表面存在晶格畸变，导致所述凹槽的侧壁的粗糙度变大；同时，所述凹槽的侧壁的表面也会受到所述干法蚀刻采用的蚀刻气体中的氧或氮原子轰击所引起的掺杂污染，上述现象均会使所述凹槽的侧壁的表面状况变差。由于后续实施的各向异性的湿法蚀刻对所述凹槽的侧壁的表面状况极为敏感，即所述凹槽的侧壁的表面状况越差，所述湿法蚀刻的效果就越差，最终导致无法有效地形成具有上述特点的凹槽。
[0004]因此，需要开发一种制作用于嵌入式锗硅应变MOS器件的侧壁向器件沟道方向内凹的凹槽的方法，以解决上述问题。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体器件的制造方法，包括:提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有栅极结构；在所述半导体衬底的源/漏区中形成碗状凹槽；依次执行一湿法清洗过程、一蚀刻后处理过程和一表面清洗过程，所述蚀刻后处理过程包括先后执行的高温热退火过程和氢气还原处理过程；蚀刻所述碗状凹槽，以形成Σ状凹槽。
[0006]进一步，所述形成碗状凹槽的过程包括:先对所述半导体衬底的源/漏区进行第一蚀刻以形成凹槽，然后对所述凹槽进行第二蚀刻。
[0007]进一步，所述第一蚀刻为采用干法蚀刻工艺的纵向蚀刻。
[0008]进一步，所述第二蚀刻为采用干法蚀刻工艺的各向同性蚀刻。
[0009]进一步，所述湿法清洗的清洗液为氨水、双氧水和水的混合物以及稀释的氢氟酸的组合或者氨水、双氧水和水的混合物、臭氧水以及稀释的氢氟酸的组合。
[0010]进一步，所述高温热退火包括高温炉热退火、快速热退火、峰值退火或者激光退火。
[0011]进一步，所述高温热退火的温度为300-450°C，时间为10-25S。
[0012]进一步，所述氢气还原处理的功率为100-500W，偏压为0V，压力为10_35torr。
[0013]进一步,所述氢气还原处理的还原气体为氢气、氢气和氮气的混合物或者氮气和一氧化碳的混合物。
[0014]进一步，所述表面清洗的清洗液为稀释的氢氟酸。
[0015]进一步，所述蚀刻为湿法蚀刻。
[0016]进一步，所述湿法蚀刻的腐蚀液为四甲基氢氧化铵溶液。
[0017]进一步，所述栅极结构包括依次层叠的栅极介电层、栅极材料层和栅极硬掩蔽层。
[0018]根据本发明，所述高温退火工艺可以改善所述干法蚀刻后形成的碗状凹槽的表面粗糙度，所述氢气还原处理工艺可以消除所述干法蚀刻的蚀刻气体中的氧或氮对所述碗状凹槽的表面造成的掺杂污染，从而改善后续湿法蚀刻所述碗状凹槽的工艺窗口。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
[0020]附图中:
[0021]图1A-图1C为本发明提出的形成用于嵌入式锗硅应变PMOS器件的Σ状凹槽的各步骤的示意性剖面图；
[0022]图2为本发明提出的形成用于嵌入式锗硅应变PMOS器件的Σ状凹槽的流程图。【具体实施方式】
[0023]在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
[0024]为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的形成用于嵌入式锗硅应变MOS器件的Σ状凹槽。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
[0025]应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
[0026]下面，以PMOS器件为例，参照图1A-图1C和图2来描述本发明提出的形成用于嵌入式锗硅应变MOS器件的Σ状凹槽的详细步骤。
[0027]参照图1A-图1C，其中示出了本发明提出的形成用于嵌入式锗硅应变PMOS器件的Σ状凹槽的各步骤的示意性剖面图。
[0028]首先，如图1A所示，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100的构成材料可以采用未掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅、绝缘体上硅(SOI)等。作为示例，在本实施例中，所述半导体衬底100选用单晶硅材料构成。在所述半导体衬底100中还可以形成有隔离槽、埋层等(图中未示出)。此外，对于PMOS而言，所述半导体衬底100中还可以形成有N阱(图中未示出)，并且在形成栅极结构之前，可以对整个N阱进行一次小剂量硼注入，用于调整PMOS的阈值电压Vth。
[0029]在所述半导体衬底100上形成有栅极结构101，作为一个示例，所述栅极结构101可包括自下而上依次层叠的栅极介电层、栅极材料层和栅极硬掩蔽层。所述栅极介电层可包括氧化物，如，二氧化硅(SiO2)层。所述栅极材料层可包括多晶硅层、金属层、导电性金属氮化物层、导电性金属氧化物层和金属硅化物层中的一种或多种，其中，金属层的构成材料可以是钨(W)、镍(Ni)或钛(Ti);导电性金属氮化物层可包括氮化钛(TiN)层；导电性金属氧化物层可包括氧化铱(IrO2)层；金属硅化物层可包括硅化钛(TiSi)层。所述栅极硬掩蔽层可包括氧化物层、氮化物层、氮氧化物层和无定形碳中的一种或多种，其中，氧化物层可包括硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)、正硅酸乙酯(TE0S)、未掺杂硅玻璃(USG)、旋涂玻璃(S0G)、高密度等离子体(HDP)或旋涂电介质(S0D);氮化物层可包括氮化硅(Si3N4)层；氮氧化物层可包括氮氧化硅(SiON)层。
[0030]此外，作为示例，在所述半导体衬底100上还形成有位于所述栅极结构101两侧且紧靠所述栅极结构101的侧壁结构。其中，所述侧壁结构可以包括至少一层氧化物层和/或至少一层氮化物层。
[0031]接着，如图1B所示，在所述半导体衬底100的源/漏区中形成碗状凹槽102。形成所述碗状凹槽102的工艺步骤包括:先采用干法蚀刻工艺对所述半导体衬底100进行纵向蚀刻，以在所述半导体衬底100的源/漏区中形成凹槽，在一个优选实施例中，所述纵向蚀刻所采用的蚀刻气体主要为HBr气体，功率300-500W，偏压50-200V，温度40_60°C，时间根据蚀刻深度而定；再采用各向同性的干法蚀刻工艺继续蚀刻所述凹槽，使所述凹槽转变为所述碗状凹槽102,在一个优选实施例中，所述各向同性的干法蚀刻米用Cl2和NF3作为主蚀刻气体，功率100-500W，偏压0-10V，温度40-60°C，时间5_50s。
[0032]接下来，执行一湿法清洗过程，以去除上述蚀刻过程在所述碗状凹槽102中产生的残留物和杂质。所述湿法清洗过程采用的清洗液可以是氨水、双氧水和水的混合物(SCl)以及稀释的氢氟酸(DHF)的组合，也可以是臭氧水、SCl和DHF的组合。上述组合中的各个清洗液的浓度以及进行所述湿法清洗所需要的其它条件，例如温度和处理时间等，均可以选用本领域技术人员所熟习的浓度数值和实施条件，在此不再予以例举。
[0033]然后，执行一蚀刻后处理过程，以改善所述碗状凹槽102的表面状况。所述蚀刻后处理过程包括以下工艺步骤:先执行一高温热退火过程而后真空冷却，以松弛所述碗状凹槽102表面的硅晶格，进而改善所述碗状凹槽102表面的粗糙度；再执行一氢气还原处理过程，以通过还原反应消除所述碗状凹槽102表面的掺杂原子，所述掺杂原子来自上述蚀刻过程所采用的蚀刻气体，主要是氧原子或氮原子。所述高温热退火包括高温炉热退火、快速热退火、峰值退火或者激光退火，优选激光退火，所述高温热退火的温度为300-450°C，时间为10-25s。所述氢气还原处理的工艺参数包括:功率100-500W，偏压0V，压力10_35torr，还原气体流量范围依实际情况任选，所述还原气体为氢气、氢气和氮气的混合物或者氮气和一氧化碳的混合物。
[0034]接下来，执行一表面清洗过程，以进一步去除所述碗状凹槽102表面的残留物和杂质。在一个优选实施例中，采用稀释的氢氟酸处理所述碗状凹槽102，处理时间为10_20s ο
[0035]接着，如图1C所示，采用湿法蚀刻工艺蚀刻所述碗状凹槽102，以形成Σ状凹槽103。利用所述湿法蚀刻的蚀刻剂在所述半导体衬底100的材料的不同晶向上的蚀刻速率不同的特性(例如100晶向和110晶向的蚀刻速率高于111晶向的蚀刻速率)，扩展蚀刻所述碗状凹槽102以形成所述Σ状凹槽103。在一个优选实施例中，采用四甲基氢氧化铵溶液(TMAH)处理所述碗状凹槽102，处理时间为l_3min，处理温度为25_50°C。
[0036]至此，完成了根据本发明示例性实施例的方法实施的全部工艺步骤，接下来，可以采用选择性外延生长工艺在所述Σ状凹槽103中形成嵌入式锗硅层。所述选择性外延生长工艺可以采用低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、超高真空化学气相沉积(UHVCVD)、快速热化学气相沉积(RTCVD)和分子束外延(MBE)中的一种。在形成所述嵌入式锗硅层之前，还需执行一预清洗过程，以去除所述Σ状凹槽103中的蚀刻残留物和杂质，从而利于所述锗硅的生长。所述预清洗过程采用的清洗液可以是氨水、双氧水和水的混合物(SCl)以及稀释的氢氟酸(DHF)的组合，也可以是臭氧水、SCl和DHF的组合。上述组合中的各个清洗液的浓度以及进行所述预清洗所需要的其它条件，例如温度和处理时间等，均可以选用本领域技术人员所熟习的浓度数值和实施条件，在此不再予以例举。在形成所述嵌入式锗硅层之后，可以通过后续工艺完成整个MOS器件的制作，所述后续工艺与传统的MOS器件加工工艺完全相同。
[0037]根据本发明，所述高温退火工艺可以改善所述干法蚀刻后形成的凹槽的表面粗糙度，所述氢气还原处理工艺可以消除所述干法蚀刻的蚀刻气体中的氧或氮对所述凹槽的表面造成的掺杂污染，从而改善后续湿法蚀刻所述凹槽的工艺窗口。
[0038]参照图2，其中示出了本发明提出的形成用于嵌入式锗硅应变PMOS器件的Σ状凹槽的流程图，用于简要示出整个制造工艺的流程。
[0039]在步骤201中，提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有栅极结构；
[0040]在步骤202中，在所述半导体衬底的源/漏区中形成碗状凹槽；
[0041]在步骤203中，依次执行一湿法清洗过程、一蚀刻后处理过程和一表面清洗过程，所述蚀刻后处理过程包括先后执行的高温热退火过程和氢气还原处理过程；
[0042]在步骤204中，蚀刻所述碗状凹槽，以形成Σ状凹槽。
[0043]本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
【权利要求】
1.一种半导体器件的制造方法，包括: 提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有栅极结构； 在所述半导体衬底的源/漏区中形成碗状凹槽； 依次执行一湿法清洗过程、一蚀刻后处理过程和一表面清洗过程，所述蚀刻后处理过程包括先后执行的高温热退火过程和氢气还原处理过程； 蚀刻所述碗状凹槽，以形成Σ状凹槽。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成碗状凹槽的过程包括:先对所述半导体衬底的源/漏区进行第一蚀刻以形成凹槽，然后对所述凹槽进行第二蚀刻。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一蚀刻为采用干法蚀刻工艺的纵向蚀刻。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二蚀刻为采用干法蚀刻工艺的各向同性蚀刻。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿法清洗的清洗液为氨水、双氧水和水的混合物以及稀释的氢氟酸的组合或者氨水、双氧水和水的混合物、臭氧水以及稀释的氢氟酸的组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温热退火包括高温炉热退火、快速热退火、峰值退火或者激光退火。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述高温热退火的温度为300-450°C，时间为 10-25s。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢气还原处理的功率为100-500W，偏压为0V，压力为10_35torr。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢气还原处理的还原气体为氢气、氢气和氮气的混合物或者氮气和一氧化碳的混合物。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面清洗的清洗液为稀释的氢氟酸。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蚀刻为湿法蚀刻。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述湿法蚀刻的腐蚀液为四甲基氢氧化铵溶液。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述栅极结构包括依次层叠的栅极介电层、栅极材料层和栅极硬掩蔽层。
【文档编号】H01L21/336GK103943501SQ201310023827
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年1月22日 优先权日:2013年1月22日
【发明者】隋运奇, 孟晓莹, 韩秋华 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司