金属源漏结构及其形成方法
【专利摘要】本发明提出一种金属源漏结构及其形成方法，其中，该方法包括以下步骤：提供以Ge层为表面的衬底；在Ge层之上形成Sn层，其中，Ge层与Sn层之间的界面为GeSn层；去除Sn层以暴露GeSn层；在GeSn层之上形成金属层。本发明能够提高器件的开关电流比和肖特基器件的电子势垒高度，具有简单易行、成本低的优点。
【专利说明】金属源漏结构及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种金属源漏结构及其形成方法。
【背景技术】
[0002]半导体Ge具有较高的电子和空穴迁移率，在新型高性能金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的器件沟道材料方面潜力巨大。对于小尺寸下的MOSFET器件，抑制器件的短沟道效应是一个非常重要的问题，一般要求器件的源漏Pn结结深应随器件尺寸一起按比例缩小，以减弱沟道中电势分布的二维效应，增强栅极对沟道电势的控制能力以抑制短沟道效应。因此对于极小尺寸的MOSFET器件来说，超浅源漏pn结是实现良好器件性能的关键。与此同时，源漏区的寄生电阻对器件开态电流的影响也随器件尺寸缩小而变得更加明显，在实现超浅源漏pn结的同时还要使其寄生电阻减小就变得相当重要。
[0003]对于Ge基MOSFET而言，较高的载流子迁移率可以实现比传统Si基材料更好的器件性能。但是一般杂质在Ge中的固溶度较低且容易发生扩散，因而不容易形成高掺杂浓度的源漏区以及结深较浅的源漏pn结，使得形成的器件源漏寄生电阻较大且不利于抑制器件的短沟道效应。基于肖特基结的金属源漏结构可以用来解决这一问题。与传统的源漏pn结类似，可将金属与半导体材料形成的肖特基结作为MOSFET的源漏结构以实现低寄生电阻的浅结结构。对于不容易形成理想源漏pn结的Ge材料来说，肖特基结源漏结构可以作为一种较为理想的解决方案。
[0004]人们一般采用Pt、Ni等金属与Ge形成合金，以此和Ge构成肖特基结作为MOSFET器件的源漏结构，避免了传统pn结因杂质扩散带来的问题。但是，在这些处理方法中通常具有较高的热开销，且在去除金属牺牲层时往往伴有强酸处理等，对于Ge基器件而言，其中的高k电介质和金属栅构成的栅叠层结构一般不能承受这样的高温或强酸处理，这些处理可能导致MOSFET器件栅叠层结构电学性能的恶化。此外，目前得到的Ge基肖特基结的载流子肖特基势垒高度还不是特别理想，肖特基结的开关电流比也不是很高，因而应用于MOSFET器件中时会引起较高的关态电流和较大的寄生效应，进而会影响Ge MOSFET器件的开关电流比。
【发明内容】
[0005]本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的技术选择。
[0006]为此，本发明的一个目的在于提出一种厚度薄且电学性质好的金属源漏结构形成方法。
[0007]本发明的另一个目的在于提出一种厚度薄且电学性质好的金属源漏结构。
[0008]根据本发明第一方面实施例的金属源漏结构形成方法，可以包括以下步骤:提供以Ge层为表面的衬底；在所述Ge层之上形成Sn层，其中，所述Ge层与所述Sn层之间的界面为GeSn层；去除所述Sn层以暴露所述GeSn层；在所述GeSn层之上形成金属层。[0009]根据本发明实施例的金属源漏结构形成方法，能够提高器件的开关电流比和肖特基器件的电子势垒高度，具有工艺简单、简便易行的优点。
[0010]另外，根据本发明实施例的金属源漏结构形成方法还可以具有如下附加技术特征:
[0011]在本发明的一个实施例中，在去除所述Sn层之前进一步包括:通过退火处理强化所述GeSn层。
[0012]在本发明的一个实施例中，所述以Ge层为表面的衬底包括:纯Ge衬底或表层为Ge薄膜的衬底。
[0013]在本发明的一个实施例中，所述金属层的厚度为200_500nm。
[0014]在本发明的一个实施例中，所述金属层为Al、N1、Co、W、Pt、T1、Ta、Pd、Zr中的一
种或多种金属的组合。
[0015]在本发明的一个实施例中，利用对GeSn和Sn具有高腐蚀选择比的溶液清洗以去除所述Sn层以露出所述GeSn层。
[0016]在本发明的一个实施例中，所述清洗后保留下来的所述GeSn层的厚度为
0.5_3nm0
[0017]根据本发明第二方面实施例的金属源漏结构，可以包括:以Ge层为表面的衬底；位于所述Ge层之上的GeSn层；位于所述GeSn层之上的金属层。
[0018]根据本发明实施例的金属源漏结构，能够提高器件的开关电流比和肖特基器件的电子势垒高度。此外，本发明实施例的金属源漏结构还具有结构简单、成本较低的优点。
[0019]另外，根据本发明实施例的金属源漏结构还可以具有如下附加技术特征:
[0020]在本发明的一个实施例中，所述GeSn层是首先在所述Ge层上形成Sn层，然后在所述Ge层和所述Sn层之间的界面处自然形成或者通过退火处理强化得到的。
[0021]在本发明的一个实施例中，所述以Ge层为表面的衬底包括:纯Ge衬底或表层为Ge薄膜的衬底。
[0022]在本发明的一个实施例中，所述金属层的厚度为200_500nm。
[0023]在本发明的一个实施例中，所述金属层为Al、N1、Co、W、Pt、T1、Ta、Pd、Zr中的一
种或多种金属的组合。
[0024]在本发明的一个实施例中，所述GeSn层的表层部分是利用对GeSn和Sn具有高腐蚀选择比的溶液清洗以去除所述GeSn之上的所述Sn层后暴露出来的。
[0025]在本发明的一个实施例中，所述清洗后保留下来的所述GeSn层的厚度为
0.5_3nm0
[0026]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0028]图1是本发明实施例的金属源漏结构的形成方法的流程图；
[0029]图2是本发明实施例的金属源漏结构的结构示意图；[0030]图3为Ge/GeSn结构(004)面的XRD测试结果；和
[0031]图4为Ge/GeSn/Al结构的肖特基结Jg-Vg特性曲线。
【具体实施方式】
[0032]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0033]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0034]如图1所示，根据本发明实施例的金属源漏结构的形成方法，可以包括如下步骤:
[0035]S1.提供以Ge层为表面的衬底。
[0036]具体地，提供的以Ge层为表面的衬底可以是纯Ge衬底或表层为Ge薄膜的衬底，例如在Si基体上具有Ge薄膜表层的衬底。
[0037]S2.在Ge层之上形成Sn层，其中，Ge层与Sn层之间的界面为GeSn层。
[0038]通常可以采用磁控溅射、电子束蒸发等工艺在Ge层之上形成Sn层。在这些工艺中，衬底温度可控制在室温至200°C之间。工艺过程中，由于原子在两种材料界面间的扩散作用，在Ge/Sn界面自然形成GeSn层。在本发明的一个优选实施例中，还可以通过退火处理来强化该GeSn层。退火的温度范围为50-200°C，温度越高时间越长，则形成的GeSn层越厚。
[0039]扩散形成的GeSn层是一种固溶体，具有与Ge相同的晶体结构，并具有很好半导体特性，如GeSn具有比Ge更高的空穴迁移率。因此，Ge表面形成GeSn层通常不会恶化Ge器件的性能。
[0040]S3.去除Sn层以暴露GeSn层。
[0041 ] 具体地，利用对GeSn和Sn具有高腐蚀选择比的溶液清洗以去除Sn层以露出GeSn层。常见的清洗溶液包括稀盐酸、稀硫酸、氨水或氢氧化钠溶液。清洗后保留下来的GeSn层的厚度为0.5-40nm，优选地，GeSn层厚度为0.5-lOnm。
[0042]S4.在GeSn层之上形成金属层。
[0043]具体地,可用通过磁控派射、电子束蒸发等方式在GeSn层之上形成200-500nm厚度的Al、N1、Co、W、Pt、T1、Ta、Pd、Zr中的一种或多种金属的组合。优选地，金属层的厚度为 300nm。
[0044]根据本发明实施例的金属源漏结构形成方法，首先在Ge表面上溅射Sn金属层，再用稀盐酸等湿法工艺去除上层Sn层得到GeSn层，然后在GeSn层之上形成金属层，从而能够提高器件的开关电流比和肖特基器件的电子势垒高度。此外，本方法还具有工艺简单、简便易行的优点。
[0045]如图2所示，根据本发明实施例的金属源漏结构，可以包括:以Ge层100为表面的衬底；位于Ge层100之上的GeSn层200 ;位于GeSn层200之上的金属层300。
[0046]其中，以Ge层100为表面的衬底可以是纯Ge衬底，也可以是表层为Ge薄膜的衬底，例如在Si基体上具有Ge薄膜表层的衬底。
[0047]其中，GeSn层200是通过在Ge层100上形成Sn层110 (该Sn层110最终被牺牲掉，故图2中未显示)，然后在Ge层100和Sn层110之间的界面处自然形成或者通过退火处理强化得到的。退火的温度范围可为50-200°C，温度越高时间越长，则形成的GeSn层200越厚。因为扩散形成的GeSn层是一种固溶体，具有与Ge相同的晶体结构，并具有很好半导体特性，如GeSn具有比Ge更高的空穴迁移率，所以，Ge表面形成的GeSn层通常不仅不会恶化Ge器件的性能，还可能会改善器件性能。
[0048]其中，金属层300可以为Al、N1、Co、W、Pt、T1、Ta、Pd、Zr中的一种或多种金属的组合。金属层300是在GeSn层200之上通过磁控溅射、电子束蒸发等方式得到的，厚度为200_500nm,优选 300nm。
[0049]根据本发明实施例的金属源漏结构，能够提高器件的开关电流比和肖特基器件的电子势垒高度。此外，本发明实施例的金属源漏结构还具有结构简单、成本较低的优点。
[0050]为使本领域技术人员更好地理解本发明，发明人结合图3-图4阐述一个具体实施例如下:
[0051]在下面的实施例中，通过引入GeSn层实现Ge的肖特基结，在Ge衬底上溅射Sn形成GeSn层,可用退火等方式强化GeSn层,再用稀HCl移除顶部Sn层,最后在GeSn层表面蒸发形成Al电极构成肖特基结以作为MOSFET器件的金属源漏结构。结果发现，具有GeSn层的肖特基结开关电流比可达7X IO4,电子肖特基势鱼闻度可达0.62eV。具体地:
[0052]首先，在清洗后的n型锗片上面溅射一层较厚的Sn层，再退火处理在界面处形成GeSn层，最后采用10%的稀盐酸清洗去除表面未反应的Sn层，再直接在Ge/GeSn表面蒸发形成300nm厚的Al电极，并对整个堆叠结构进行光刻、刻蚀以形成应用于金属源漏的肖特基结。对该肖特基结的表征主要包括:A.用高分辨率X射线衍射仪(XRD)分析材料的元素成分和结晶情况。B.用安捷伦B1500A半导体器件分析仪测量该肖特基结的电流密度-电压(Jg-Vg)特性曲线，分析其电学特性。
[0053]图3给出了样品表面的XRD图谱，从图中可以明显看到在布拉格衍射角为66.5°的Ge峰附近出现了一个小峰，其峰位为64.6°，可以确定其为GeSn峰。
[0054]图4为室温下对所形成的Ge/GeSn/Al肖特基结以及作为对照的Ge/Al肖特基结电流密度-电压特性的测试结果。从图中可以看出，无GeSn中间层的Ge/Al结构肖特基器件的开关电流比为150，而加入GeSn层的Ge/GeSn/Al结构肖特基器件其开关电流比可达7X104。特别是Ge/GeSn/Al结构的反向电流降低了近2个数量级。根据热电子发射理论，测试提取得到Ge/GeSn/Al肖特基结的电子势垒高度为0.62eV，考虑到锗材料的禁带宽度为0.66eV，则可得空穴势垒高度约为0.04eV。通过引入GeSn层可以使得肖特基结反向饱和电流明显变小，且作为PMOS的金属源漏结构时可使导通电流增大。
[0055]总的来说，本发明通过引入GeSn层来实现Ge的肖特基结，特别适于作为Ge基MOSFET器件的金属源漏结构。其中具有GeSn层的肖特基结的制备方法为:在Ge上面溅射一层Sn层，可退火处理强化在界面处形成的GeSn层，采用稀盐酸清洗去除表面的Sn层，再在Ge/GeSn表面形成电极构成肖特基接触。该用于金属源漏的肖特基结其电子肖特基势垒高度可达0.62eV，开关电流比为7X104。具有GeSn层的Ge肖特基结非常适用于Ge基MOSFET的金属源漏结构。
[0056]流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属【技术领域】的技术人员所理解。
[0057]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0058]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1.一种金属源漏结构形成方法，其特征在于，包括以下步骤: 提供以Ge层为表面的衬底； 在所述Ge层之上形成Sn层，其中，所述Ge层与所述Sn层之间的界面为GeSn层； 去除所述Sn层以暴露所述GeSn层； 在所述GeSn层之上形成金属层。
2.如权利要求1所述的金属源漏结构形成方法，其特征在于，在去除所述Sn层之前进一步包括:通过退火处理强化所述GeSn层。
3.如权利要求1所述的金属源漏结构形成方法，其特征在于，所述以Ge层为表面的衬底包括:纯Ge衬底或表层为Ge薄膜的衬底。
4.如权利要求1所述的金属源漏结构形成方法，其特征在于，所述金属层的厚度为200_500nmo
5.如权利要求1所述的金属源漏结构形成方法，其特征在于，所述金属层为Al、N1、Co、W、Pt、T1、Ta、Pd、Zr中的一种或多种金属的组合。
6.如权利要求1-5所述的金属源漏结构形成方法，其特征在于，利用对GeSn和Sn具有高腐蚀选择比的溶液清洗以去除所述Sn层以露出所述GeSn层。
7.如权利要求6所述的金属源漏结构形成方法，其特征在于，所述清洗后保留下来的所述GeSn层的厚度为0.5_3nm。
8.一种金属源漏结构，其特征在于，包括: 以Ge层为表面的衬底； 位于所述Ge层之上的GeSn层； 位于所述GeSn层之上的金属层。
9.如权利要求8所述的金属源漏结构，其特征在于，所述GeSn层是首先在所述Ge层上形成Sn层，然后在所述Ge层和所述Sn层之间的界面处自然形成或者通过退火处理强化得到的。
10.如权利要求8所述的金属源漏结构，其特征在于，所述以Ge层为表面的衬底包括:纯Ge衬底或表层为Ge薄膜的衬底。
11.如权利要求8所述的金属源漏结构，其特征在于，所述金属层的厚度为200-500nm。
12.如权利要求8所述的金属源漏结构，其特征在于，所述金属层为Al、N1、Co、W、Pt、T1、Ta、Pd、Zr中的一种或多种金属的组合。
13.如权利要求8-12所述的金属源漏结构，其特征在于，所述GeSn层的表层部分是利用对GeSn和Sn具有高腐蚀选择比的溶液清洗以去除所述GeSn之上的所述Sn层后暴露出来的。
14.如权利要求13所述的金属源漏结构，其特征在于，所述清洗后保留下来的所述GeSn层的厚度为0.5_3nm。
【文档编号】H01L21/28GK103594518SQ201310553688
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】赵梅, 刘磊, 王敬, 梁仁荣, 许军 申请人:清华大学