锗纳米线制造的制作方法

本发明涉及纳米线半导体装置领域。更具体地说，本发明涉及由交替的锗(ge)/锗硅(sige)层的堆叠形成锗纳米线的方法。

发明背景

整个装置周围的水平锗栅极通常由ge单线制成。这些ge单线可以例如由绝缘体基材上的ge开始、随后基材进行底切，或者由si上的ge开始、随后基材进行底切。使用该方法，不可能获得包含多个垂直堆叠的水平ge纳米线的半导体装置。

为了由ge/sige的交替堆叠制造整个装置周围的垂直堆叠的水平ge栅极(gaa)，需要sige选择性蚀刻至弛豫或应变的ge。

目前并没有已知的方法(干法或湿法)以sige相对于ge的良好选择性从sige/ge多堆叠层释放ge线。因此，必须考虑牺牲锗，这限制了后续在未来技术节点中作为致密堆叠ge线的使用。

现有技术方案中，通常使用湿法蚀刻来去除sige。湿蚀刻剂可以是例如氢氧化四甲基铵(tmah)。然而，难以通过湿法蚀刻以sige相对于ge的选择性来选择性去除sige。所述湿法蚀刻方法的选择性目前受限于最好的为约15:1，这被认为不足以维持足够的与装置所针对的节点的预期密度规则兼容的ge线尺寸。

技术实现要素：

本发明实施方式的一个目的是提供形成包含至少一个水平ge纳米线的半导体装置的良好方法。

上述目的是通过本发明所述的一种方法和装置实现的。

本发明的一些实施方式涉及形成包含至少一个ge纳米线的半导体装置的方法，所述方法包括：提供包含至少一个鳍片的半导体结构，所述至少一个鳍片包含至少一个ge层和sige层交替的堆叠；将sige至少部分氧化为sigeox；用介电材料封盖鳍片；退火(140)；选择性去除介电材料和sigeox。

本发明实施方式的一个优势是其允许由交替的ge/sige层的堆叠开始形成包含至少一个ge纳米线的半导体装置。这使得能够制造整个装置周围的多层堆叠ge极栅。本发明实施方式的一个优势是退火步骤过程中geox将会转化为sigeox，导致sige的优先氧化。因此，对于sige相对ge的去除选择性，可以获得大于15:1的选择性，或者甚至大于30:1的选择性，或者甚至大于50:1的选择性。

在本发明的一些实施方式中，所述方法包括重复氧化、封盖、退火和去除的步骤。

本发明实施方式的一个优势是重复氧化、封盖、退火和去除的步骤，因为这允许显著减小sige尺寸，同时提高对ge的选择性。

在本发明的一些实施方式中，所述方法包括使用湿法蚀刻去除介电材料和sigeox。

在本发明的一些实施方式中，去除介电材料和sigeox使用hf作为蚀刻剂来进行。

在本发明的一些实施方式中，氧化过程中的温度为低于450℃。

将温度保持在低于450的优势是三重的：(1)不会使得ge氧化物升华，(2)避免sige与ge互相混合，以及(3)不会使得ge弛豫，因为ge纳米线将会是通道层，因此它们优选保持具有应变。

在本发明的一些实施方式中，退火过程中的温度为高于500℃。

本发明实施方式的一个优势是退火步骤过程中温度可以升高至高于500℃，因为这将导致geox更好地转化为sigeox。这可能是因为施加了防止ge升华的封盖层。

在本发明的一些实施方式中，所提供半导体结构的至少一个鳍片形成于ge基材上。

在本发明的一些实施方式中，所提供半导体结构的至少一个鳍片形成于sige基材上。

本发明的一些实施方式的优势在于由于堆叠生长出与基材匹配的晶格，ge线中存在压缩应变。该压缩应变显著提高pmos性能。

在本发明的一些实施方式中，所提供半导体结构的至少一个鳍片形成于应变弛豫缓冲体上。

应变弛豫缓冲体层具有如下优势：层完全弛豫且具有低缺陷密度。在本发明的一些实施方式中，应变弛豫缓冲体可以生长在si基材的顶部。当靶向弛豫的ge线时，可以使用ge应变弛豫缓冲体。当靶向应变的ge线时，可以使用sige应变弛豫基材。

在本发明的一些实施方式中，可以使用虚拟基材。虚拟基材意味着应变弛豫缓冲体在另一基材(例如，硅基材)顶部生长。

在使用ge虚拟基材的情况下，ge线中的压缩应变显著提高pmos性能可能来自基材之外的另一来源，例如，通过使用gesn源/漏应力器来提供。

在本发明的一些实施方式中，用于封盖鳍片的介电材料是sio2。

本发明实施方式的一个优势是sio2可以容易地使用湿蚀刻剂去除。

在本发明的一些实施方式中，所述方法包括：氧化、封盖、退火、选择性去除介电材料和sigeox，直至释放至少一层ge层，从而获得至少一个ge纳米线。

在本发明的一些实施方式中，所述方法包括：选择性去除剩余sige，直至释放至少一层ge层，从而获得至少一个ge纳米线。

本发明实施方式的一个优势在于选择性地去除任意的剩余sige。本发明的一些实施方式中，这可以使用标准蚀刻剂(例如，tmah)实现，并且可以使用标准蚀刻方法以去除任意的剩余sige。由于氧化/退火/去除处理，使用标准蚀刻方法的最终步骤可以显著减少时间，导致整体显著改进对于ge的选择性。

在本发明的一些实施方式中，所述方法包括在纳米线周围施加栅极堆叠。

本发明特定和优选的方面在所附独立和从属权利要求中阐述。可以将从属权利要求中的特征与独立权利要求中的特征以及其它从属权利要求中的特征进行适当组合，而并不仅限于权利要求书中明确所述的情况。

本发明的这些和其它方面将参考下文所述的实施方式披露并阐明。

附图的简要说明

图1显示根据本发明实施方式方法的不同方法步骤的流程图。

图2显示退火步骤之后的鳍片的横截面的示意图，并且这是对于根据本发明实施方式的方法的不同重复。

图3显示根据本发明实施方式使鳍片氧化、封盖和退火之后获得的鳍片tem图像。

图4显示了：左侧为各自包含sige50％/ge/sige50％堆叠的两个鳍片的tem图像，并且右侧是根据本发明实施方式氧化、封盖和退火之后得到的堆叠。

图5显示了：左侧为各自包含sige/ge交替堆叠的两个鳍片的tem图像，并且右侧是根据本发明实施方式氧化、封盖和退火之后得到的堆叠。

图6显示使用根据本发明实施方式的方法所获得的ge纳米线的tem图像。

权利要求书中的任何引用符号不应理解为限制本发明的范围。

在不同的图中，相同的附图标记表示相同或类似的元件。

示例性实施方式的详细描述

将就具体实施方式并参照某些附图对本发明进行描述，但本发明并不受此限制，仅由权利要求书限定。描述的附图仅是说明性的且是非限制性的。在附图中，一些元素的尺寸可能被夸大且未按比例尺绘画以用于说明目的。所述尺寸和相对尺寸不与本发明实践的实际减小相对应。

在说明书和权利要求书中，术语顶、之下等用于描述目的，而不一定用于描述相对位置。应理解，如此使用的术语在合适情况下可互换使用，本发明所述的实施方式能够按照本文所述或说明的取向以外的其它取向进行操作。

应注意，权利要求中使用的术语“包含”不应解释为被限制为其后列出的部分，其不排除其它元件或步骤。因此，其应被理解为指出所述特征、集成、步骤或组分的存在，但这并不排除一种或多种其它特征、集成、步骤或组分或其组合的存在或添加。因此，表述“包括部件a和b的装置”的范围不应被限制为所述装置仅由组件a和b构成。其表示对于本发明，所述装置的相关组件仅为a和b。

说明书中提及的“一个实施方式”或“一种实施方式”是指连同实施方式描述的具体特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在说明书中各处出现的短语“在一个实施方式中”或“在一种实施方式中”不一定全部指同一个实施方式，但可能全部都指同一个实施方式。此外，具体特征、结构或特性可以任何合适方式在一个或多个实施方式中组合，这对于本领域普通技术人员而言是显而易见的。

类似地，应理解，在本发明的示例性实施方式的描述中，本发明的不同特征有时组合成一个单一实施方式、特征或其描述，这是为了简化公开内容并帮助理解本发明的一个或多个不同方面。然而，本公开内容中的方法不应被理解为反映一项发明，请求保护的本发明需要比各权利要求中明确引用的具有更多的特征。并且，如同所附权利要求所反映的那样，发明方面包括的特征可能会少于前述公开的一个单一实施方式的全部特征。因此，具体说明之后的权利要求将被明确地纳入该具体说明，并且各权利要求本身基于本发明独立的实施方式。

此外，当本文所述的一些实施方式包括一些但不包括其它实施方式中所包括的其它特征时，不同实施方式的特征的组合应意在包括在本发明范围内，并且形成不同的实施方式，这应被本领域技术人员所理解。例如，在之后的权利要求中，所请求保护的任何实施方式可以任何组合形式使用。

本文的描述中阐述了众多的具体细节。然而应理解，本发明的实施方式可不用这些具体细节进行实施。在其它情况中，为了不混淆对该说明书的理解，没有详细描述众所周知的方法、步骤和技术。

在本发明实施方式中参考ge层或ge纳米线时，该层或纳米线的锗含量可以例如为至少90％。

在本发明实施方式中参考sige层时，ge含量和si含量的比率可以例如在1至8或者甚至0.5至9之间变化。

本发明的实施方式涉及如下方法：由包含交替的sige/ge层的堆叠的鳍片形成包含至少一个ge纳米线(例如，至少一个水平ge纳米线)的水平纳米线装置。这些实施方式中，sige通过sige牺牲氧化为硅锗氧化物(sigeox)来去除，然后通过封盖沉积和随后的退火将所形成的任意geox转化为sigeox。

图1显示根据本发明实施方式方法的示例性实施方式的不同方法步骤的流程图。在执行这些不同步骤时所获得的堆叠的示意图显示在图2中。

图3、图4、和图5显示在根据本发明实施方式的方法步骤过程中获得的ge/sige堆叠的tem图。

所述方法包括：提供110包含至少一个鳍片200的半导体结构。所述至少一个鳍片包含至少一个ge层220与sige层210交替的堆叠。ge可以是弛豫或应变的ge。

此外，所述方法还包括将sige210至少部分氧化120为sigeox。一个优势是sige以高于ge的速率氧化。氧化的温度优选低于450℃，甚至优选低于400℃。这是为了防止ge的升华。此外有利的是低于所述温度避免了sige的相互混合以及ge的弛豫。

此外，所述方法包括：用介电材料230封盖鳍片200的步骤130。介电材料优选可易于去除，能够保护ge和geo2免于升华，并且对于氧化是惰性的，特别是在封盖步骤之后完成的退火步骤中具有以上性质。在本发明的实施方式中，封盖整体围绕鳍片进行。在封盖后，鳍片的顶部和鳍片的侧壁都用介电材料覆盖。

所施加的介电材料层应当对于geox气体是非多孔的。其优势是防止geox在随后的退火步骤期间升华后流失到环境中。所施加的介电材料层允许提高在随后退火步骤期间的退火温度。氧化物可以是sio2，然而，也可使用其它介电材料。介电材料应当足够厚，从而对于geox是非多孔的，并且其应当是可易于去除的(例如，通过湿法蚀刻可易于去除)。在sio2封盖层的情况下，sio2封盖层可以例如厚度为1至10nm。封盖层可以包含sion、sin、al2o3。

此外，该方法包括退火步骤140。退火步骤的优点是进一步增强sige的氧化。geox的氧用于进一步氧化sige。由此有利的是，geox不会通过升华损耗。在封盖层包含asi或多晶si的情况下，封盖可能有利于geox转化为sigeox。退火步骤的温度可以高于500℃，甚至高于550℃。退火的上限可以按照在堆叠中不会因为ge和sige之间的晶格失配产生弛豫缺陷的要求进行设置。因此，应理解最高温度与sige中所用的ge浓度有关。ge浓度越低，关于ge的晶格失配越大，因此，在弛豫发生前的退火温度越低。例如，对于sige50％和ge的堆叠，观察到弛豫。处理sige和ge的弛豫之外，sige和ge的相互混合可能造成退火温度的上限，这取决于哪一个会更早地引起问题。对于sige/si堆叠退火，在750℃下退火的过程中发现了一些有限的相互混合。随着扩散系数随ge％增加，在较低温度下可能发生相互混合。例如，相互混合可能限制最大退火温度为700℃或更低。

退火步骤140之后是选择性去除150介电材料和sigeox。本发明实施方式的一个优势是sigeox通常是低质量的氧化物，可以容易地去除。因此，sigeex可以高于ge的速率去除。例如，这可使用选择性湿法蚀刻进行。例如，这可以在hf溶液中实现。因此，减小了sige层的尺寸。在这些方法步骤之后，去除至少部分sige层，同时去除有限量的ge层。

介电材料和sigeox不一定需要一起去除。可以使用两种化学物质，一种去除介电材料，一种去除sigeox。这些去除步骤可能彼此紧跟在一起。然而，这并非严格要求。在其它实施方式中，介电材料和sigeox可以使用相同的化合物中一起去除。

在本发明的一些实施方式中，在氧化步骤120之后是封盖步骤130，随后是退火步骤140。根据本发明一些实施方式的方法可以包括：氧化120、封盖130、退火140和去除150的多次重复。在本发明的一些实施方式中，在一个重复中仅可以氧化部分sige。剩余的sige可以在随后的重复中去除。由此，在每一次重复后减小了sige层的尺寸。

本发明实施方式的优势是在重复中去除sige，在所述重复中，部分sige被氧化，随后使堆叠封盖并退火，随后去除所形成的sigeox。尽管可以通过将sige/ge/sige/ge/sige多层堆叠中的牺牲sige层完全转换成sigeox并且通过hf溶液将其去除来完全形成ge纳米线，但是有利的是实施选择性氧化方法、然后封盖、退火、并选择性地去除氧化部分的重复，因为这导致具有更高选择性的sige去除过程。在本发明的实施方式中，重复之后可以进行sige的最终选择性去除170，以最终去除sige的最后部分，这导致了总选择性的sige去除过程。该选择性去除可以是sige相对于ge的短期选择性蚀刻(shortselectiveetch)。.对于该蚀刻，可采用标准选择性蚀刻法。具有更好的选择性是有利的，因为这允许更好的控制损耗以及最终ge通道的尺寸。最终，该减小的ge损耗还可以允许在彼此顶部上的更致密的堆叠以及/或者更多的ge线。通过提高选择性，可以获得用于多层堆叠释放工艺的改进的工艺窗口。

通过重复超过一次，可以避免sige氧化为中间具有ge芯的sigeox。重复超过一次具有减小sige尺寸的优点，最终将缩短相对于ge选择性去除剩余的sige所需的最终选择性蚀刻步骤。然而，多次重复会导致剩余sige中ge含量增加(ge浓缩)，这将使得最终的选择性蚀刻步骤更难(且更久)。在本发明的一些实施方式中，在尺寸减小和ge富集之间可以实验发现最佳条件。例如，该最佳条件取决于初始浓度和所用的氧化方法。

在本发明的一些实施方式中，可以重复选择性去除步骤：氧化120、封盖130、退火140、选择性去除150介电材料和sigeox的步骤，直至释放至少一层ge层，从而获得至少一个ge纳米线。

图2a显示根据本发明实施方式的第一次重复的退火步骤140之后的鳍片的横截面的示意图。其显示出ge层220与sige层210交替的堆叠，堆叠建立在基材240上。其可以是ge基材。介电材料230可以存在作为鳍片200上的封盖。可以从图中看出，sige层210氧化多于ge层220。图2b显示出第二次重复的退火后的鳍片。在该鳍片中，sige层的尺寸甚至减小更多。图2c显示出在最后一次重复之后的鳍片的横截面，所述最后一次重复包括相对于ge选择性地去除sige的最终选择性蚀刻步骤170。sige层已经完全被去除(除了在ge基材上的sige层)，并且仅剩下ge纳米线。在该图中氧化/退火/封盖蚀刻的重复次数为2，随后是选择性蚀刻。然而，本发明不限于此。可以施加更多或更少的重复。对于每次重复，可以改变氧化和退火条件(例如，温度、持续时间)。

图3显示根据本发明实施方式使鳍片氧化、封盖和退火之后获得的鳍片200的tem图像。该鳍片对应于图2a示意图中的鳍片。在该示例中，鳍片用5nm厚si2o层封盖。对于退火步骤，采用520℃的温度。在该示例中，sige层的宽度对于顶部减小到12.7nm，对于中间减小到13.6nm，对于底部sige层210减小到15.8nm，而ge层的宽度分别保持在17.5和17.9nm。在sige和ge层之间的界面处，sigeox在每侧形成5nm的厚度，而ge层的尺寸保持不变。

这些数字仅是说明性的，但它们表明根据本发明实施方式的方法的选择性。所提供110鳍片的宽度以及由此的ge和sige层的初始宽度可以是例如8至15nm或甚至5至25nm。当提供半导体结构时，鳍片中ge层的宽度可以是例如15nm。在使用根据本发明实施方式的方法去除sige层之后，所获得的ge纳米线宽度可以是例如仍然大于6nm，或者甚至大于10nm，或者甚至是15nm。

在本发明的实施方式中，在完全去除ge纳米线之间的sige层之后ge纳米线的宽度可以是例如仅减小宽度的50％、或甚至仅减小宽度的10％。所获得的ge纳米线的数量可以是例如1至5。

该图和下图说明了在根据本发明实施方式组合氧化、封盖和退火时提高了sige/ge多层堆叠中的sige氧化。

图4显示了：左侧为各自包含sige50％/ge/sige50％堆叠的两个鳍片的tem图像，并且右侧是氧化、封盖和退火之后得到的堆叠。此处还说明了与ge相比，sige的氧化增强。在sige和ge层之间的界面处，sigeox在每侧形成4nm的厚度，而ge层的尺寸保持不变。顶部sige层210的宽度减小到约12nm(对于左侧鳍片减小到13.7nm，对于右侧鳍片减小到11.6nm)，而ge层220的宽度保持在约16nm(对于左侧鳍片保持在16.6nm，对于右侧鳍片保持在16.2nm)。

图5显示了：左侧为各自包含sige210/ge220交替堆叠的两个鳍片的tem图像，并且右侧是根据本发明实施方式氧化、封盖和退火之后得到的堆叠。

图6显示使用根据本发明实施方式的方法所获得的ge纳米线220的tem图像。在该示例中，施加一次氧化重复。在纳米线周围，存在氧化的si封盖610(这是纳米线周围的白色部分)。在氧化的si封盖610周围，存在hfo2层630。金属栅极640围绕纳米线220，并且在栅极640和纳米线220之间是氧化si封盖610和hf02层630。图还显示了ge鳍片650和浅沟槽隔离(sti)660。该图仅是示例性的，并且是非限制性的。

在本发明的实施方式中，选择性去除介电材料和sigeox的步骤之后可以是选择性蚀刻剩余的sige以使得获得至少一个ge纳米线的步骤。这可以在第一次重复后或多次重复后进行。

在本发明的一些实施方式中，所述方法可以包括在纳米线周围施加栅极堆叠。

总之，本发明的实施方式的优势在于可以通过组合蚀刻和氧化打开工艺窗口。这通过至少部分氧化sige-ge堆叠的层、在其周围放置封盖层，然后进行退火步骤来实现。发明人注意到，该氧化、加盖和退火顺序似乎主要是氧化sige。通过氧化步骤，sige和ge都被氧化。由于sigeox比geox更稳定，退火步骤将导致退火步骤后sigeox的增加和geox的减少。通过放置封盖层，可以避免geox蒸发，蒸发将会最终导致更薄的ge纳米线。此外，在退火步骤期间损耗氧化物，其被用于氧化sige。