一种具有锗硅源漏区的PMOS器件结构及其制作方法与流程

一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及半导体集成电路工艺技术领域，尤其涉及一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构及其制作方法。


背景技术：

2.随着超大型集成电路尺寸的微缩化持续发展，电路元件的尺寸越来越小且操作的速度越来越快，如何改善电路元件的驱动电流显得日益重要。
3.嵌入式锗硅技术(esige)是一种用于提高pmos晶体管器件性能的应变硅技术，通过在pmos晶体管的源漏区以选择性外延方式形成锗硅(sige)应力层，能够提高沟道空穴的迁移率，从而提高pmos晶体管的电流驱动能力。
4.请参阅图1，其显示现有的一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构。目前的pmos锗硅外延膜层结构大致分为自下而上形成在源漏沟槽11中的锗硅籽晶层(sige seed)15、锗硅主体层(sige bulk)14和硅盖帽层(si cap)13。其制作工艺一般包括以下步骤：
5.(1)先在栅极12两侧的衬底10上形成源漏沟槽11，然后在源漏沟槽11中生长含较低锗浓度的锗硅籽晶层15，以改善弛豫(relax)缺陷；
6.(2)在锗硅籽晶层15上继续生长含较高锗浓度的锗硅主体层14，以提供应变；
7.(3)在氢气气氛下进行梯度升温；
8.(4)在锗硅主体层14上继续生长硅盖帽层13(用于形成nisi金属硅化物层)。
9.然而，由于锗硅主体层14中的锗浓度较高，使得高浓度的锗硅主体层14与硅盖帽层13在界面处发生晶格失配，因而容易产生弛豫缺陷。同时，由于生长硅盖帽层13之前的梯度升温阶段的升温过程通常需要6～10分钟，且期间反应处于停止状态，此较长的等待时间，也同样容易在未发生反应的锗硅晶体表面产生弛豫风险。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构及其制作方法。
11.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
12.本发明提供一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构，包括：
13.衬底；
14.设于所述衬底上的栅极和位于所述栅极两侧的源漏区；
15.所述源漏区包括自下而上形成的锗硅籽晶层、锗硅主体层、锗硅盖帽层和硅盖帽层；
16.其中，所述锗硅盖帽层具有在梯度升温工艺中经不含锗前体的锗硅外延反应气体处理后的表面。
17.进一步地，所述源漏区设有源漏沟槽，所述锗硅籽晶层、所述锗硅主体层、所述锗硅盖帽层和所述硅盖帽层自下而上形成在所述源漏沟槽中，且所述锗硅主体层的表面自所
述源漏沟槽中露出并高于所述衬底的表面。
18.进一步地，所述锗硅盖帽层中的锗浓度自下而上递减。
19.进一步地，所述锗硅主体层中的锗浓度自下而上递增，所述锗硅盖帽层中的锗浓度自下而上由与所述锗硅主体层表面中的锗浓度一致递减到5％～10％。
20.本发明还提供一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构的制作方法，包括：
21.提供一衬底；
22.在所述衬底上形成栅极，以及在所述栅极两侧的所述衬底表面上形成源漏沟槽；
23.采用含硅前体、锗前体和刻蚀气体的第一锗硅外延反应气体，在所述源漏沟槽中通过外延生长，自下而上形成锗硅籽晶层、锗硅主体层和锗硅盖帽层；
24.执行梯度升温工艺，同时采用不含锗前体的第二锗硅外延反应气体，对所述锗硅盖帽层的表面进行处理；
25.在处理后的所述锗硅盖帽层的表面上形成硅盖帽层。
26.进一步地，在形成所述锗硅盖帽层时，采用逐渐减小所述第一锗硅外延反应气体中锗前体流量的方法，使形成的所述锗硅盖帽层中的锗浓度自下而上递减。
27.进一步地，使所述第一锗硅外延反应气体中锗前体流量逐渐减小至起始值的1/10。
28.进一步地，在形成所述锗硅盖帽层时，所述硅前体、所述锗前体和所述刻蚀气体之间的流量比满足：
29.由工艺开始时的硅前体：锗前体：刻蚀气体≌1：8：2.5的起始比例，按流量大小线性渐变至工艺结束时的硅前体：锗前体：刻蚀气体≌2：1：2的终止比例。
30.进一步地，对所述锗硅盖帽层的表面进行处理时，所述硅前体和所述刻蚀气体之间的流量比满足：
31.硅前体：刻蚀气体≌1：1。
32.进一步地，使所述硅前体和所述刻蚀气体的流量逐渐减小至起始值的一半。
33.进一步地，所述硅前体包括二氯氢硅，所述锗前体包括锗烷，所述刻蚀气体包括hcl。
34.由上述技术方案可以看出，本发明通过在锗硅主体层与硅盖帽层之间增设锗硅盖帽层，并通过调节锗前体流量以及第一锗硅外延反应气体中各反应气体之间流量比例，实现使锗硅盖帽层中的锗浓度自下而上呈递减状态，从而在锗硅主体层与硅盖帽层之间形成浓度渐变降低的锗硅缓冲层，能够明显减少锗硅本征层与硅盖帽层在界面处发生晶格失配的概率，因此可以有效解决弛豫缺陷问题。并且，本发明通过在形成硅盖帽层前的梯度升温阶段，采用不含锗前体的第二锗硅外延反应气体，对锗硅盖帽层的表面进行活化处理，使锗硅晶体表面始终处于吸热和放热的活跃状态，从而可极大程度地降低在晶体表面产生弛豫的风险。
附图说明
35.图1为现有的一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构示意图；
36.图2为本发明一较佳实施例的一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构示意图；
37.图3为本发明一较佳实施例的一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构的制作方法流
程图。
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
39.下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
40.请参阅图2，图2为本发明一较佳实施例的一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构示意图。如图2所示，本发明的一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构，包括：衬底100，设于衬底100上的栅极102和位于栅极102两侧的源漏区。
41.其中，源漏区中自下而上形成有锗硅籽晶层(sige seed)106、锗硅主体层(sige bulk)105、锗硅盖帽层(sige cap)104和硅盖帽层(si cap)103。并且，锗硅盖帽层104中的锗浓度自下而上递减，且锗硅盖帽层104具有在梯度升温工艺中经不含锗前体的锗硅外延反应气体(第二锗硅外延反应气体)处理后的上表面。
42.请参阅图2。在一较佳实施例中，衬底100可采用常规半导体衬底100，例如可采用由单晶硅、多晶硅或非晶硅等形成的硅材料衬底100，或是绝缘体上硅材料(soi)衬底100等。衬底100也可以是采用其他半导体材料或其他结构的衬底100。
43.栅极102可采用常规栅极102结构，例如具有侧墙的金属栅极结构等。本发明不作限定。
44.在一较佳实施例中，源漏区可设有源漏沟槽101；锗硅籽晶层106、锗硅主体层105、锗硅盖帽层104和硅盖帽层103自下而上地形成在源漏沟槽101中。
45.在一较佳实施例中，锗硅主体层105的上表面自源漏沟槽101中露出，并高于衬底100的上表面。
46.在一较佳实施例中，锗硅主体层105中的锗浓度自下而上递增；锗硅盖帽层104中的锗浓度自下而上递减，且由与锗硅主体层105上表面中的锗浓度一致的下表面状态，递减到锗浓度为5％～10％的上表面状态。
47.在一较佳实施例中，锗硅主体层105中的锗浓度自下而上可由30％递增至40％；锗硅盖帽层104中的锗浓度自下而上可由40％递减至5％～10％。
48.在一较佳实施例中，锗硅盖帽层104的厚度可为15～35埃左右。
49.下面结合附图，对本发明的一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构的制作方法作进一步的详细说明。
50.请参阅图3并结合参阅图2。本发明的一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构的制作方法，可用于制作例如图2的一种具有锗硅源漏区的pmos器件结构，并可包括以下步骤：
51.步骤s1：提供一衬底100。
52.在一较佳实施例中，衬底100可采用例如硅衬底100。
53.步骤s2：在衬底100上形成栅极102，以及在栅极102两侧的衬底100表面上形成源漏沟槽101。
54.在一较佳实施例中，可在硅衬底100上采用常规栅极工艺，制作形成栅极102结构。
55.接着，可采用常规光刻和刻蚀工艺，在栅极102两侧的硅衬底100表面上形成源漏沟槽101。
56.步骤s3：采用含硅前体、锗前体和刻蚀气体的第一锗硅外延反应气体，在源漏沟槽101中通过外延生长，自下而上形成锗硅籽晶层106、锗硅主体层105和锗硅盖帽层104，并使锗硅盖帽层104中的锗浓度自下而上递减。
57.在一较佳实施例中，第一锗硅外延反应气体中的硅前体可包括二氯氢硅(dcs)等，锗前体可包括锗烷(geh4)等，刻蚀气体可包括hcl等。
58.在源漏沟槽101中，可先通入第一锗硅外延反应气体，在源漏沟槽101的内壁上通过外延生长形成常规的锗浓度较低的锗硅籽晶层106。
59.然后，可继续通入第一锗硅外延反应气体，在已形成的锗硅籽晶层106上进一步生长形成锗硅主体层105。
60.在一较佳实施例中，在形成锗硅主体层105时，可采用逐渐增加第一锗硅外延反应气体中锗烷流量的方法，使形成的锗硅主体层105中的锗浓度自下而上呈递增状态。例如，可通过逐渐增加第一锗硅外延反应气体中的锗烷流量，使形成的锗硅主体层105中的锗浓度自下而上由30％递增至40％。
61.接着，可继续通入第一锗硅外延反应气体，在已形成的锗硅主体层105上进一步生长形成锗硅盖帽层104。
62.在一较佳实施例中，在形成锗硅盖帽层104时，可采用逐渐减小第一锗硅外延反应气体中锗烷流量的方法，使形成的锗硅盖帽层104中的锗浓度自下而上呈递减状态。
63.在一较佳实施例中，在形成锗硅盖帽层104时，可采用逐渐减小第一锗硅外延反应气体中锗烷流量的方法，使形成的锗硅盖帽层104中的锗浓度自下而上由与锗硅主体层105上表面中的锗浓度一致递减到锗浓度为5％～10％的状态。
64.在一较佳实施例中，在形成锗硅盖帽层104时，采用的工艺温度可与形成锗硅主体层105时一致。并且，对第一锗硅外延反应气体可采取按流量大小线性渐变的设定方式。例如，在工艺开始时，对第一锗硅外延反应气体的起始比例可设定为：
65.dcs：geh4：hcl≌1：8：2.5；
66.在工艺结束时，对第一锗硅外延反应气体的终止比例可设定为：
67.dcs：geh4：hcl≌2：1：2。
68.其中，当dcs、geh4和hcl之间的流量比取约等于上述比值时，各比值的波动范围可为正负10％。
69.在一较佳实施例中，在形成锗硅盖帽层104时，且在工艺结束时，对第一锗硅外延反应气体中锗烷的流量设定可逐渐减小至起始值的1/10。
70.形成的锗硅盖帽层104的厚度可为15～35埃左右，锗硅盖帽层104中的锗浓度从和锗硅主体层105一致渐变降低到5％～10％左右，可作为锗硅主体层105与硅盖帽层103之间的缓冲层。
71.步骤s4：执行梯度升温工艺，同时采用不含锗前体的第二锗硅外延反应气体，对锗
硅盖帽层104的表面进行处理。
72.在一较佳实施例中，执行梯度升温工艺(ramp up)，使温度逐渐升至硅盖帽层103的工艺温度，在此过程中可通过停止通入锗烷，并保持通入第一锗硅外延反应气体中的dcs和hcl，形成不含锗烷的第二锗硅外延反应气体的通入状态。
73.在一较佳实施例中，可持续地通入dcs和hcl气体。并且，对第二锗硅外延反应气体可采取按流量大小线性渐变的设定方式。
74.在对锗硅盖帽层104的表面进行活化处理时，应注意控制气体比例。例如，第二锗硅外延反应气体的起始设定比例可设定为：
75.dcs:hcl≌1：1；
76.处理结束时，第二锗硅外延反应气体的流量设定较初始值可均作减半设定，且比例可设定为：
77.dcs:hcl≌1：1。
78.其中，dcs和hcl之间的流量比取约等于上述比值时，各比值的波动范围可为正负10％。
79.此处理步骤不需要生长膜层，但可以使锗硅盖帽层104的晶体表面一直处于吸热和放热活跃状态，从而可以极大程度降低弛豫风险。
80.步骤s5：在处理后的锗硅盖帽层104的表面上形成硅盖帽层103。
81.之后，即可采用常规外延工艺，在处理后的锗硅盖帽层104的表面上进一步形成硅盖帽层103。
82.综上，本发明通过在锗硅主体层105与硅盖帽层103之间增设锗硅盖帽层104，并通过调节锗前体流量以及第一锗硅外延反应气体中各反应气体之间流量比例，实现使锗硅盖帽层104中的锗浓度自下而上呈递减状态，从而在锗硅主体层105与硅盖帽层103之间形成浓度渐变降低的锗硅缓冲层，能够明显减少锗硅本征层与硅盖帽层103在界面处发生晶格失配的概率，因此可以有效解决弛豫缺陷问题。并且，本发明通过在形成硅盖帽层103前的梯度升温阶段，采用不含锗前体的第二锗硅外延反应气体，对锗硅盖帽层104的表面进行活化处理，使锗硅晶体表面始终处于吸热和放热的活跃状态，从而可极大程度地降低在晶体表面产生弛豫的风险。
83.虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。