一種局部化soi和goi器件結構及其工藝集成方法
2023-07-18 13:54:06
專利名稱：一種局部化soi和goi器件結構及其工藝集成方法
技術領域：
本發明涉及一種集成電路工藝集成方法，尤其涉及一種局部化SOI和GOI器件結構及其工藝集成方法。
背景技術：
集成電路發展到目前極大規模的納米技術時代，要進一步提高晶片的集成度和運行速度，而現有的常規矽材料和工藝正接近它們的物理極限，在進一步減小集成電路的特徵尺寸方面遇到了嚴峻的挑戰，必須在材料和工藝上有新的重大突破。目前，在材料方面重點開發絕緣體上矽、應變矽、鍺矽、金屬柵、低k及高k介質材料等。業界公認，SOI技術已成為納米技術時代取代現有單晶矽材料的解決方案之一，是維持摩爾定律走勢的利器。SOI (Silicon On hsulator，絕緣襯底上矽)技術是在頂層矽和背襯底之間引入了一層埋氧化層(Box)。通過在絕緣體上形成半導體薄膜使得SOI材料具有了體矽所無法比擬的優點可以實現集成電路中元器件的介質隔離，徹底消除了體矽CMOS電路中的寄生閂鎖效應。由於鍺和矽同處於同一周期族內，兩者有共同相同性質，開始有將鍺代替矽來製作絕緣體上矽，就形成GOI (Germanium On hsulator，絕緣體上鍺)。GOI是在高K介質澱積技術上發展起來的，同樣也被看做延續摩爾定律發展的新材料。目前，業界在SOI和GOI的器件研究主要是分別在SOI晶片和GOI晶片上的器件製備，而針對SOI和GOI的器件工藝集成研究不多。基於SOI和基於GOI的器件各有優勢，基於兩者的器件工藝集成很有研究的意義。一般將NMOS製備於SOI上，PMOS製備於GOI上。Tsutomu iTezuka 等人在 2005 年出版 Symposium on VLSI 會議上發表《A New Strained-S0I/G0I Dual CMOS Technology Based on Local Condensation Technique〉〉白勺論文中提出一種以SOI為襯底，針對SOI器件和GOI器件的工藝集成方法，其中GOI的形成使用了局部鍺氧化濃縮技術。但該工藝集成方法只是針對GOI器件的溝道區域使用局部氧化濃縮技術形成鍺層，工藝過於複雜，需要兩次光刻和刻蝕形成硬掩膜，進行兩次局部氧化濃縮工藝，並且存在光刻對準誤差的問題。
發明內容
本發明針對在集成SOI器件和GOI器件工藝中出現的問題，提出一種利用鍺氧化濃縮技術基於全局化SOI襯底晶片進行局部化SOI器件和GOI器件工藝集成方法，可以減少光刻、刻蝕及局部氧化濃縮工藝的次數，提高光刻對準率。為了實現上述目的提供一種SOI和GOI器件局部化製備工藝集成方法，其特徵在於，包括以下順序步驟
步驟1 在SOI晶片上依次澱積硬掩膜層和光刻膠層，對光刻膠層進行圖像化處理並形成開口，對開口中暴露的硬掩膜層進行刻蝕，形成GOI區域窗口 ；步驟2 對硬掩膜層窗口中暴露出的SOI晶片的頂層矽進行刻蝕，刻蝕至不露出SOI晶片的埋氧層為止，使得窗口內有一薄層矽片覆蓋在窗口下方的埋氧層；
步驟3 在窗口內的薄層矽片上進行SiGe選擇性外延生長，使得外延窗口內生長滿 Si1^xGex層，其中所述SihGex中χ大於0小於1的數值； 步驟4 刻蝕去除覆蓋在SOI晶片上的硬掩膜層；
步驟5 進行晶片表面全局化幹氧氧化處理；當SihGe5x層中鍺含量達到定值後，停止幹氧氧化並去除SOI晶片表面的二氧化矽；
步驟6 在形成的鍺層和SOI晶片的頂部矽層的表面沉積一薄層矽外延層；
步驟7 對上述形成的具有GOI的SOI晶片進行淺槽隔離、SOI器件和GOI器件製備。在上述提供集成方法中，其中所述步驟3中，SihGe5x層生長完成後去除硬掩膜層上面多餘的SihGex,並將SihGi5x回刻到硬掩膜層下Si界面位置。在上述提供集成方法中，其中所述步驟3中的回刻為幹法刻蝕或者溼法刻蝕。在上述提供集成方法中，其中所述步驟4中的刻蝕為溼法刻蝕。在上述提供集成方法中，其中所述硬掩膜層為氮化矽。在上述提供集成方法中，其中所述SOI器件和GOI器件的柵極介質層是Si02、 SiON、高k介質中的一種。在上述提供集成方法中，其中所述SOI器件和GOI器件的柵極是多晶矽、由金屬層和多晶矽形成的疊層、金屬層中的一種。在上述提供集成方法中，其中所述SOI器件和GOI器件的柵極形成方式是 Gate-first 或是 Gate-Iast0在上述提供集成方法中，其中所述步驟5中除SOI晶片表面的二氧化矽採用溼法刻蝕。本發明提供的一種SOI和GOI器件局部化製備工藝集成方法，將SOI器件和GOI 器件局部集成化，減少現有集成工藝中出現需要多次光刻、刻蝕以及局部氧化濃縮的步驟， 解決了光刻對準存在誤差問題，簡化SOI和GOI器件的局部化製備工藝。
圖1是SOI晶片結構圖。圖2是本發明實施例中形成GOI區域窗口後的結構示意圖。圖3是本發明實施例中完成對SOI晶體頂層矽刻蝕後的結構示意圖。圖4是本發明實施例中完成SiGe選擇性外延生長後或者SiGe回刻後的結構示意圖。圖5是本發明實施例中除去硬掩膜層後的結構示意圖。圖6是本發明實施例中進行幹氧氧化後的結構示意圖。圖7是本發明實施例中除去二氧化矽層後的結構示意圖。圖8是本發明實施例中在鍺層和SOI晶片的頂部矽層覆蓋矽外延薄層後的結構示意圖。圖9是本發明實施例中SOI器件和GOI器件集成化形成結構的示意圖。
具體實施例方式本發明提供一種基於全局化SOI襯底晶片，利用鍺氧化濃縮技術進行局部化SOI 器件和GOI器件工藝集成方法。對SOI晶片進行硬掩膜層(一般選用氮化矽)澱積、光刻、刻蝕等工藝，形成GOI區域窗口的硬掩膜。在GOI區域窗口中暴露的SOI晶片頂層矽進行刻蝕，刻蝕到在窗口下方的埋氧層上僅覆蓋有一薄層矽層為止，該窗口作為後續SiGe外延的籽晶。在之前形成窗口中進行SiGe選擇性外延生長(Selective Epitaxial Growth, SEG), 使得外延窗口內生長滿SihGepSihGi5x中χ大於0小於1的數值。通過刻蝕，將SOI晶片和鍺層上覆蓋的硬掩膜層去除。進行全局化晶片表面幹氧氧化。將SihGe5x層中的Si進行氧化濃縮，同樣對於SOI晶片其他矽區域也進行幹氧氧化。待SihGe5x層中鍺的含量接近或達到100%，停止幹氧氧化，即形成了 GOI材料。鍺的含量也可根據實際生產要求來確定。由於頂部矽層與SihGe5x層表面同時在進行幹氧氧化處理，去除表面二氧化矽後的頂部矽層與鍺層表面處於同一平面。鑑於鍺氧化層性質的不穩定，需要在表面上外延一薄層矽外延層(Si Epi Liner)。在之前形成的具有SOI和GOI複合結構的晶片上製備淺槽隔離，其中 Si和Ge交接處必須製備淺槽隔離，以消除截面對器件的影響。之後對晶片分別進行SOI器件和GOI器件的製備。鍺的電子和空穴遷移率都比矽快的多，分別為是矽的2. 9倍和3. 8倍，而且由於鍺具有良好的固溶性，通過常規的離子注入和高溫退火，很容易形成結，常用的金屬材料與鍺可以生成金屬鍺化物作金屬接觸。在高k介質澱積技術的發展結合絕緣體上鍺襯底工藝，使得鍺材料在半導體工業中展現出了新的活力。基於GOI材料的CMOS工藝能和矽 CMOS工藝兼容，鍺較低的禁帶寬度有利於進一步降低電壓和功耗，GOI材料被認為是可以在22nm及以下特徵尺寸上延續摩爾定律的很好的材料。鍺氧化濃縮技術是製備SGOI (SiGe On hsulator)和GOI的主要方法之一，這種方法首先在SOI片上外延低鍺含量的SihGi5x層，然後通過高溫幹氧氧化提高SihGi5x層中鍺的含量，直到鍺含量接近或達到100%形成GOI材料。下面對本發明做進行詳細描述，以使更好的理解本發明創造，但下述描述並不限制本發明的範圍。如圖1所示，SOI晶片由其底層的P型矽襯底(P-Sub)、其中間層埋氧層(Box)及頂層矽所組成。在SOI晶片上依次澱積氮化矽硬掩膜層(Hard Mask，HM)和光刻膠層，對光刻膠層進行圖像化處理並形成開口，對開口中暴露的氮化矽硬掩膜層進行刻蝕，圖2是形成GOI區域窗口的氮化矽硬掩膜後的結構圖。如圖3所示，對硬掩膜層窗口中暴露出的SOI晶片的頂層矽刻蝕，刻蝕至不露出 SOI晶片的埋氧層為止，使得窗口內有一薄層矽片覆蓋在窗口下方的埋氧層。如圖4所示，在窗口內的薄層矽片上進行SiGe選擇性外延生長，使得外延窗口內生長滿SihGe5x層，或者在SihGe5x生長後進行化學機械研磨去除硬掩膜層上面多餘的 SihGex,然後將SihGe5x回刻(etch back)到硬掩膜層下Si界面位置。採用溼法刻蝕去除覆蓋在SOI晶片上的硬掩膜層，刻蝕後的結構圖如圖5所示。如圖6所示，，進行全局化晶片表面幹氧氧化處理。當SihGex層中鍺含量接近或達到100%時，停止幹氧氧化並採用溼法刻蝕去除SOI晶片表面的二氧化矽。去除後的結構圖如圖7所示。如圖8所示，在形成的鍺層和SOI晶片的頂部矽層的表面沉積一薄層矽外延層，用於保護鍺層。對形成的具有SOI和GOI的晶片進行淺槽隔離、SOI器件和GOI器件製備等後續處理，即製成的局部化SOI器件和GOI器件。在後續處理中，SOI器件和GOI器件的柵極介質層是Si02、Si0N、高k介質中的一種，柵極是多晶矽、由金屬層和多晶矽形成的疊層、金屬層中的一種，柵極形成方式是(iate-f irst或是Gate-last。圖9為形成的一種局部化SOI器件和GOI器件結構的示意圖。 以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為範例，本發明並不限制於以上描述的具體實施例。對於本領域技術人員而言，任何對本發明進行的等同修改和替代也都在本發明的範疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和範圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的範圍內。
權利要求
1.一種SOI和GOI器件局部化製備工藝集成方法，其特徵在於，包括以下順序步驟 步驟1 在SOI晶片上依次澱積硬掩膜層和光刻膠層，對光刻膠層進行圖像化處理並形成開口，對開口中暴露的硬掩膜層進行刻蝕，形成GOI區域窗口 ；步驟2 對硬掩膜層窗口中暴露出的SOI晶片的頂層矽進行刻蝕，刻蝕至不露出SOI晶片的埋氧層為止，使得窗口內有一薄層矽片覆蓋在窗口下方的埋氧層；步驟3 在窗口內的薄層矽片上進行SiGe選擇性外延生長，使得外延窗口內生長滿 Si1^xGex層，其中所述SihGex中χ大於0小於1的數值； 步驟4 刻蝕去除覆蓋在SOI晶片上的硬掩膜層；步驟5 進行晶片表面全局化幹氧氧化處理；當SihGe5x層中鍺含量達到定值後，停止幹氧氧化並去除SOI晶片表面的二氧化矽；步驟6 在形成的鍺層和SOI晶片的頂部矽層的表面沉積一薄層矽外延層；步驟7 對上述形成的具有GOI的SOI晶片進行淺槽隔離、SOI器件和GOI器件製備。
2.根據權利要求1所述的集成方法，其特徵在於，所述步驟3中，SihGe5x層生長完成後去除硬掩膜層上面多餘的SihGex，並將SihGe5x回刻到硬掩膜層下Si界面位置。
3.根據權利要求2所述的集成方法，其特徵在於，所述步驟3中的回刻為幹法刻蝕或者溼法刻蝕。
4.根據權利要求1所述的集成方法，其特徵在於，所述步驟4中的刻蝕為溼法刻蝕。
5.根據權利要求1所述的集成方法，其特徵在於，所述硬掩膜層為氮化矽。
6.根據權利要求1所述的集成方法，其特徵在於，SOI器件和GOI器件的柵極介質層是 SiO2, SiON、高k介質中的一種。
7.根據權利要求1所述的集成方法，其特徵在於，SOI器件和GOI器件的柵極是多晶矽、由金屬層和多晶矽形成的疊層、金屬層中的一種。
8.根據權利要求1所述的集成方法，其特徵在於，SOI器件和GOI器件的柵極形成方式是 Gate-first 或是 Gate-Iast0
9.根據權利要求1所述的集成方法，其特徵在於，所述步驟5中除SOI晶片表面的二氧化矽採用溼法刻蝕。
全文摘要
本發明提供一種SOI和GOI器件局部化製備工藝集成方法，包括以下步驟在SOI晶片上依次澱積硬掩膜層和光刻膠層並圖像化形成開口，刻蝕開口中暴露的硬掩膜層，形成GOI區域窗口；刻蝕硬掩膜層窗口中暴露出的SOI晶片的頂層矽，至不露出SOI晶片的埋氧層為止，使得窗口內有薄層矽片覆蓋在窗口下方的埋氧層；在窗口內薄層矽片上進行SiGe選擇性外延生長，使得外延窗口內生長滿Si1-xGex層，其中Si1-xGex中x大於0小於1的數值；去除覆蓋在SOI晶片上的硬掩膜層；進行晶片表面全局化幹氧氧化處理；當Si1-xGex層中鍺含量達到定值後，停止幹氧氧化並去除二氧化矽；在形成的鍺層和SOI晶片的頂部矽層的表面沉積一薄層矽外延層；對形成的具有GOI的SOI晶片進行淺槽隔離、SOI器件和GOI器件製備。
文檔編號H01L21/84GK102437129SQ20111025028
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月29日 優先權日2011年8月29日
發明者俞柳江, 陳玉文, 黃曉櫓 申請人:上海華力微電子有限公司