具有GeSn溝道的MOSFET及其形成方法
2023-06-01 14:20:21
具有GeSn溝道的MOSFET及其形成方法
【專利摘要】本發明提出一種具有GeSn溝道的MOSFET及其形成方法。其中形成方法包括以下步驟：提供頂部具有Ge層的襯底；向Ge層表層注入含有Sn元素的原子、分子、離子或等離子體，以形成GeSn層；在GeSn層之上形成柵堆疊結構，並在柵堆疊結構兩側形成源和漏。本發明的MOSFET的形成方法能夠形成具有GeSn溝道的場效應電晶體，其中GeSn溝道的厚度較薄、晶體質量較好，因此電晶體具有良好的電學性能，且本方法具有簡單易行、成本低的優點。
【專利說明】具有GeSn溝道的MOSFET及其形成方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體製造領域，具體涉及一種具有GeSn溝道的MOSFET及其形成方法。
【背景技術】
[0002]隨著微電子技術的發展，器件尺寸的不斷縮小，Si材料較低的遷移率已成為制約器件性能的主要因素。為了不斷提升器件的性能，必須採用更高遷移率的溝道材料。目前研究的主要技術方案為:採用Ge或SiGe材料做PM0SFET器件的溝道材料，II1-V化合物半導體材料為NM0SFET器件的溝道材料。Ge具有四倍於Si的空穴遷移率，隨著研究的不斷深入，Ge或SiGe溝道MOSFET中的技術難點逐一被攻克。與Ge相兼容的Ge1 _xSnx (GeSn)合金是一種IV族半導體材料，具有良好的半導體特性，例如，應變GeSn材料具有比Ge更高的空穴遷移率，具有應用於PM0SFET器件溝道的前景，且與矽的互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝具有良好的兼容性。
[0003]然而，直接生長高質量高Sn含量的GeSn合金非常困難。首先，Sn在Ge中的平衡固溶度小於1% (約為0.3%);其次，Sn的表面能比Ge小，非常容易發生表面分凝；再次，Ge和α -Sn具有很大的晶格失配(14.7%)。
[0004]在生長GeSn材料時，通常採用的方法為分子束外延(ΜΒΕ)。其中，現有的MBE工藝生長GeSn材料的過程為:將Sn固體金屬作為Sn源材料置入真空腔的Sn固體源爐中；將襯底置入分子束外延源爐的真空腔的加熱器上，對真空腔抽真空，對襯底加熱；對Sn固體金屬加熱，使Sn固體金屬熔化，蒸發產生Sn的原子，打開擋板，使Sn原子到達襯底表面；向分子束外延源爐的真空腔內通入含有Ge的化合物氣體，使Ge原子澱積到襯底表面，完成GeSn合金的外延生長。該方法可得到晶體質量較好的GeSn薄膜，但設備昂貴，生長過程較為費時，成本較高，在大規模生產中將受到一定限制。也有人採用化學氣相澱積(CVD)工藝生長GeSn薄膜，但製得的GeSn薄膜質量較差，熱穩定性不佳，Sn易分凝，也不適用於半導體器件。並且，在MOSFET結構中，一般需要採用選區形成的方法在源和漏區形成GeSn，理論上可以採用化學氣相澱積來選擇性生長GeSn薄膜，而目前該方法在非選擇性生長GeSn合金時的熱穩定性不佳，Sn易分凝，其選擇性生長工藝尚不成熟，成本也較高。
【發明內容】
[0005]本發明旨在至少在一定程度上解決上述MOSFET中難以形成質量好的GeSn薄膜、生產成本高的問題。為此，本發明的目的在於提出一種簡單易行且成本低的具有GeSn溝道的場效應電晶體及其形成方法。
[0006]為實現上述目的，根據本發明實施例的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法可以包括以下步驟:提供頂部具有Ge層的襯底；向所述Ge層表層注入含有Sn元素的原子、分子、離子或等離子體，以形成GeSn層；在所述GeSn層之上形成柵堆疊結構，並在所述柵堆疊結構兩側形成源和漏。[0007]根據本發明實施例的形成方法能夠形成具有GeSn溝道的場效應電晶體，其中GeSn溝道的厚度較薄、晶體質量較好，因此電晶體具有良好的電學性能，本方法具有簡單易行、成本低的優點。
[0008]可選地，根據本發明實施例的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法還具有如下技術特徵:
[0009]在本發明的一個示例中，還包括:在所述注入之前在所述襯底之上形成掩膜，在掩膜中形成器件區的開口，在所述開口位置露出所述Ge層。
[0010]在本發明的一個示例中，還包括:在所述柵堆疊兩側形成柵側牆。
[0011]在本發明的一個示例中，所述注入的方法包括離子注入。
[0012]在本發明的一個示例中，所述離子注入包括等離子體源離子注入和等離子體浸沒離子注入。
[0013]在本發明的一個示例中，所述注入的方法包括磁控濺射。
[0014]在本發明的一個示例中，在利用所述磁控濺射注入的過程中，在所述襯底上加載負偏壓。
[0015]在本發明的一個示例中，還包括:去除所述磁控濺射在所述GeSn層之上形成的Sn薄膜。
[0016]在本發明的一個示例中，利用對GeSn和Sn具有高腐蝕選擇比的溶液清洗以去除所述Sn薄膜。
[0017]在本發明的一個示例中，所述注入的過程中對所述襯底加熱，加熱溫度為100-600。。。
[0018]在本發明的一個示例中，還包括:在所述注入之後，對GeSn層退火，退火溫度為100-600。。。
[0019]在本發明的一個示例中，所述GeSn層為應變GeSn層。
[0020]在本發明的一個示例中，所述應變GeSn層的厚度為0.5-lOOnm。
[0021]在本發明的一個不例中，所述應變GeSn層中Sn的原子百分含量小於20%。
[0022]在本發明的一個示例中,所述頂部具有Ge層的襯底包括:純Ge襯底、絕緣體上Ge襯底、具有Ge表面的Si襯底。
[0023]為實現上述目的，根據本發明實施例的具有GeSn溝道的M0SFET，包括:襯底；形成在襯底的頂部的GeSn溝道；形成在所述GeSn溝道之上的柵堆疊結構；以及形成在所述柵堆疊結構兩側的源和漏。
[0024]根據本發明實施例的具有GeSn溝道的M0SFET，具有電學性能好的優點。
[0025]本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0027]圖1是本發明第一實施例的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法的流程圖。
[0028]圖2 Ca)至圖2 (C)是圖1所示的形成方法的具體過程示意圖。[0029]圖3是本發明第二實施例的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法的流程圖。
[0030]圖4 Ca)至圖4 Cd)是圖3所示的形成方法的具體過程示意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0032]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵之「上」或之「下」可以包括第一和第二特徵直接接觸，也可以包括第一和第二特徵不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特徵接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」包括第一特徵在第二特徵正上方和斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」包括第一特徵在第二特徵正下方和斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
[0033]根據本發明第一實施例的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，如圖1所示，可以包括如下步驟:
[0034]Sll.提供頂部具有Ge層的襯底。
[0035]具體地,該襯底10可以是純Ge襯底、絕緣體上Ge襯底(Ge-On-1nsulator, GeOI )、具有Ge表面的Si襯底(包括表面局部區域為Ge的Si襯底)等等，參考圖2 (a)。對於表面局部區域為Ge的Si襯底，在本發明的一個實施例中，可以通過選擇性外延工藝在Si襯底之上局部區域外延形成Ge層；在本發明的另一個實施例中，可以在具有Ge表面的Si襯底上通過光刻和刻蝕工藝形成表面局部區域為Ge的Si襯底。
[0036]S12.向Ge層表層注入含有Sn元素的原子、分子、離子或等離子體，以形成GeSn層。
[0037]具體地，向Ge層表層注入含有Sn元素的原子、分子、離子或等離子體，將Ge層表層或全部Ge層轉變為目標GeSn層20。該GeSn層20可以用作MOSFET的溝道區、源區和漏區。參考圖2 (b)。當然，該GeSn層20也可以僅用作MOSFET的溝道區。
[0038]S13.在GeSn層之上形成柵堆疊結構，並在柵堆疊結構兩側形成源和漏。
[0039]具體地，在GeSn層20之上形成包括柵介質層30a和柵極層30b的柵堆疊結構30。以及，可以通過摻雜等工藝在柵堆疊結構30兩側的GeSn層20中形成源和漏。至此，形成了具有GeSn溝道區的MOSFET。可選地，還可以在柵堆疊30兩側形成柵側牆40。參考圖2
(C)。需要說明的是，步驟S13中，可以採用先柵工藝(即先形成柵堆疊結構後形成源和漏)，也可以採用後柵工藝(即先形成假柵，再形成源和漏，然後去除假柵，最後在假柵區域形成柵堆疊結構)。
[0040]根據本發明實施例的MOSFET的形成方法，能夠形成具有溝道、源和漏均為GeSn材料的場效應電晶體，其中GeSn溝道的厚度較薄、晶體質量較好，因此電晶體具有良好的電學性能，本方法具有簡單易行、成本低的優點。
[0041]根據本發明第二實施例的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，如圖3所示，可以包括如下步驟:
[0042]S21.提供頂部具有Ge層的襯底。[0043]具體地，提供襯底10，該襯底10可以是純Ge襯底、絕緣體上Ge襯底(Ge-On-1nsulator, GeOI)、具有Ge表面的Si襯底(包括表面局部區域為Ge的Si襯底)等等，參考圖4(a)。對於表面局部區域為Ge的Si襯底，在本發明的一個實施例中，可以通過選擇性外延工藝在Si襯底之上局部區域外延形成Ge層；在本發明的另一個實施例中，可以在具有Ge表面的Si襯底上通過光刻和刻蝕工藝形成表面局部區域為Ge的Si襯底。
[0044]S22.在襯底之上形成掩膜，在掩膜中形成器件區的開口，在開口位置露出Ge層。
[0045]具體地，在襯底10之上通過沉積或塗覆工藝形成掩膜10a，然後在掩膜IOa上通過光刻和刻蝕工藝形成圖形化的器件區的開口，在開口位置露出Ge層。參考圖4 (b)。
[0046]S23.向Ge層表層注入含有Sn元素的原子、分子、離子或等離子體，以在開口位置形成GeSn層。
[0047]具體地，向Ge層表層注入含有Sn元素的原子、分子、離子或等離子體，將開口處暴露出的Ge層表層或全部Ge層轉變為目標GeSn層20。參考圖4 (C)。注入之後,掩膜IOa可以去除也可以保留。
[0048]S24.在GeSn層之上形成柵堆疊結構，並在柵堆疊結構兩側形成源和漏。
[0049]具體地，在GeSn層20之上形成包括柵介質層30a和柵極層30b的柵堆疊結構30。以及，可以通過摻雜等工藝在柵堆疊結構30兩側的GeSn層20中形成源和漏。至此，形成了具有GeSn溝道區的MOSFET。可選地，還可以在柵堆疊30兩側形成柵側牆40。參考圖4⑷。
[0050]根據本發明實施例的MOSFET的形成方法，能夠形成具有溝道為GeSn材料、源和漏為Ge材料的場效應電晶體，其中GeSn溝道的厚度較薄、晶體質量較好，因此電晶體具有良好的電學性能，本方法具有簡單易行、成本低的優點。
[0051]根據本發明上述實施例的MOSFET的形成方法中，通過利用注入工藝對原有的Ge層進行表面改性。即將含有Sn元素的原子、分子、離子或等離子體注入到原有的Ge層中，通過控制合適的溫度和注入劑量，使注入的Sn元素不明顯擴散，就可以使得晶格中的Sn原子不會聚集形成Sn的沉澱物，保持GeSn合金的亞穩態而不發生分凝，這樣可以得到厚度較薄、質量較好的GeSn層，具有簡單易行、成本低的優點。而已有的GeSn形成方法中，MBE方法需要昂貴的設備且需要超高真空，工藝複雜且成本高；CVD方法還不完全成熟，因為生長溫度高，所以處於亞穩態的GeSn經常發生Sn元素的分凝，從而影響GeSn層的晶體質量，且其設備和氣源較為昂貴，因而成本也較高。
[0052]需要說明的是，在注入工藝過程中，原有的Ge層可以僅有表層部分變化為GeSn層，也可以全部變化為GeSn層。具體地，當MOSFET的源和漏需要形成較厚的GeSn層時，可以注入含有Sn元素的離子或等離子體。離子和等離子體能量高，可以注入達到一定深度。當MOSFET的源和漏需要形成較薄的GeSn層時，不僅注入離子或等離子體可以形成GeSn層，注入Sn原子或含有Sn兀素的分子也可以形成GeSn層。
[0053]在本發明的一個示例中，注入的方法可以採用離子注入，S卩:將具有一定能量的、含有Sn元素的離子束(包括Sn離子或含Sn元素的等離子體)入射到Ge層中去，並停留在Ge層中，使Ge層部分或全部轉換為GeSn合金。通過改變離子束的能量來改變注入的深度，離子束能量越高，則注入越深。在注入過程中，可以採用變化的電壓來獲得變化的離子束能量，從而使Sn元素在一定範圍內較為均勻地分布。具體地，除常規的離子注入外，離子注入還包括等離子體源離子注入和等離子體浸沒離子注入，即等離子體基離子注入。在等離子體基離子注入時，Ge層湮沒在含有Sn元素的等離子體中，含Sn元素的正離子在電場作用下被加速，射向Ge層表面並注入到Ge層中。通過等離子體基離子注入，可以很容易達到很高的注入劑量，即很容易獲得1%?20%的Sn含量的GeSn層，生產效率很高，成本也很低，且受表面形狀的影響小，即非平面的Ge表面也可以實現均勻地注入。離子注入可以形成較厚的GeSn層，注入能量越高，GeSn層越厚。優選地，GeSn層的厚度為0.5-100nm。
[0054]在本發明的一個示例中，注入的方法可以採用磁控濺射。磁控濺射時，Ar離子在電場作用下加速飛向陰極Sn靶或含Sn的靶材，並以高能量轟擊靶表面，使靶材發生濺射。濺射粒子主要是原子，還有少量離子。通過調整電場電壓，真空度等工藝參數，使濺射粒子具有較高的能量，並以較高的速度射向Ge層，部分粒子可以注入到Ge層中並形成亞穩態的GeSn合金。可選地，在利用磁控濺射向Ge層注入的過程中，在襯底上加載負偏壓，比如-40?-120V，這樣可以使濺射出的部分粒子具有更高能量，有利於粒子注入到Ge表層的更深處，例如可以深至若干納米。需要說明的是，由於磁控濺射時濺射出的材料較多，通常會在形成GeSn層之後進一步形成Sn薄膜。因此在磁控濺射之後，還需要去除磁控濺射在GeSn層之上形成的Sn薄膜。例如，可以利用對GeSn和Sn具有高腐蝕選擇比的溶液清洗以去除Sn薄膜以及露出GeSn層。常見的清洗溶液包括稀鹽酸、稀硫酸、稀硝酸。清洗後保留下來的GeSn層的厚度為0.5_20nm，優選地，該GeSn層厚度為0.5-lOnm。
[0055]在本發明的一個示例中，在注入工藝中加熱溫度可控制在100-600°C之間，優選150-450°C。在該溫度範圍下得到的薄膜質量更好。溫度過低，注入帶來的損傷不能修復，GeSn層的質量較差；溫度過高，將使得GeSn層中的Sn擴散嚴重，而Sn在Ge中的固溶度很低(平衡態下為原子百分比0.3%)，GeSn層中的Sn容易析出形成Sn沉澱物。
[0056]在本發明的一個示例中，在形成GeSn層之後還可以通過退火處理來強化該GeSn層。退火的溫度範圍為100-600°C，優選150-450°C。溫度過低，注入帶來的損傷不能修復，GeSn層的質量較差；溫度過高，將使得GeSn層中的Sn擴散嚴重，而Sn在Ge中的固溶度很低，GeSn中的Sn容易析出形成Sn沉澱物。
[0057]在本發明的一個示例中，GeSn層為應變GeSn層。應變GeSn層的厚度為
0.5-100nm。優選為5_20nm。應變GeSn層中Sn的原子百分含量小於20%。需要說明的是，完全應變的GeSn層中Sn含量越高，其應變度越大，相應地其厚度應降低到弛豫的臨界厚度以下，才能保持完全應變。應變GeSn層中Sn含量越高，則其臨界厚度越薄。當Sn含量為10%時，Ge上完全應變的GeSn薄膜的應變度約為1.5%，此時應變GeSn層的臨界厚度約30nm,亦即此時MOSFET溝道區的GeSn厚度不宜超過30nm ;而當Sn含量為5%時，其應變度約0.8%，其臨界厚度可以達到IOOnm以上，說明此時MOSFET溝道區的GeSn厚度可以達到IOOnm而GeSn層仍保持完全應變。
[0058]需要進一步說明的是，當GeSn層為應變GeSn層時，注入工藝中加熱溫度和退火工藝中退火溫度的高低需要與應變GeSn層的材料性質匹配。例如常見MOSFET器件中需要Sn的原子百分含量為3-8%的應變GeSn層，而Sn原子百分含量為8%的GeSn層在450°C下基本是穩定的，所以此時注入工藝中加熱溫度和退火工藝中退火溫度需要不超過450°C。
[0059]本發明還提出了一種具有GeSn溝道的M0SFET，由上述公開的任一種方法形成，包括:襯底；形成在襯底的頂部的GeSn溝道；形成在GeSn溝道之上的柵堆疊結構；以及形成在柵堆疊結構兩側的源和漏。該具有GeSn溝道的MOSFET，具有電學性能好的優點。
[0060]為使本領域技術人員更好地理解本發明，闡述具體實施例如下:
[0061]首先，準備絕緣體上Ge襯底，並依次採用丙酮、無水乙醇、去離子水及氫氟酸清洗備用。
[0062]其次，在Ge襯底表面澱積Si02作為掩膜，光刻並刻蝕出器件區的開口，暴露出局部的Ge襯底頂表面。
[0063]接著，採用等離子體浸沒離子注入工藝，向襯底中注入含有Sn元素的等離子體，此時襯底加熱溫度為100-200°C，注入電壓為10-25KeV，注入劑量約為5X1016/cm2。注入完成後，即在器件區Ge層表層形成了 15-30nm厚的應變GeSn層，Sn含量約為8%。對離子注入完成的襯底進行退火處理，退火溫度為200-300°C，以進一步強化GeSn層。
[0064]然後，在Ge襯底之上依此沉積柵介質材料HfO2和柵極材料TaN/TiAl/TiN，然後通過光刻和刻蝕工藝，得到了圖形化的Hf02/TaN/TiAl/TiN柵堆疊。沉積柵側牆材料，可以用氮化矽作為柵側牆材料，通過幹法刻蝕工藝，在柵堆疊兩側形成柵側牆。
[0065]最後，對柵堆疊兩側的GeSn層頂表面進行重摻雜工藝以形成源和漏。
[0066]此時，獲得了溝道區、源漏區均為GeSn材料的MOSFET器件。
[0067]在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0068]儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權利要求】
1.一種具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，包括以下步驟: 提供頂部具有Ge層的襯底； 向所述Ge層表層注入含有Sn元素的原子、分子、離子或等離子體，以形成GeSn層； 在所述GeSn層之上形成柵堆疊結構，並在所述柵堆疊結構兩側形成源和漏。
2.如權利要求1所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，還包括:在所述注入之前在所述襯底之上形成掩膜，在掩膜中形成器件區的開口，在所述開口位置露出所述Ge層。
3.如權利要求1或2所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，還包括:在所述柵堆疊兩側形成柵側牆。
4.如權利要求1-3任一項所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，所述注入的方法包括離子注入。
5.如權利要求4所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，所述離子注入包括等離子體源離子注入和等離子體浸沒離子注入。
6.如權利要求1-3任一項所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，所述注入的方法包括磁控濺射。
7.如權利要求6所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，在利用所述磁控濺射注入的過程中，在所述襯底上加載負偏壓。
8.如權利要求6或7所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，還包括:去除所述磁控濺射在所述GeSn層之上形成的Sn薄膜。
9.如權利要求8所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，利用對GeSn和Sn具有高腐蝕選擇比的溶液清洗以去除所述Sn薄膜。
10.如權利要求1-3任一項所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，所述注入的過程中對所述襯底加熱，加熱溫度為100-600°C。
11.如權利要求1-3任一項所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，還包括:在所述注入之後，對GeSn層退火，退火溫度為100-600°C。
12.如權利要求1-3任一項所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，所述GeSn層為應變GeSn層。
13.如權利要求12所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，所述應變GeSn層的厚度為0.5-100nm。
14.如權利要求12所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，所述應變GeSn層中Sn的原子百分含量小於20%。
15.如權利要求1-14任一項所述的具有GeSn溝道的MOSFET的形成方法，其特徵在於，所述頂部具有Ge層的襯底包括:純Ge襯底、絕緣體上Ge襯底、具有Ge表面的Si襯底。
16.一種具有GeSn溝道的M0SFET，其特徵在於，包括: 襯底； 形成在襯底的頂部的GeSn溝道； 形成在所述GeSn溝道之上的柵堆疊結構；以及 形成在所述柵堆疊結構兩側的源和漏。
【文檔編號】H01L21/265GK103839831SQ201410064584
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月25日 優先權日:2014年2月25日
【發明者】王敬, 肖磊, 趙梅, 梁仁榮, 許軍 申請人:清華大學