專(zhuān)利名稱(chēng)：應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體設(shè)計(jì)及制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)變GeOI (絕緣體上Ge) 結(jié)構(gòu)及其形成方法。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)期以來(lái)，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的特征尺寸一直遵循著所謂的摩爾定律(Moore’ s law)不斷按比例縮小，其工作速度越來(lái)越快，但是，對(duì)于基于Si材料本身的而言，已經(jīng)接近于物理與技術(shù)的雙重極限。因而，人們?yōu)榱瞬粩嗵嵘?MOSFET器件的性能提出了各種各樣的方法，從而MOSFET器件的發(fā)展進(jìn)入了所謂的后摩爾 (More-Than-Moore)時(shí)代?；诋愘|(zhì)材料結(jié)構(gòu)尤其是Si基Ge材料等高載流子遷移率材料系統(tǒng)的高遷移率溝道工程是其中的一種卓有成效的技術(shù)。例如，將Ge與具有SiO2絕緣層的Si片直接鍵合形成GeOI結(jié)構(gòu)就是一種具有高空穴遷移率的Si基Ge材料，具有很好的應(yīng)用前景。現(xiàn)有GeOI結(jié)構(gòu)是將Ge與SiO2等絕緣氧化物直接鍵合，或者Ge上形成有再與硅片鍵合?，F(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)是，在GeOI技術(shù)中如果直接在絕緣氧化物襯底之上形成 Ge材料，由于Ge材料與絕緣氧化物之間的接觸界面比較差，尤其是界面態(tài)密度很高，從而引起比較嚴(yán)重的散射和漏電，最終影響了器件性能。此外，由于Ge層非常薄，因此Ge層難于形成應(yīng)變，而合適的溝道應(yīng)變可以有效改善器件性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是解決目前GeOI結(jié)構(gòu)中Ge 與氧化物絕緣體之間界面態(tài)很差的缺陷，以及Ge層難于形成應(yīng)變的缺陷。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面提出一種應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)，包括表面具有氧化物絕緣層的硅襯底；形成在所述氧化物絕緣層之上的Ge層，其中，所述Ge層與所述氧化物絕緣層之間形成有第一鈍化薄層；形成在所述Ge層之上的柵堆疊，以及形成在所述柵堆疊之下的溝道區(qū)和溝道區(qū)兩側(cè)的漏區(qū)和源區(qū)；和多個(gè)淺溝槽隔離STI結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)STI結(jié)構(gòu)穿透所述氧化物絕緣層延伸至所述硅襯底中，且所述STI結(jié)構(gòu)中填充有引入應(yīng)變的絕緣介質(zhì)材料以使所述溝道區(qū)產(chǎn)生應(yīng)變。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一鈍化薄層為鍶鍺化物薄層、鋇鍺化物薄層、 GeSi鈍化薄層或Si薄層。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括形成在所述Ge層之上的第二鈍化薄層，所述第二鈍化薄層為鍶鍺化物薄層、鋇鍺化物薄層或GeSi鈍化薄層。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述氧化物絕緣層和所述Ge層之間通過(guò)鍵合方式相連。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述絕緣介質(zhì)材料為氮化硅。本發(fā)明另一方面還提出了一種應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)的形成方法，包括以下步驟在第一襯底之上形成Ge層；對(duì)所述Ge層的第一表面進(jìn)行處理以形成第一鈍化薄層；將所述第一襯底、所述Ge層及所述第一鈍化薄層翻轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)移至表面具有氧化物絕緣層的硅襯底；去除所述第一襯底；形成位于所述Ge層之上的柵堆疊，并形成位于所述柵堆疊之下形成溝道區(qū)，以及位于所述溝道區(qū)兩側(cè)的漏區(qū)和源區(qū)；刻蝕所述表面具有氧化物絕緣層的硅襯底以形成多個(gè)STI結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)STI結(jié)構(gòu)穿透所述氧化物絕緣層延伸至所述硅襯底中；和在所述多個(gè)STI結(jié)構(gòu)中填充引入應(yīng)變的絕緣介質(zhì)材料以使所述溝道區(qū)產(chǎn)生應(yīng)變。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一鈍化薄層為鍶鍺化物薄層、鋇鍺化物薄層、 GeSi鈍化薄層或Si薄層。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述去除第一襯底之后，還包括對(duì)所述Ge層的第二表面進(jìn)行處理以形成第二鈍化薄層，所述第二鈍化薄層為鍶鍺化物薄層、鋇鍺化物薄層或GeSi鈍化薄層。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)鍵合方式將所述第一鈍化薄層與所述氧化物絕緣層相連。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述絕緣介質(zhì)材料為氮化硅。在本發(fā)明實(shí)施例中通過(guò)第一鈍化層可以改善Ge材料與絕緣氧化物之間的界面態(tài)問(wèn)題，從而降低該界面處的漏電和散射。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)第一鈍化層可以改善 Ge材料與絕緣氧化物之間的界面態(tài)問(wèn)題，從而降低該界面處的漏電和散射。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，鍶鍺化物或鋇鍺化物形成的鈍化薄層屬于半導(dǎo)體，因此不僅可以改善Ge材料與絕緣氧化物之間的界面態(tài)問(wèn)題，降低該界面處的漏電和散射，另外也不會(huì)過(guò)度降低Ge材料的遷移率性能。此外，通過(guò)本發(fā)明實(shí)施例的多個(gè)由具有應(yīng)變的絕緣介質(zhì)填充的STI結(jié)構(gòu)使柵堆疊之下的Ge溝道區(qū)產(chǎn)生所需的應(yīng)變，從而提高器件性能。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)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(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2-7為本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)的形成方法的中間步驟示意圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。下文的公開(kāi)提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)化本發(fā)明的公開(kāi)，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之 “上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實(shí)施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)的示意圖。該GeOI結(jié)構(gòu)包括表面有氧化物絕緣層1200的硅襯底1100和形成在氧化物絕緣層1200之上的Ge層1300，其中， Ge層1300與氧化物絕緣層1200之間形成有第一鈍化薄層1400。在本發(fā)明實(shí)施例中，第一鈍化薄層1300為采用鍶Sr或鋇Ba對(duì)Ge層1200的第一表面進(jìn)行處理形成的為鍶鍺化物 GeSrx或鋇鍺化物GeBi。當(dāng)然在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，第一鈍化薄層1400還可為GeSi 鈍化薄層或Si薄層。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，表面有氧化物絕緣層的硅襯底1100包括 Si襯底，及形成在Si襯底之上的S^2絕緣層。由于鍶鍺化物或鋇鍺化物形成的鈍化薄層屬于半導(dǎo)體，因此不僅可以改善Ge材料與絕緣氧化物之間的界面態(tài)問(wèn)題，降低該界面處的漏電和散射，另外也不會(huì)過(guò)度降低Ge材料的遷移率性能。在本發(fā)明實(shí)施例中，為了生成具有應(yīng)變的Ge溝道器件，該應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)還包括多個(gè)淺溝槽隔離STI結(jié)構(gòu)1900，多個(gè)STI結(jié)構(gòu)1900穿透氧化物絕緣層1200延伸至硅襯底1100中，且STI結(jié)構(gòu)1900中填充有引入應(yīng)變的絕緣介質(zhì)材料以使溝道區(qū)產(chǎn)生應(yīng)變。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，具有應(yīng)變的絕緣介質(zhì)可為氮化硅。但需要說(shuō)明的是，在此所述的氮化硅并不特指1 1比例的SiN，具體地，可通過(guò)調(diào)整氮化硅中各個(gè)組分的相對(duì)比例對(duì)其產(chǎn)生的應(yīng)變進(jìn)行調(diào)整，例如可產(chǎn)生壓應(yīng)變或張應(yīng)變。因此，在本發(fā)明實(shí)施例中STI結(jié)構(gòu)1900不僅能夠提供器件之間的隔離作用，還能夠?qū)系绤^(qū)施加應(yīng)力使其產(chǎn)生應(yīng)變，從而提高器件性能。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)還包括形成在所述Ge層之上的第二鈍化薄層1500。其中，同樣地，第二鈍化薄層1500采用鍶Sr或鋇Ba對(duì)Ge層1400的第二表面進(jìn)行處理形成的為鍶鍺化物或鋇鍺化物。當(dāng)然在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，也可通過(guò)其他方式形成第二鈍化薄層1500，即該第二鈍化薄層1500為GeSi。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該GeOI結(jié)構(gòu)還包括形成在第二鈍化薄層1500之上的柵介質(zhì)層1600和形成在柵介質(zhì)層1600之上的柵電極1700，以及形成在Ge層1400之中的源極和漏極1800。如圖2-7所示，為本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)的形成方法的中間步驟示意圖。 該方法包括以下步驟步驟S101，提供第一襯底2000，其中，第一襯底2000為Si襯底或者Ge襯底。當(dāng)然在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，還可采用其他襯底。在本發(fā)明實(shí)施例中第一襯底2000可重復(fù)使用，從而降低制造成本。步驟S102，在第一襯底2000之上形成Ge層1300，如圖2所示。步驟S103，采用鍶Sr或鋇Ba對(duì)Ge層1300的第一表面進(jìn)行處理以形成第一鈍化薄層1400，該第一鈍化薄層1400為鍶鍺化物或鋇鍺化物，如圖3所示。當(dāng)然在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，第一鈍化薄層1400還可為GeSi鈍化薄層或Si薄層，例如對(duì)Ge層1300進(jìn)行 Si化處理，或者在Ge層1300上淀積Si薄層。步驟S104，將第一襯底2000、Ge層1300及第一鈍化薄層1400翻轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)移至表面有氧化物絕緣層1200的硅襯底1100，如圖4所示。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)鍵合方式將第一鈍化薄層1300與氧化物絕緣層1200相連。步驟S105，去除第一襯底2000，如圖5所示。步驟S106，可選擇地，采用鍶或鋇對(duì)Ge層1400的第二表面進(jìn)行處理以形成第二鈍化薄層1500，該第二鈍化薄層1500為鍶鍺化物或鋇鍺化物，如圖6所示。同樣地，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，也可通過(guò)其他方式形成第二鈍化薄層1500，即該第二鈍化薄層1500為 GeSi ο步驟S107，形成位于第二鈍化薄層1500之上的柵堆疊(即柵介質(zhì)層1600和柵電極1700)及柵堆疊兩側(cè)的側(cè)墻，并形成位于柵堆疊之下形成溝道區(qū)，以及位于溝道區(qū)兩側(cè)的漏區(qū)和源區(qū)1800。在本發(fā)明的實(shí)施例中，柵堆疊及源區(qū)和漏區(qū)的形成既可以采用前柵 (gate-first)工藝，也可以采用后柵(gate-last)工藝。步驟S108，刻蝕第二鈍化薄層1500、Ge層1300、第一鈍化薄層1400和氧化物絕緣層1200以形成多個(gè)STI結(jié)構(gòu)1900，多個(gè)STI結(jié)構(gòu)1900穿透氧化物絕緣層1200延伸至硅襯底1100中，如圖7所示。步驟S109，在多個(gè)STI結(jié)構(gòu)1900中填充氮化硅材料以使溝道區(qū)產(chǎn)生應(yīng)變，如圖1 所示。在本發(fā)明實(shí)施例中通過(guò)第一鈍化層可以改善Ge材料與絕緣氧化物之間的界面態(tài)問(wèn)題，從而降低該界面處的漏電和散射。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，鍶鍺化物或鋇鍺化物形成的鈍化薄層屬于半導(dǎo)體，因此不僅可以改善Ge材料與絕緣氧化物之間的界面態(tài)問(wèn)題，降低該界面處的漏電和散射，另外也不會(huì)過(guò)度降低Ge材料的遷移率性能。此外，通過(guò)本發(fā)明實(shí)施例的多個(gè)STI結(jié)構(gòu)使柵堆疊之下的Ge溝道區(qū)產(chǎn)生所需應(yīng)變，從而提高器件性能。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括表面具有氧化物絕緣層的硅襯底；形成在所述氧化物絕緣層之上的Ge層，其中，所述Ge層與所述氧化物絕緣層之間形成有第一鈍化薄層；形成在所述Ge層之上的柵堆疊，以及形成在所述柵堆疊之下的溝道區(qū)和溝道區(qū)兩側(cè)的漏區(qū)和源區(qū)；和多個(gè)淺溝槽隔離STI結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)STI結(jié)構(gòu)穿透所述氧化物絕緣層延伸至所述硅襯底中，且所述STI結(jié)構(gòu)中填充有引入應(yīng)變的絕緣介質(zhì)材料以使所述溝道區(qū)產(chǎn)生應(yīng)變。
2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一鈍化薄層為鍶鍺化物薄層、鋇鍺化物薄層、GeSi鈍化薄層或Si薄層。
3.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括形成在所述Ge層之上的第二鈍化薄層，所述第二鈍化薄層為鍶鍺化物薄層、鋇鍺化物薄層或GeSi鈍化薄層。
4.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氧化物絕緣層和所述Ge層之間通過(guò)鍵合方式相連。
5.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述絕緣介質(zhì)材料為氮化硅。
6.一種應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，包括以下步驟在第一襯底之上形成Ge層；對(duì)所述Ge層的第一表面進(jìn)行處理以形成第一鈍化薄層；將所述第一襯底、所述Ge層及所述第一鈍化薄層翻轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)移至表面具有氧化物絕緣層的硅襯底；去除所述第一襯底；形成位于所述Ge層之上的柵堆疊，并形成位于所述柵堆疊之下形成溝道區(qū)，以及位于所述溝道區(qū)兩側(cè)的漏區(qū)和源區(qū)；刻蝕所述表面具有氧化物絕緣層的硅襯底以形成多個(gè)STI結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)STI結(jié)構(gòu)穿透所述氧化物絕緣層延伸至所述硅襯底中；和在所述多個(gè)STI結(jié)構(gòu)中填充引入應(yīng)變的絕緣介質(zhì)材料以使所述溝道區(qū)產(chǎn)生應(yīng)變。
7.如權(quán)利要求6所述的應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第一鈍化薄層為鍶鍺化物薄層、鋇鍺化物薄層、GeSi鈍化薄層或Si薄層。
8.如權(quán)利要求6所述的應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，在所述去除第一襯底之后，還包括對(duì)所述Ge層的第二表面進(jìn)行處理以形成第二鈍化薄層，所述第二鈍化薄層為鍶鍺化物薄層、鋇鍺化物薄層或GeSi鈍化薄層。
9.如權(quán)利要求6所述的應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，通過(guò)鍵合方式將所述第一鈍化薄層與所述氧化物絕緣層相連。
10.如權(quán)利要求6所述的應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述絕緣介質(zhì)材料為氮化硅。
全文摘要
本發(fā)明提出一種應(yīng)變GeOI結(jié)構(gòu)，包括表面具有氧化物絕緣層的硅襯底；形成在所述氧化物絕緣層之上的Ge層，其中，Ge層與所述氧化物絕緣層之間形成有第一鈍化薄層；形成在所述Ge層之上的柵堆疊，以及形成在所述柵堆疊之下的溝道區(qū)和溝道區(qū)兩側(cè)的漏區(qū)和源區(qū)；和多個(gè)淺溝槽隔離STI結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)STI結(jié)構(gòu)穿透所述氧化物絕緣層延伸至所述硅襯底中，且所述STI結(jié)構(gòu)中填充有引入應(yīng)變的絕緣介質(zhì)材料以使所述溝道區(qū)產(chǎn)生應(yīng)變。在本發(fā)明實(shí)施例中通過(guò)第一鈍化層可以改善Ge材料與絕緣氧化物之間的界面態(tài)問(wèn)題，從而降低該界面處的漏電和散射。
文檔編號(hào)H01L29/16GK102184953SQ20111005812
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者王敬, 許軍, 郭磊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)