一種鍺基cmos的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鍺基CMOS的制備方法，屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。該方法利用離子注入的方法精確控制阱的深度與摻雜濃度，并在注入后通過犧牲氧化的方法改善由于離子注入、淀積掩蔽層與場(chǎng)區(qū)氧化物帶來的鍺基襯底表面的粗糙度的退化。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)硅基CMOS工藝兼容，易于實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】一種鍺基CMOS的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體涉及一種鍺基CMOS的制備流程。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)幾何尺寸縮小到納米尺度，傳統(tǒng)通過縮小器件尺寸提升性能和集成度的方法正面臨物理和技術(shù)的雙重極限考驗(yàn)。為了進(jìn)一步提高器件性能，有效方法之一是弓I入高遷移率溝道材料。由于同時(shí)具有較高的電子和空穴遷移率(室溫(300K)下，鍺溝道的電子遷移率是硅的2.4倍，空穴遷移率是硅的4倍)，鍺材料以及鍺基器件成為一種選擇。
[0003]但是目前鍺基CMOS制備工藝還不成熟，主要存在以下問題:阱制備困難、溝道與柵介質(zhì)間的界面質(zhì)量差、隔離結(jié)構(gòu)制備困難等。對(duì)于鍺的N阱和P阱的制備，常用的P型和N型雜質(zhì)分別為硼(B)和磷(P)。對(duì)于B，在鍺中的擴(kuò)散系數(shù)小，無法利用退火的方法使B驅(qū)入的鍺中；對(duì)于P，在鍺中擴(kuò)散系數(shù)大，長(zhǎng)時(shí)間的退火會(huì)擴(kuò)散到鍺中的深處，不利于雜質(zhì)濃度與擴(kuò)散深度的控制，不利于制備淺結(jié)。所以對(duì)于鍺基阱的制備，需要利用離子注入的方法，由于阱中雜質(zhì)在襯底中的分布較深，需要提高注入時(shí)離子的能量。又由于鍺的熔點(diǎn)低(?938°C )，注入后無法進(jìn)行高溫長(zhǎng)時(shí)間退火實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)驅(qū)入的工藝。另外，高能離子注入可能會(huì)帶來鍺表面的損傷，導(dǎo)致鍺襯底表面粗糙度的退化。對(duì)于鍺溝道與柵介質(zhì)界面質(zhì)量差的問題:通常采用高K材料作為柵介質(zhì)，但是將高K材料直接淀積在鍺襯底上，鍺襯底會(huì)在高K淀積過程中及后續(xù)的熱工藝中被氧化，形成熱穩(wěn)定性差的GeOx (x〈2)，導(dǎo)致器件性能退化，故需要對(duì)襯底表面鈍化處理，抑制淀積柵介質(zhì)及其后的熱過程中的性能退化。另外，對(duì)于鍺基CMOS的制備，需要形成隔離區(qū)，但是由于GeO2的水溶性，及熱不穩(wěn)定性，無法利用GeO2作為隔離材料，需要淀積其它材料做為隔離介質(zhì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出了一種適用于鍺基CMOS的制備流程，可以控制阱的深度與阱的摻雜濃度，減小因注入帶來的表面粗糙度退化，并實(shí)現(xiàn)鍺基CMOS的隔離結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
[0006]一種鍺基CMOS的制備方法，包括如下步驟:
[0007]I)錯(cuò)基襯底上講的制備，即N講和P講:
[0008]1-1)對(duì)鍺基襯底進(jìn)行清洗，在鍺基襯底上淀積注入掩蔽層；
[0009]1-2)注入所需的雜質(zhì)并激活；
[0010]1-3)去除注入掩蔽層；
[0011]2)隔離結(jié)構(gòu)形成:
[0012]2-1)場(chǎng)區(qū)隔離槽形成；
[0013]2-2)場(chǎng)區(qū)氧化物淀積；
[0014]3) MOS結(jié)構(gòu)形成:
[0015]3-1)有源區(qū)開孔，用犧牲氧化的方法改善襯底表面粗糙度；
[0016]3-2)淀積柵介質(zhì)；
[0017]3-3)淀積柵電極；
[0018]4)源、漏及接觸形成:
[0019]4-1)形成側(cè)墻結(jié)構(gòu)；
[0020]4-2)源、漏注入及激活；
[0021]4-3)隔離層淀積、開孔、淀積接觸金屬。
[0022]步驟1-1)中，鍺基襯底可以是體Ge襯底、娃上外延鍺(Germanium-on-silicon)襯底或GeOI (Germanium on Insulator)襯底等。所述鍺基襯底不摻雜或者輕摻雜，摻雜濃度〈IX 15cm—3 ;在淀積注入掩蔽層前，對(duì)鍺基襯底表面進(jìn)行清洗，以去除表面沾污和自然氧化層。注入掩蔽層材料有Si02、Al203或Y2O3等，其厚度為5?20nm。掩蔽層材料淀積方法有 ALD、PVD、MBE、PLD、MOCVD、PECVD 或 ICPCVD 等。
[0023]步驟1-2)中，對(duì)于制備P阱，需要注入硼離子；對(duì)于制備N阱，需要注入磷離子；注入劑量與能量根據(jù)需要的阱的深度與濃度而定。對(duì)于硼，注入劑量為5 X 1ltl?I X 1014cm_2，注入能量為30keV?120keV ;對(duì)于磷，注入劑量為5X1O10?lX1014cnT2，注入能量為50keV?180keV。注入所需的雜質(zhì)時(shí)，采用兩次注入的方法:一次高能量注入，使雜質(zhì)注入到襯底中的較深區(qū)域；一次低能量注入，使雜質(zhì)注入到接近襯底表面的區(qū)域。一般采用具有一定傾斜角度的注入，一般是7°注入。對(duì)于阱中雜質(zhì)的激活，在N2氣氛進(jìn)行500°C 60s的退火。
[0024]步驟1-3)中，用稀釋的HF去掉注入的掩蔽層，HF = H2O = 1:30。
[0025]步驟2-1)中，場(chǎng)區(qū)隔離槽形成包括光刻定義隔離槽圖形，刻蝕形成300?500nm深的槽。
[0026]步驟2-2)中，淀積400?500nm的場(chǎng)區(qū)氧化物，比如S12, Al2O3, Y2O3等,淀積的方法有PVD、PLD、PECVD或ICPCVD等，但不局限于上述淀積方法。
[0027]步驟3-1)中，光刻定義有源區(qū)，去除有源區(qū)上方的場(chǎng)區(qū)氧化物。用犧牲氧化的方法改善襯底表面粗糙度，具體方法如下:先將襯底浸泡在濃度為30%的H2O2中30s，用去離子水沖lmin，再將襯底浸泡在濃度為36%的HCl中l(wèi)min，用去離子水沖Imin ;如此重復(fù)3?4個(gè)周期。
[0028]步驟3-2)中，淀積的柵介質(zhì)材料有:Al203、Y203、Hf02、Zr02、Ge02、La2O3等，但不局限于上述介質(zhì)材料。淀積的方法有ALD、PVD、MBE、PLD、MOCVD, PECVD或ICPCVD等，但不局限于上述淀積方法。淀積柵介質(zhì)前，可對(duì)襯底表面進(jìn)行鈍化處理，鈍化處理方法有:氮等離子體處理，淀積GeO2, Y2O3, Si鈍化層，但不局限于上述鈍化方法。淀積柵介質(zhì)后可以進(jìn)行退火處理，退火可以在N2、O2等氣氛中進(jìn)行，但不局限于上述退火氣氛；
[0029]步驟3-3)中，柵電極可以采用多晶硅柵、金屬柵或者FUSI柵等。淀積的方法有ALD、PVD、PLD、MOCVD, PECVD或LPCVD等，但不局限于上述淀積方法。
[0030]步驟4-1)在柵極兩側(cè)形成側(cè)墻。側(cè)墻可以通過淀積S12或SiNx并且刻蝕形成側(cè)墻，也可以采用先S12再SiNx的雙側(cè)墻。
[0031]步驟4-2)源、漏注入的劑量，對(duì)于PM0SFETs，B的注入的劑量為5E14?5E15cm_2，注入能量為10?20keV ;對(duì)于NMOSFETs，P的注入的劑量為5E14?5E15cnT2，注入能量為20?50keV。對(duì)于源、漏雜質(zhì)的激活，在N2氣氛進(jìn)行500°C 60s的退火。
[0032]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下:
[0033]阱及隔離區(qū)的制備是實(shí)現(xiàn)高性能CMOS電路的關(guān)鍵工藝。本發(fā)明提出了利用離子注入的方法精確控制阱的深度與摻雜濃度。并在注入后通過犧牲氧化的方法改善由于離子注入、淀積掩蔽層與場(chǎng)區(qū)氧化物帶來的鍺基襯底表面的粗糙度的退化。高能量離子注入、淀積掩蔽層、帶掩蔽層的雜質(zhì)激活退火以及淀積場(chǎng)區(qū)氧化物會(huì)帶來襯底表面粗糙度的退化，此外退火過程中鍺襯底會(huì)氧化形成鍺的亞氧化物，也會(huì)致表面粗糙度退化。用H2O2氧化30s,使鍺基襯底表面形成GeO2,再利用濃度HCl (36% )去除GeO2層，實(shí)現(xiàn)減小表面粗糙度。另外，利用槽實(shí)現(xiàn)CMOS隔離，工藝簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)硅基CMOS工藝兼容，易于實(shí)現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明所述方法的流程圖。
[0035]圖2所示為實(shí)施例對(duì)鍺基CMOS制備方法示意圖；
[0036]圖中:1一鍺襯底；2—Al2O3 ；3—P講；4一N講；5—制備講的鍺襯底；6—制備隔尚槽的鍺襯底—場(chǎng)區(qū)隔離的S12 ；8—Al2O3 ；9—TiNx ； 10—SiNx ; 11一B摻雜區(qū)；12—P摻雜區(qū)；13—隔尚介質(zhì)Si02。

【具體實(shí)施方式】
[0037]以下結(jié)合附圖，通過具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的方法做進(jìn)一步描述。
[0038]I)對(duì)鍺襯底進(jìn)行清洗，并清除表面氧化層，如圖2 (a)所示；
[0039]2)在經(jīng)過清洗的鍺襯底上淀積一層的注入掩蔽層，淀積的材料可以為S12,Al2O3,Y2O3等材料，淀積的方法有ALD，PVD, MBE, PLD, MOCVD, PECVD, ICPCVD等，淀積厚度為5?20nm ;本實(shí)施例優(yōu)選用ALD淀積1nm的Al2O3,如圖2 (b)所示；
[0040]3)注入所需的雜質(zhì)，制備P阱，注入硼(B)離子；制備N阱，注入磷(P)離子；注入劑量與能量根據(jù)需要的阱的深度與濃度而定。對(duì)于P阱，光刻定義P阱區(qū)域，注入硼(B)，注入劑量為5 X 101°?I X 11W2,注入能量一般為30keV?120keV ;對(duì)于N阱，光刻定義N阱區(qū)域，注入磷(P)，注入劑量為5 X 101°?I X 1014cm_2，注入能量一般為50keV?180keV ；一般可采用兩次注入的方法，一次高能量注入，使雜質(zhì)注入到襯底中的較深處，一次低能量注入，使雜質(zhì)注入到接近襯底表面的區(qū)域。對(duì)于P阱，本實(shí)施例優(yōu)選先用70keV的能量注入4X 111CnT2的硼離子，再用33keV的能量注入I X 111CnT2的硼離子，如圖2(c)所示；對(duì)于N阱，本實(shí)施例優(yōu)選先用90keV的能量注入4X 112CnT2的磷離子，再用50keV的能量注入IXlO12Cnr2的磷離子，如圖2(d)所示。
[0041]4)退火，使雜質(zhì)激活，可在N2氣氛進(jìn)行500°C 60s的退火。
[0042]5)去掉襯底表面的掩蔽層，可用稀釋的HF。本實(shí)施例為用稀HF (HF = H2O = 1:30)漂30?55s，如圖2(e)所示。
[0043]6)通過光刻定義隔離槽,刻蝕形成300?500nm深的槽,本實(shí)施例為刻蝕300nm的隔離槽，如圖2(f)所示。
[0044]7)淀積400?500nm的場(chǎng)區(qū)氧化物，比如S12, Al2O3, Y2O3等，淀積的方法有PVD、PLD,PECVD或ICPCVD等，本實(shí)施例為利用PECVD的方法淀積400nm的S12,如圖2 (g)所示。
[0045]8)光刻定義有源區(qū)，可通過干法刻蝕+濕法腐蝕或者濕法腐蝕的方法，本實(shí)施例為用干法刻蝕的方法刻蝕掉?350nm的S12，再用濕法腐蝕的方法腐蝕?50nm的S12，形成如圖2(h)所示。
[0046]9)犧牲氧化的方法改善襯底表面粗糙度，方法如下:先將襯底浸泡在濃度為30%的H2O2中30s，用去離子水沖lmin，再將襯底浸泡在濃度為36%的HCl中l(wèi)min，用去離子水沖Imin ;如此重復(fù)3?4個(gè)周期。
[0047]10)對(duì)鍺襯底進(jìn)行鈍化處理方法有:氮等離子體處理，淀積GeO2, Y2O3, Si鈍化層，但不局限于上述鈍化方法。本實(shí)施例為氮等離子體處理。淀積的柵介質(zhì)，材料有:αι203、Y2O3、HfO2、ZrO2、GeO2、La2O3等，但不局限于上述介質(zhì)材料。淀積的方法有ALD、PVD、MBE、PLD、MOCVD, PECVD或ICPCVD等，但不局限于上述淀積方法。淀積介質(zhì)的厚度為1.5?10nm，本實(shí)施例為ALD的方法淀積3nm的A1203。退火可以在N2、O2等氣氛中進(jìn)行，但不局限于上述退火氣氛，如圖2(i)所示。
[0048]11)光刻、刻蝕形成圖形化柵電極，柵電極可以采用多晶硅柵、金屬柵或者FUSI柵，如圖2(j)所示。
[0049]12)側(cè)墻形成。側(cè)墻可以通過淀積S12或SiNx并且刻蝕形成側(cè)墻，也可以采用先S12再SiNx的雙側(cè)墻。淀積的方法有ALD、PVD、MBE、PLD、MOCVD、PECVD或ICPCVD等，但不局限于上述淀積方法。本實(shí)施例采用PECVD的方法淀積30nm的SiNx。再刻蝕形成側(cè)墻，如圖2 (k)所示；
[0050]13) NMOSFET源漏注入，注入P的劑量為1E15?5E15cnT2，注入能量為5?40keV，本實(shí)施為注入lE15cm_2的P，注入能量為15keV，如圖2(1)所示；PMOSFET源漏注入，注入B的劑量為1E15?5E15cnT2，注入能量為5?40keV，本實(shí)施為注入lE15cnT2的B，注入能量為15keV，如圖2(m)所示；
[0051]14)淀積隔離層S12，如圖2 (η)所示。之后進(jìn)行開孔，淀積接觸金屬。
[0052]以上通過特定實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，以上所述僅為本發(fā)明的特定實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以使用其它材料實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的制備過程，亦可以采用同樣方法在實(shí)施例中鍺襯底之外的其它半導(dǎo)體襯底上獲得同樣的效果，制備方法均不限于實(shí)施例中所公開的內(nèi)容，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種鍺基CMOS的制備方法，包括如下步驟: 1)錯(cuò)基襯底上講的制備，即N講和P講: 1-1)對(duì)鍺基襯底進(jìn)行清洗，在鍺基襯底上淀積注入掩蔽層； 1-2)注入所需的雜質(zhì)并激活； 1-3)去除注入掩蔽層； 2)隔離結(jié)構(gòu)形成: 2-1)場(chǎng)區(qū)隔離槽形成； 2-2)場(chǎng)區(qū)氧化物淀積； 3)MOS結(jié)構(gòu)形成: 3-1)有源區(qū)開孔，用犧牲氧化的方法改善襯底表面粗糙度； 3-2)淀積柵介質(zhì)； 3-3)淀積柵電極； 4)源、漏及接觸形成: 4-1)形成側(cè)墻結(jié)構(gòu)； 4-2)源、漏注入及激活； 4-3)隔離層淀積、開孔、淀積接觸金屬。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟1-1)中，鍺基襯底是體Ge襯底、硅上外延鍺襯底或GeOI襯底，上述鍺基襯底不摻雜或者輕摻雜，摻雜濃度〈I X 15cm_3 ；在淀積注入掩蔽層前，對(duì)鍺基襯底表面進(jìn)行清洗，以去除表面沾污和自然氧化層，注入掩蔽層材料有Si02、Al2O3或Y2O3,其厚度為5?20nm。
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟1-2)中，對(duì)于制備P阱，需要注入硼離子；對(duì)于制備N阱，需要注入磷離子；對(duì)于硼離子注入劑量為5X 101°?IX 1014cnT2，注入能量為30keV?120keV ;對(duì)于磷離子注入劑量為5 X 101°?I X 1014cnT2，注入能量為50keV?180keV。
4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2-1)中，場(chǎng)區(qū)隔離槽形成包括:光刻定義隔離槽圖形，刻蝕形成300?500nm深的槽。
5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2-2)中，淀積400?500nm的場(chǎng)區(qū)氧化物Si02、Al2O3或Y203。
6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3-1)中用犧牲氧化的方法改善襯底表面粗糙度，具體方法如下:先將襯底浸泡在濃度為30%的H2O2中30s，用去離子水沖lmin，再將襯底浸泡在濃度為36%的HCl中l(wèi)min，用去離子水沖Imin ;如此重復(fù)3?4個(gè)周期。
7.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3-2)中，淀積的柵介質(zhì)材料 A1203、Y2O3> HfO2, ZrO2, GeO2 或 La2O3,淀積的方法有 ALD、PVD, MBE、PLD、MOCVD, PECVD 或ICPCVD，淀積柵介質(zhì)后進(jìn)行退火處理，退火在N2、O2氣氛中進(jìn)行。
8.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3-3)中，柵電極采用多晶硅柵、金屬柵或者FUSI柵，淀積的方法有ALD、PVD、PLD、MOCVD, PECVD或LPCVD。
9.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟4-1)在柵極兩側(cè)形成側(cè)墻，側(cè)墻通過淀積S12或SiNx，刻蝕形成側(cè)墻，或采用先S12再SiNx的雙側(cè)墻。
10.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟4-2)源、漏注入的劑量，對(duì)于PMOSFETs, B的注入的劑量為5E14?5E15cnT2，注入能量為10?20keV ;對(duì)于NMOSFETs，P的注入的劑量為5E14?5E15cnT2，注入能量為20?50keV，對(duì)于源、漏雜質(zhì)的激活，在N2氣氛進(jìn)行500°C 60s的退火。
【文檔編號(hào)】H01L21/8238GK104332442SQ201410616327
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】黃如, 林猛, 黎明, 安霞, 趙陽, 張冰馨, 劉朋強(qiáng), 夏宇軒, 張興 申請(qǐng)人:北京大學(xué)