[发明专利]压缩SiGe〈110〉生长的MOSFET器件

说明书

技术领域

本发明涉及先进的互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管器件的设计和材料工艺，更具体地说涉及压缩应变SiGe材料。

背景技术

随着CMOS晶体管器件尺寸的下降，提高电路的性能的方法变得更重要。做此事的一种方法是增强沟道区域中载流子的迁移率；即增强电子或空穴迁移率。这可以通过几种方法实现：

1.在硅衬底上使用不同的Si晶格尺寸以获得应变。一般地，驰豫SiGe过渡层上应变硅或SOI上应变硅(SSDOI)在高Ge浓度SiGe合金下表现出N-FET上约2x的电子迁移率的增强和p-FET上50％的空穴迁移率的增强。其很大程度上是因为硅处在双轴拉伸应变下。然而，大多数这样的拉伸应变Si包括高密度的缺陷。

2.在如Si<110>衬底的不同表面取向硅上制造MOSFET在P-FET中表现出～1.5x的空穴迁移率增强但是N-FET的电子迁移率却有相当大的下降。Min Yang在IEDM 2003上描述了一种混合取向衬底，其将Si<110>衬底和Si<100>衬底结合在一起，以便在Si<110>衬底上制造P-FET用于增强空穴迁移率并且在Si<100>上制造N-FET以保持N-FET的性能。

发明内容

需要一种在CMOS中获得空穴和电子载流子的增强的解决方法。

本发明提供一种具有增强的载流子迁移率的半导体材料，其包括在双轴压缩应变下的具有<110>表面晶向的SiGe合金层。双轴压缩应变表示由纵向压缩应力和横向压缩应力引起的净应力，其在半导体材料生长期间在SiGe合金层的平面内引起。

可以通过在如Si或SiGe的具有较小晶格间隔的基层或衬底上形成层在SiGe层中形成双轴压缩应变，其中Ge的浓度小于在其上的压缩应变层中的Ge浓度。

可以通过在如SiGe的具有较大晶格间隔的基层或衬底上外延形成层在SiGe层中形成双轴拉伸应变，其中Ge的浓度大于在其上的拉伸应变层中的Ge浓度。

本发明的半导体材料包括具有双轴压缩应变的<110>表面取向的SiGe合金层，为N-MOS和P-MOS场效应晶体管提供增强的迁移率。

本发明的另一个方面涉及形成本发明的半导体材料的方法，其中本发明的方法包括如下步骤：提供硅锗合金<110>层；在此硅锗合金含<110>层中具有双轴压缩应变。

在一个实施例中，通过包括如下步骤的方法制造具有<110>表面取向和双轴压缩应变的SiGe合金层。

使用如下步骤处理Si或SiGe<110>衬底表面：23℃的DI水中10ppm的臭氧，100∶1的稀氢氟酸1min，DI水冲洗5min，在23℃的DI水中1∶100体积比的盐酸，最后DI水冲洗5min。然后是在30℃以上在如N2的惰性气氛中加热，冲洗并干燥。

下一步，在Si或SiGe<110>衬底上形成外延结晶压缩应变SiGe合金层，其通过上述清洁工艺处理，通过使用硅烷或锗烷气体的快速热化学气相沉积(RTCVD)，在从600℃到650℃的温度范围内，在等于20Torr的气压下生长。在我们的情况下，通过使用100sccm的硅烷，40sccm的锗烷，600℃的温度和7torr的气压下134秒，压缩应变22％SiGe合金的厚度应该低于20nm。此SiGe层在Si或SiGe<110>衬底上是压缩应变或伪晶。通过AFM测量的表面粗糙度低于0.2nm并且缺陷密度在器件的质量范围内(低于5×10⁷缺陷/cm²)。

另外，在Si或SiGe<110>衬底上的外延结晶压缩应变SiGe合金层可以在由Applied Material Corporation，HTF模型的Centura平台建立的快速热化学气相沉积系统(RTCVD)中生长。此系统包括6个室；2个进片室，1个转换室，1个快速热退火(RTP)室，2个高温多晶硅(HTP)室。在600℃到650℃范围内的HTP室中生长压缩应变SiGe合金层。

另外，可以在具有浅沟槽隔离的外延结晶压缩应变SiGe合金区域上形成CMOS器件。

另外，可以在具有浅沟槽隔离的外延结晶压缩应变SiGe合金区域上形成具有如具有高于3.9的介电常数的金属氧化物，金属硅化物的高K栅极介质的CMOS器件。