[发明专利]一种高锗浓度锗硅沟道的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种高锗浓度锗硅沟道的制备的方法。 

背景技术

随着晶体管的特征尺寸缩小到纳米尺度后，等比例缩小技术面临着越来越严峻的挑战，其中漏电、阈值电压增大、功耗密度增大、迁移率退化等现象严重。以往通过缩短沟道长度、减薄栅介质层厚度等方法解决，但随着栅介质厚度也逐渐减小到物理极限后，以提高载流子迁移率为目的的应力工程逐渐成为了主流趋势。通过提高沟道内载流子的迁移率，可以弥补由于沟道高掺杂引起的库仑相互作用、栅介质变薄导致的有效电场强度提高以及界面散射增强等因素引发的迁移率退化，其中，得到广泛应用的是应变硅Strained Silicon技术。 

应变硅技术是通过在器件结构和材料的设计方面对沟道区引入应变，即应力变化，以改变沟道区衬底的晶格结构，从而提高沟道区载流子的迁移率，达到改善器件性能的目的。在沟道区引入应变的方法主要有两种：一种是在硅衬底上直接异质外延生长一层带有应力的沟道材 料；另一种是采用源漏区异质外延，如嵌入式锗硅Embedded SiGe，或在器件上覆盖高应力薄膜材料对沟道产生部分应力。比较两种方法：第一种方法沟道应变程度更大，但其工艺比较复杂，成本较高；而后者由于是间接作用于沟道，因此沟道应变程度有限，对载流子迁移率的提高较少，但工艺比较简单，成本较低。因此，源漏端的应力工程、刻蚀停止层技术(CESL)被广泛应用在90纳米及以下技术代。但是，当技术节点进入20纳米以下时，由于沟道区内的应力需要进一步提高，沟道区直接外延带有应力的沟道材料将成为发展趋势。 

而沟道材料的选择，硅材料由于自身的载流子迁移速度以及氧化硅介电常数的限制，当器件微小化以后，已经无法满足高性能半导体器件的需求。锗硅材料，具有如下优点，成为硅材料的理想替代材料： 

1.空穴迁移率是硅的2～3倍，电子迁移率是硅的2倍； 

2.禁带宽度比较小，有利于发展低电压器件。 

3.施主/受主的激活温度远低于硅，有利于节省热预算； 

4.小的禁带宽度，有助于组合介电材料，降低漏电流。 

Intel在其90纳米技术代中首次引入锗硅做为沟道材料来提高场效应管的沟道迁移率，降低阈值电压。对于P型场效应管而言，由于锗硅 的空穴迁移率是硅的2-3倍，其有益效果尤为明显。因此锗硅更多地被用来作为提升P型场效应管的沟道材料来提高其空穴迁移率。 

锗硅中锗的浓度越高，其沟道应力就越大，空穴迁移率也越高。但由于锗与硅的晶格常数存在4.2％的晶格失配，直接在硅衬底上外延生长高锗浓度的锗硅薄膜会导致薄膜内产生大量位错等缺陷，若将其用作沟道材料，将严重影响器件性能。为提供器件需要的锗硅薄膜，现有工艺提供的方法是：首先在硅衬底上外延生长较厚的低锗浓度的锗硅层作为缓冲层，然后再外延生长高锗浓度的锗硅薄膜。但实际操作时，当要求锗硅薄膜达到锗浓度大于40％时，需要几百纳米厚的低浓度锗硅层作为缓冲层。现有技术的这种方法，既造成了锗材料和生产产能的浪费，又限制其不能运用到20纳米以下技术代的器件，更不能解决锗浓度越高，生长的锗硅薄膜越容易产生位错等缺陷的问题。因此，需要一种能制备低缺陷密度的高锗浓度的锗硅薄膜的方法。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提高作为沟道材料的锗硅薄膜中锗的浓度，以增加沟道的空穴迁移率，降低阈值电压，提升器件性能；同时减少该锗硅薄膜的缺陷密度，提高器件良率。 

为解决上述问题，本发明提供一种高锗浓度锗硅沟道的制备方法，在硅衬底上制备低锗浓度的锗硅薄膜，通过氧化转化为高锗浓度的锗硅薄膜以及其表面的二氧化硅层，再去除表面的二氧化硅层，形成高锗浓度的锗硅薄膜作为沟道； 

可选的，所述低锗浓度的锗硅的制备方法是外延，化学气相沉积，物理气相沉积和原子层沉积； 

优选的，所述低锗浓度的锗硅的制备温度为25℃～600℃； 

优选的，所述低锗浓度的锗硅中锗浓度为0.1％～20％，制备的锗硅厚度0.1～40纳米； 

可选的，所述转化低锗浓度锗硅为高锗浓度的氧化，氧化温度为300℃～600℃，氧化反应气体为氧气或水汽，氧化时间为5～100分钟； 

优选的，所述氧化形成的高锗浓度锗硅中锗的浓度为25％～50％； 

优选的，所述高锗浓度的锗硅中锗浓度分布为整体均匀的矩形分布或从表面往里浓度递减的梯形分布； 

可选的，所述去除表面的二氧化硅的方法是刻蚀或化学机械抛光； 

优选的，所述刻蚀是湿法刻蚀或干法刻蚀；