CN104201108B - SiGe源/漏区的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SiGe源/漏区的制造方法，采用多次缓冲层、主体层交替SiGe外延生长的方法，形成具有缓冲层和主体层交替层叠的多层结构，有效降低了高Ge浓度SiGe主体层厚度，分摊至每一层主体层中，避免了其厚度超过临界厚度造成的应力驰豫；并且通过进一步提高每一层SiGe主体层的Ge含量，使SiGe源漏对沟道的应力增加；本发明的多次外延使SiGe工艺窗口变大，增强了工艺稳定性，从而提升器件性能；本发明能有效提高应力但有不增加工艺难度，工艺稳定可控，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造工艺技术领域，尤其涉及一种SiGe源/漏区的制造方法。
背景技术
随着半导体集成电路的发展，MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)尺寸的减小，不断地改进了集成电路的速度、性能、密度和功能单位成本。进入90nm工艺时代后，随着集成电路器件尺寸的大幅度减少，源/漏极(elevatedsource/drain)的结深越来越浅，需要采用选择性外延技术(selective epi SiGe，缩写SEG)以增厚源/漏极来作为后续硅化(silicide)反应的牺牲层(sacrificial layer)，从而降低串联电阻。
而对于65/45nm技术工艺，一种提升PMOS晶体管性能的方法是：刻蚀PMOS源/漏极形成源/漏区凹槽(即源/漏区U or Sigma shape，“U”或“Σ”形状)，然后在源/漏区(S/D)凹槽内部外延SiGe层来引入对沟道的压应力(compressive stress)，这种应力使得半导体晶体晶格发生畸变(拉伸或压缩)，生成沟道区域内的单轴应力(uniaxial stress)，进而影响能带排列和半导体的电荷输送性能，通过控制在最终器件中的应力的大小和分布，提高空穴(hole)的迁移率(mobility)，从而改善器件的性能。
嵌入式锗硅源漏技术(embedded SiGe，缩写eSiGe)是一种用来提高PMOS性能的应变硅技术。它是通过在沟道中产生单轴压应力来增加PMOS的空穴迁移率，从而提高晶体管的电流驱动能力，是45nm及以下技术代高性能工艺中的核心技术。其原理是通过在Si上刻蚀出凹槽作为源/漏区，在凹槽中选择性地外延生长SiGe层，利用SiGe晶格常数与Si不匹配，使沿沟道方向的Si受到压缩产生压应力，从而提高了沟道Si中的空穴迁移率。
目前主要采用选择性外延SiGe(selective epi SiGe,SEG)的方法在PMOS的源/漏区域(PSD)直接外延SiGe薄膜。图1和图2显示了该现有技术的制造方法，其包括：提供形成有栅极205的N型衬底201，所述栅极205具有牺牲层204保护，在栅极205和浅沟道隔离STI202之间的衬底201上刻蚀出将要形成源漏的凹槽203；用SEG方法外延SiGe薄膜206，形成具有SiGe的PMOS源/漏区。其中，用SEG方法外延SiGe薄膜包括，先外延低Ge浓度SiGe缓冲层207(Seed layer)，然后外延一层高Ge浓度的SiGe主体层208(Bulk layer)，最后外延一层Si盖帽层209(Si cap)，如图3所示，最终形成具有SiGe的PMOS源/漏区。
然而，随着技术节点逐渐变小，希望空穴迁移率进一步提升即对沟道的压应力继续增加。一种方法是将SiGe薄膜中的Ge含量提高，使SiGe薄膜对沟道产生的压应力增加。但是，Ge含量的提高会使SiGe的临界厚度越来越薄，使SiGe外延工艺的工艺窗口越来越小；而且，较厚的SiGe主体层中的缺陷会急剧增加，导致应力驰豫，沟道受到的压应力降低，空穴迁移率减小，器件性能变差。另一种方法是采用Sigma形的源漏凹槽(Σ型)，缩短沟道长度，使SiGe对沟道应力的影响增强。但是此方法加大了凹槽的刻蚀和SiGe外延工艺的难度，工艺稳定性降低，器件良率下降。
因此，亟需提供一种在不增加工艺难度的前提下，能有效提高对沟道应力的SiGe源漏的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种SiGe源/漏区的制造方法，可以在不增加工艺难度的前提下，能有效提高对沟道应力。
为实现上述目的，本发明提供一种SiGe源/漏区的制造方法，其包括以下步骤：
步骤S01，提供形成有栅极的N型晶片硅衬底，并在该硅衬底上刻蚀出将要形成源/漏区的凹槽；
步骤S02，在该凹槽中外延生长SiGe缓冲层；
步骤S03，在该缓冲层上外延生长SiGe主体层，该主体层中的含Ge浓度高于缓冲层；
步骤S04，重复至少一次步骤S02至步骤S03，形成具有缓冲层和主体层交替层叠的多层结构；
步骤S05，在步骤S04形成的多层结构上外延生长Si盖帽层，形成具有SiGe的PMOS源/漏区。
进一步地，步骤S04形成的多层结构包括间隔的多层缓冲层和多层主体层，该多层主体层中最上层主体层的厚度不小于其下方的其他主体层和/或含Ge浓度不低于其下方的其他主体层。
进一步地，该多层主体层中最上层主体层的厚度大于其下方的其他主体层，并且其含Ge浓度大于其下方的其他主体层。
进一步地，该多层缓冲层中最下层缓冲层的厚度不小于其上方的其他缓冲层，并且其含Ge浓度不大于其上方的其他缓冲层。
进一步地，该多层缓冲层中最下层缓冲层的厚度不小于
进一步地，该缓冲层中的含Ge浓度为10-25％，该主体层中的含Ge浓度为25-60％。
进一步地，该缓冲层的厚度为SiGe源/漏区高度的1/10-1/4，该主体层的厚度为SiGe源/漏区高度的1/8-1/3，并且所有主体层的厚度总和不小于所有缓冲层的厚度总和。
进一步地，步骤S04中重复次数为1-4次。
进一步地，该缓冲层中的掺杂B浓度为0－1×1019cm-3，该主体层中的掺杂B浓度为1×1019－5×1021cm-3。
进一步地，步骤S02和步骤S03中外延生长的工艺温度为400－750℃。
本发明提供的SiGe源/漏区的制造方法，采用多次缓冲层、主体层交替SiGe外延生长的方法，形成具有缓冲层和主体层交替层叠的多层结构，有效降低了高Ge浓度SiGe主体层厚度，分摊至每一层主体层中，避免了其厚度超过临界厚度造成的应力驰豫；并且通过进一步提高每一层SiGe主体层的Ge含量，使SiGe源漏对沟道的应力增加；本发明的多次外延使SiGe工艺窗口变大，增强了工艺稳定性，从而提升器件性能；本发明能有效提高应力但有不增加工艺难度，工艺稳定可控，成本低廉。
附图说明
为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中：
图1至图3是现有技术中SiGe源/漏区制造方法的示意图；
图4是本发明第一实施例SiGe源/漏区的制造方法的流程示意图；
图5a至图5h是本发明第二实施例SiGe源/漏区的制造方法各步骤的器件剖视图；
图6是现有方法制得SiGe源/漏区的应力仿真示意图；
图7是本发明第二实施例制得SiGe源/漏区的应力仿真示意图；
图8是现有方法制得SiGe源/漏区的横向应力Sxx分布图；
图9是本发明第二实施例制得SiGe源/漏区的横向应力Sxx分布图；
图10是现有方法和本发明第二实施例制得SiGe源/漏区的沟道应力对比图。
具体实施方式
第一实施例
请参阅图4，本实施例SiGe源/漏区的制造方法包括以下步骤：
步骤S01，提供形成有栅极的N型晶片硅衬底，并在该硅衬底上刻蚀出将要形成源/漏区的凹槽；
步骤S02，在该凹槽中外延生长SiGe缓冲层；
步骤S03，在该缓冲层上外延生长SiGe主体层，该主体层中的含Ge浓度高于缓冲层；
步骤S04，重复一次步骤S02至步骤S03，即在步骤S03生长的主体层之上再生长一层缓冲层和主体层，形成具有缓冲层和主体层交替层叠的多层结构；
步骤S05，在步骤S04形成的多层结构上外延生长Si盖帽层，形成具有SiGe的PMOS源/漏区。
本实施例采用多次缓冲层、主体层交替SiGe外延生长的方法，形成具有缓冲层和主体层交替层叠的多层结构，有效降低了每层高Ge浓度SiGe主体层厚度，分摊至每一层主体层中，避免了其厚度超过临界厚度(即保持材料热稳定性的最大厚度。当SiGe薄膜小于临界厚度，外延层应力保持，晶体质量完好；当SiGe薄膜厚度超出临界厚度，由于应力过大，会在SiGe外延层中形成大量的位错dislocation，应力被释放，恶化SiGe单晶的质量)造成的应力驰豫；并且通过进一步提高每一层SiGe主体层的Ge含量，使SiGe源漏对沟道的应力增加；本发明的多次外延使SiGe工艺窗口变大，增强了工艺稳定性，从而提升器件性能；本发明能有效提高应力但有不增加工艺难度，工艺稳定可控，成本低廉。
第二实施例
请参阅图5a至图5h，本实施例SiGe源/漏区的制造方法包括以下步骤：
步骤S01，如图5a所示，提供形成有栅极304的N型晶片硅衬底301，该栅极304具有牺牲层保护，并在栅极304和浅沟道隔离STI 302之间的硅衬底301上刻蚀出将要形成源/漏区的凹槽303；其中，凹槽303的深度为
步骤S02，如图5b所示，采用低温外延方法，在凹槽303中沉积第一缓冲层(SiGe薄膜)305；其中，第一缓冲层含Ge浓度为20％，厚度为
步骤S03，如图5c所示，采用低温外延方法，在第一缓冲层305上沉积第一主体层(SiGe薄膜)306；其中，第一主体层含Ge浓度为50％，厚度为B掺杂浓度5e19cm-3；
步骤S04，如图5d所示，采用低温外延方法，在第一主体层306上沉积第二缓冲层307；其中，第二缓冲层含Ge浓度为20％，厚度为
步骤S05，如图5e所示，采用低温外延方法，在第二缓冲层307上沉积第二主体层308；其中，第二主体层含Ge浓度为50％，厚度为B掺杂浓度5e19cm-3；
步骤S06，如图5f所示，采用低温外延方法，在第二主体层308上沉积第三缓冲层309；其中，第三缓冲层含Ge浓度为20％，厚度为
步骤S07，如图5g所示，采用低温外延方法，在第三缓冲层309上沉积第三主体层310；其中，第三主体层含Ge浓度为50％，厚度为B掺杂浓度5e19cm-3；
步骤S08，在步骤S07形成的多层结构上，采用低温外延方法沉积Si盖帽层(薄膜)311，形成具有SiGe的PMOS源/漏区，其中，Si盖帽层厚度为B掺杂浓度5e20cm-3。
在本实施例中，步骤S07后形成了包括间隔的多层缓冲层和多层主体层的多层结构，该多层主体层中最上层主体层，即第三主体层310的厚度较佳地为不小于其下方的第二主体层和第一主体层，其含Ge浓度较佳地不低于其下方的第二主体层和第一主体层，这是因为第三主体层最靠近沟道，对沟道的应力贡献最大，最大厚度和/或最高Ge浓度的主体层可以最大程度增加对沟道的应力；更佳地，该第三主体层的厚度大于其下方的其他主体层，并且其含Ge浓度大于其下方的其他主体层。另一方面，可以进一步提高主体层的含Ge量，来增加对沟道的应力，但其厚度必须控制在临界厚度之下。根据实际需要，每层主体层的厚度和Ge含量可以进行调节。
在本实施例中，该多层缓冲层中最下层缓冲层，即第一缓冲层305的厚度较佳地为不小于其上方的第二缓冲层和第三缓冲层，其含Ge浓度较佳地不大于其上方的第二缓冲层和第三缓冲层，以防止B(硼)的扩散进入沟道影响器件开关特性；更佳地，该第一缓冲层的厚度不小于根据实际需要，每层缓冲层的厚度和Ge含量可以进行调节。
其中，每层缓冲层中的含Ge浓度较佳地为10-25％，每层主体层中的含Ge浓度较佳地为25-60％。每层缓冲层的厚度较佳地为SiGe源/漏区高度的1/10-1/4，每层主体层的厚度较佳地为SiGe源/漏区高度的1/8-1/3，可根据实际需要进行调节，并且所有主体层的厚度总和不小于所有缓冲层的厚度总和，以增加主体层对沟道应力的贡献。
本实施例中，缓冲层和主体层外延生长的重复次数为两次，具体应用中的重复次数可以根据Ge浓度和B掺杂浓度以及源漏深度等因素合理选择。交替重复次数太少，不能有效提高薄膜质量；次数太多，生成效率太低，因此较佳地次数为1-4次。
本实施例中，缓冲层不掺杂B，主体层的B掺杂浓度为5e19cm-3。SiGe薄膜中的B掺杂浓度的增加能有效降低源漏的寄生电阻，但是B掺杂浓度过大时，容易造成SiGe三维生长造成薄膜缺陷，引发应力驰豫，因此，缓冲层中的掺杂B浓度较佳地为0－1×1019cm-3，主体层中的掺杂B浓度较佳地为1×1019－5×1021cm-3。
本实施例中，低温外延生长的工艺温度较佳地为400－750℃，其中，缓冲层的外延温度为690℃，主体层的外延温度为620℃，盖帽层的外延温度为620℃。
请继续参阅图6至图10，图6是现有方法制得SiGe源/漏区的应力仿真示意图，图7是本发明第二实施例制得SiGe源/漏区的应力仿真示意图，图8是现有方法制得SiGe源/漏区的横向应力Sxx(Stress-XX)分布图，图9是本发明第二实施例制得SiGe源/漏区的横向应力Sxx分布图，图10是现有方法和本发明第二实施例制得SiGe源/漏区的沟道应力对比图。其中，图6至图10是由Synopsys公司的TCAD仿真软件Sentaurus得到。
如图6所示，现有方法制得SiGe源漏区包括20％Ge的SiGe缓冲层(seed)、40％Ge的SiGe主体层(bulk，B掺杂浓度5e19cm-3)以及Si盖帽层(cap，B掺杂浓度5e20cm-3)，从图中可见，现有方法制得的较厚主体层对沟道的应力较小；而如图7所示，本实施例制得的多层结构对沟道的应力明显增大。在实际工艺过程中，发现外延较厚的主体层产生缺陷的概率急剧增加，缺陷如位错dislocation等会导致应力驰豫，沟道受到的压应力降低，空穴迁移率减小，器件性能变差；本实施例的主体层由于厚度低于临界厚度，因此缺陷产生概率大大降低，并且可以通过提升主体层的Ge含量，使沟道的应力进一步增大，从而提高器件性能。
如图8和图9所示，采用本实施例多次缓冲层、主体层SiGe外延结构的PMOS在源漏区域压应力相较于现有方法明显增大。
如图10所示，采用本实施例的方法，PMOS沟道应力从-1.04×109Pa提升到-1.25×109Pa(压应力为负数，绝对值越大，压应力越大)，可见本发明能有效提升沟道应力。
第三实施例
本实施例SiGe源/漏区的制造方法包括以下步骤：
步骤S01，提供形成有栅极的N型晶片硅衬底，该栅极具有牺牲层保护，并在栅极和浅沟道隔离STI之间的硅衬底上刻蚀出将要形成源/漏区的凹槽；其中，凹槽的深度为
步骤S02，采用低温外延方法，在凹槽中沉积第一缓冲层；其中，第一缓冲层含Ge浓度为15％，厚度为外延温度为720℃；
步骤S03，采用低温外延方法，在第一缓冲层上沉积第一主体层；其中，第一主体层含Ge浓度为35％，厚度为B掺杂浓度1e19cm-3，外延温度为640℃；
步骤S04，采用低温外延方法，在第一主体层上沉积第二缓冲层；其中，第二缓冲层含Ge浓度为20％，厚度为B掺杂浓度0.5e19cm-3，外延温度为690℃；
步骤S05，采用低温外延方法，在第二缓冲层上沉积第二主体层；其中，第二主体层含Ge浓度为45％，厚度为B掺杂浓度5e19cm-3，外延温度为600℃；
步骤S06，采用低温外延方法，在第二主体层上沉积第三缓冲层；其中，第三缓冲层含Ge浓度为25％，厚度为B掺杂浓度0.5e19cm-3，外延温度为670℃；
步骤S07，采用低温外延方法，在第三缓冲层上沉积第三主体层；其中，第三主体层含Ge浓度为50％，厚度为B掺杂浓度5e19cm-3，外延温度为550℃；
步骤S08，采用低温外延方法，在第三主体层上沉积第四缓冲层；其中，第四缓冲层含Ge浓度为30％，厚度为B掺杂浓度0.8e19cm-3，外延温度为650℃；
步骤S09，采用低温外延方法，在第四缓冲层上沉积第四主体层；其中，第四主体层含Ge浓度为55％，厚度为B掺杂浓度3e20cm-3，外延温度为500℃；
步骤S010，在步骤S09形成的多层结构上，采用低温外延方法沉积Si盖帽层，形成具有SiGe的PMOS源/漏区，其中，Si盖帽层厚度为B掺杂浓度1e21cm-3。
本实施例中，多层主体层中的最上层主体层，即第四主体层具有最大厚度和最高Ge含量，可以最大程度增加对沟道的应力；多层缓冲层中的最下层缓冲层，即第一缓冲层具有最大厚度和最低Ge含量，以防止B的扩散进入沟道影响器件开关特性。
Claims (9)
1.一种SiGe源/漏区的制造方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤S01，提供形成有栅极的N型晶片硅衬底，并在该硅衬底上刻蚀出将要形成源/漏区的凹槽；
步骤S02，在该凹槽中外延生长SiGe缓冲层；
步骤S03，在该缓冲层上外延生长SiGe主体层，该主体层中的含Ge浓度高于缓冲层；
步骤S04，重复至少一次步骤S02至步骤S03，形成具有缓冲层和主体层交替层叠的多层结构，该多层结构中最上层主体层含Ge浓度不低于其下方的其他主体层；
步骤S05，在步骤S04形成的多层结构上外延生长Si盖帽层，形成具有SiGe的PMOS源/漏区。
2.根据权利要求1所述的SiGe源/漏区的制造方法，其特征在于：步骤S04形成的多层结构包括间隔的多层缓冲层和多层主体层，该多层主体层中最上层主体层的厚度不小于其下方的其他主体层。
3.根据权利要求2所述的SiGe源/漏区的制造方法，其特征在于：该多层缓冲层中最下层缓冲层的厚度不小于其上方的其他缓冲层，并且其含Ge浓度不大于其上方的其他缓冲层。
4.根据权利要求3所述的SiGe源/漏区的制造方法，其特征在于：该多层缓冲层中最下层缓冲层的厚度不小于
5.根据权利要求3所述的SiGe源/漏区的制造方法，其特征在于：该缓冲层中的含Ge浓度为10-25％，该主体层中的含Ge浓度为25-60％。
6.根据权利要求3所述的SiGe源/漏区的制造方法，其特征在于：该缓冲层的厚度为SiGe源/漏区高度的1/10-1/4，该主体层的厚度为SiGe源/漏区高度的1/8-1/3，并且所有主体层的厚度总和不小于所有缓冲层的厚度总和。
7.根据权利要求1至6任一项所述的SiGe源/漏区的制造方法，其特征在于：步骤S04中重复次数为1-4次。
8.根据权利要求7所述的SiGe源/漏区的制造方法，其特征在于：该缓冲层中的掺杂B浓度为0－1×1019cm-3，该主体层中的掺杂B浓度为1×1019－5×1021cm-3。
9.根据权利要求7所述的SiGe源/漏区的制造方法，其特征在于：步骤S02和步骤S03中外延生长的工艺温度为400－750℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |