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直接帶隙Ge溝道NMOS器件及其制備方法

閱讀：1013發(fā)布：2021-02-06

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1.一種直接帶隙Ge溝道NMOS器件的制備方法，其特征在于，包括：
S101、選取摻雜濃度為5×1015～7×1015cm-3的單晶Si襯底；
S102、在275℃～325℃下在所述單晶Si襯底上外延生長(zhǎng)厚度為27～50nm第一Ge層，以避免晶體質(zhì)量損失；
S103、在500℃～600℃下，在所述第一Ge層上生長(zhǎng)厚度為900～950nm的第二Ge層，所述第二Ge層采用BF2+作為P型雜質(zhì)以形成P型溝道層；
S104、在750℃～850℃下，在H2氣氛中退火10～15分鐘以提高晶格質(zhì)量；
S105、在100℃的H2O2溶液中，浸入時(shí)間為10分鐘，在所述第二Ge層表面形成GeO2鈍化層；
S106、在250℃～300℃下，采用原子層淀積工藝淀積厚度為3nm的HfO2材料作為柵介質(zhì)層；其中，反應(yīng)氣體為[(CH3)(C2H5)N]4Hf，氧化劑為H2O；
S107、采用反應(yīng)濺射工藝生長(zhǎng)厚度為90～100nm?TaN材料作為柵極層；
S108、利用選擇性刻蝕工藝刻蝕指定區(qū)域的所述TaN材料、所述HfO2材料及所述GeO2鈍化層形成柵極；
S109、在所述第二Ge層和所述柵極表面淀積厚度為10～20nm的SiO2材料；
S110、利用CVD工藝在所述SiO2材料表面淀積厚度為20～30nm的Si3N4材料；
S111、采用選擇性刻蝕工藝刻蝕除所述柵極頂部及側(cè)墻處所以外的所述SiO2材料和所述Si3N4材料，在所述柵極表面形成柵極保護(hù)層；
S112、在整個(gè)襯底表面涂抹光刻膠，利用光刻工藝曝光光刻膠，保留所述柵極表面的光刻膠；
S113、利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝刻蝕所述整個(gè)襯底表面的所述第二Ge層，形成Ge臺(tái)階；
S114、去除表面光刻膠；
S115、在500℃～600℃下，以硅烷、鍺烷為氣源，采用化學(xué)氣相淀積工藝在所述Ge臺(tái)階周?chē)L(zhǎng)厚度為20nm的Si0.5Ge0.5材料；
S116、在所述Si0.5Ge0.5材料內(nèi)利用離子注入工藝注入AsH3形成源漏區(qū)；
S117、利用濕法刻蝕工藝去除所述SiO2材料和所述Si3N4材料形成的所述柵極保護(hù)層；
S118、利用CVD工藝淀積厚度為20～30nm的BPSG以形成介質(zhì)層；
S119、采用硝酸和氫氟酸刻蝕所述介質(zhì)層形成源漏接觸孔；
S120、利用電子束蒸發(fā)工藝淀積厚度為10～20nm金屬W，形成源漏接觸；
S121、利用選擇性刻蝕工藝刻蝕掉指定區(qū)域的金屬W，形成源漏區(qū)電極，最終形成所述直接帶隙Ge溝道NMOS器件。
2.一種基于直接帶隙Ge溝道NMOS器件，其特征在于，包括：?jiǎn)尉i襯底層、第一Ge層、第二Ge層及Si0.5Ge0.5層、GeO2鈍化層、HfO2柵介質(zhì)層、TaN柵極層；其中，所述直接帶隙Ge溝道NMOS器件由權(quán)利要求1所述的方法制備形成。

說(shuō)明書(shū)全文

直接帶隙Ge溝道NMOS器件及其制備方法

技術(shù)領(lǐng)域

[0001] 本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種直接帶隙Ge溝道NMOS器件及其制備方法。

背景技術(shù)

[0002] 在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中，微電子技術(shù)以其驚人的發(fā)展速度迅速改變著人們的生活方式，不管在個(gè)人電腦、消費(fèi)電子等日常生活方面，還是自動(dòng)控制，航空航天等高科技領(lǐng)域，微電子技術(shù)都有著不可替代的作用。微電子技術(shù)之所以能保持高速發(fā)展，主要應(yīng)歸功于其不斷縮小的器件尺寸，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor?Field?Effect?Transistor,簡(jiǎn)稱(chēng)MOSFET)作為集成電路最基本的組成單元，在過(guò)去幾十年中一直嚴(yán)格按照摩爾定律(Moore’s?Law)縮小著。然而，隨著集成電路集成度的不斷提高，特征尺寸不斷縮小，出現(xiàn)了一系列材料、器件物理、器件結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)等方面的問(wèn)題，尤其是遷移率退化問(wèn)題限制了器件性能的進(jìn)一步提升。
[0003] 為了解決散熱問(wèn)題嚴(yán)重、電互連功耗大，寄生RC導(dǎo)致傳輸速度下降等問(wèn)題，一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)就是將現(xiàn)有成熟的微電子和光電子技術(shù)結(jié)合，充分發(fā)揮硅基微電子先進(jìn)成熟的工藝技術(shù)、高密度集成、價(jià)格低廉以及光子極高的傳輸速率、高抗干擾性和低功耗的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)硅基光電集成。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高NMOS器件的電子遷移率進(jìn)而提高器件的驅(qū)動(dòng)電流，研究新的器件結(jié)構(gòu)與材料成為繼續(xù)提高M(jìn)OSFET性能的新途徑。其中一個(gè)重要的方面就是采取措施提高溝道內(nèi)載流子遷移率，以彌補(bǔ)溝道高摻雜所引起的庫(kù)倫散射作用以及柵介質(zhì)變薄引起有效電場(chǎng)強(qiáng)度提高和界面散射增強(qiáng)等因素帶來(lái)的遷移率退化等問(wèn)題。
[0004] Ge材料的電子遷移率為3900cm2/V·s約為Si材料的3倍，因此將Ge作為溝道是提高NMOS性能的重要方法。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)Ge材料施加一定的作用，可將其從間接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，直接帶隙Ge導(dǎo)帶底能谷為Γ能谷，其電子有效質(zhì)量小于間隙帶隙Ge(包括低強(qiáng)度應(yīng)變Ge)電子有效質(zhì)量，因而可顯著提升Ge材料的電子遷移率可進(jìn)一步提高Ge材料的電子遷移率。以直接帶隙Ge為溝道的NMOS器件，不僅能提高其電子載流子遷移率和NMOS器件驅(qū)動(dòng)電流，而且與當(dāng)前微電子主流工藝完全兼容，為高速器件與電路提供了又一新的技術(shù)發(fā)展途徑。
[0005] 依據(jù)文獻(xiàn)，在大應(yīng)力強(qiáng)度條件下，Ge可由間接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體。因此，采用直接帶隙Ge作為NMOS器件的溝道材料，面臨的關(guān)鍵問(wèn)題是，如何設(shè)計(jì)與制備直接帶隙Ge半導(dǎo)體，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)直接帶隙Ge?NMOS器件。

發(fā)明內(nèi)容

[0006] 因此，為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷和不足，本發(fā)明提出一種直接帶隙Ge溝道NMOS器件及其制備方法。
[0007] 具體地，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提出的一種直接帶隙Ge溝道NMOS器件的制備方法，包括：
[0008] S101、選取摻雜濃度為5×1015～7×1015cm-3的單晶Si襯底；
[0009] S102、在275℃～325℃下在所述單晶Si襯底上外延生長(zhǎng)厚度為27～50nm第一Ge層，以避免晶體質(zhì)量損失；
[0010] S103、在500℃～600℃下，在所述第一Ge層上生長(zhǎng)厚度為900～950nm的第二Ge層，所述第二Ge層采用BF2+作為P型雜質(zhì)以形成P型溝道層；
[0011] S104、在750℃～850℃下，在H2氣氛中退火10～15分鐘以提高晶格質(zhì)量；
[0012] S105、在100℃的H2O2溶液中，浸入時(shí)間為10分鐘，在所述第二Ge層表面形成GeO2鈍化層；
[0013] S106、在250℃～300℃下，采用原子層淀積工藝淀積厚度為3nm的HfO2材料作為柵介質(zhì)層；其中，反應(yīng)氣體為[(CH3)(C2H5)N]4Hf，氧化劑為H2O；
[0014] S107、采用反應(yīng)濺射工藝生長(zhǎng)厚度為90～100nm?TaN材料作為柵極層；
[0015] S108、利用選擇性刻蝕工藝刻蝕指定區(qū)域的所述TaN材料、所述HfO2材料及所述GeO2鈍化層形成柵極；
[0016] S109、在所述第二Ge層和所述柵極表面淀積厚度為10～20nm的SiO2材料；
[0017] S110、利用CVD工藝在所述SiO2材料表面淀積厚度為20～30nm的Si3N4材料；
[0018] S111、采用選擇性刻蝕工藝刻蝕除所述柵極頂部及側(cè)墻處所以外的所述SiO2材料和所述Si3N4材料，在所述柵極表面形成柵極保護(hù)層；
[0019] S112、在整個(gè)襯底表面涂抹光刻膠，利用光刻工藝曝光光刻膠，保留所述柵極表面的光刻膠；
[0020] S113、利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝刻蝕所述整個(gè)襯底表面的所述第二Ge層，形成Ge臺(tái)階；
[0021] S114、去除表面光刻膠；
[0022] S115、在500℃～600℃下，以硅烷、鍺烷為氣源，采用化學(xué)氣相淀積工藝在所述Ge臺(tái)階周?chē)L(zhǎng)厚度為20nm的Si0.5Ge0.5材料；
[0023] S116、在所述Si0.5Ge0.5材料內(nèi)利用離子注入工藝注入AsH3形成源漏區(qū)；
[0024] S117、利用濕法刻蝕工藝去除所述SiO2材料和所述Si3N4材料形成的所述柵極保護(hù)層；
[0025] S118、利用CVD工藝淀積厚度為20～30nm的BPSG以形成介質(zhì)層；
[0026] S119、采用硝酸和氫氟酸刻蝕所述介質(zhì)層形成源漏接觸孔；
[0027] S120、利用電子束蒸發(fā)工藝淀積厚度為10～20nm金屬W，形成源漏接觸；
[0028] S121、利用選擇性刻蝕工藝刻蝕掉指定區(qū)域的金屬W，形成源漏區(qū)電極，最終形成所述直接帶隙Ge溝道NMOS器件。
[0029] 本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例提出的一種直接帶隙Ge溝道NMOS器件，包括：?jiǎn)尉i襯底層、第一Ge層、第二Ge層及Si0.5Ge0.5層、GeO2鈍化層、HfO2柵介質(zhì)層、TaN柵極層；其中，所述直接帶隙Ge溝道NMOS器件由上述實(shí)施例所述的方法制備形成。
[0030] 本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例提出的一種直接帶隙Ge溝道NMOS器件的制備方法，包括：
[0031] 選取單晶Si襯底；
[0032] 在所述單晶Si襯底表面以第一溫度生長(zhǎng)第一Ge層；
[0033] 在所述第一Ge層表面以第二溫度生長(zhǎng)第二Ge層；
[0034] 在所述第二Ge層表面連續(xù)生長(zhǎng)柵介質(zhì)層和柵極層，選擇性刻蝕工藝刻蝕所述柵介質(zhì)層和所述柵極層形成柵極；
[0035] 在所述柵極表面形成柵極保護(hù)層；
[0036] 對(duì)所述第二Ge層進(jìn)行刻蝕在所述柵極位置處形成Ge臺(tái)階；
[0037] 采用外延工藝在所述第二Ge層表面生長(zhǎng)Si0.5Ge0.5層；
[0038] 采用離子注入工藝在所述Si0.5Ge0.5層中注入N型雜質(zhì)，形成源漏去；
[0039] 去除所述柵極保護(hù)層，以最終形成所述直接帶隙Ge溝道NMOS器件。
[0040] 在發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一溫度的范圍為275℃～325℃；所述第二溫度的范圍為500℃～600℃。
[0041] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述第一Ge層表面以第二溫度生長(zhǎng)第二Ge層之后，還包括：
[0042] 將所述第二Ge層浸入H2O2溶液中，以在所述第二Ge層表面形成GeO2鈍化層；
[0043] 相應(yīng)地，在所述第二Ge層表面連續(xù)生長(zhǎng)柵介質(zhì)層和柵極層，選擇性刻蝕工藝刻蝕所述柵介質(zhì)層和所述柵極層形成柵極，包括：
[0044] 在所述GeO2鈍化層表面連續(xù)生長(zhǎng)柵介質(zhì)層和柵極層，選擇性刻蝕工藝刻蝕所述柵介質(zhì)層、所述柵極層及所述GeO2鈍化層形成所述柵極。
[0045] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述柵極表面形成柵極保護(hù)層，包括：
[0046] 在所述第二Ge層和所述柵極表面淀積SiO2材料；
[0047] 利用CVD工藝在所述SiO2材料表面淀積Si3N4材料；
[0048] 采用選擇性刻蝕工藝刻蝕除所述柵極頂部及側(cè)墻處所以外的所述SiO2材料和所述Si3N4材料，在所述柵極表面形成柵極保護(hù)層。
[0049] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，利用刻蝕工藝對(duì)所述第二Ge層進(jìn)行刻蝕在所述柵極位置處形成Ge臺(tái)階，包括：
[0050] 在整個(gè)襯底表面涂抹光刻膠，利用光刻工藝曝光光刻膠，保留所述柵極表面的光刻膠；
[0051] 利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝刻蝕所述整個(gè)襯底表面的所述第二Ge層，形成所述Ge臺(tái)階；
[0052] 去除表面光刻膠。
[0053] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述第二Ge層表面生長(zhǎng)Si0.5Ge0.5層，包括：
[0054] 在500℃～600℃下，以硅烷、鍺烷為氣源，采用化學(xué)氣相淀積工藝在所述Ge臺(tái)階周?chē)L(zhǎng)厚度為20nm的Si0.5Ge0.5材料；其中，SiH4體積流量為5mL/min,GeH4體積流量為2mL/min，生長(zhǎng)時(shí)間為1h。
[0055] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，去除所述柵極保護(hù)層之后，還包括：
[0056] 利用CVD工藝淀積BPSG以形成介質(zhì)層；
[0057] 采用硝酸和氫氟酸刻蝕所述介質(zhì)層形成源漏接觸孔；
[0058] 利用電子束蒸發(fā)工藝淀積金屬W，形成源漏接觸；
[0059] 利用選擇性刻蝕工藝刻蝕掉指定區(qū)域的金屬W，形成源漏區(qū)電極。
[0060] 本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例提出的一種直接帶隙Ge溝道NMOS器件，包括：包括：Si襯底層、第一Ge層、第二Ge層及Si0.5Ge0.5層、柵介質(zhì)層及柵極層；其中，所述直接帶隙Ge溝道NMOS器件由上述實(shí)施例所述的方法制備形成。
[0061] 上述實(shí)施例，使用低溫-高溫兩步生長(zhǎng)法來(lái)制備Ge外延層。直接使用Ge材料作為襯底價(jià)格昂貴，不利于大規(guī)模應(yīng)用。而低溫-高溫兩步生長(zhǎng)法以Si材料為襯底，大大節(jié)省了成本。該方法先低溫外延一薄層Ge，抑制由于大的晶格失配引起的島狀生長(zhǎng)。再高溫生長(zhǎng)主體Ge外延層。與傳統(tǒng)漸變緩沖層生長(zhǎng)方法相比，該方法減小了漸變層厚度，并且使得Ge外延層表面粗糙度顯著降低。
[0062] 另外，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的Ge改性方式及直接帶隙Ge作為溝道的NMOS器件制備，很大程度上增加了NMOS器件的驅(qū)動(dòng)能力，因而成為提高NMOS器件速度的有效措施之一。此外，直接帶隙Ge材料由于其載流子復(fù)合效率大幅提高，還可應(yīng)用于光子器件有源層。因此，本發(fā)明所提出的直接帶隙Ge?NMOS在單片光電集成方面有著良好的應(yīng)用前景。具體優(yōu)點(diǎn)如下：
[0063] 1、本發(fā)明的NMOS器件的工藝方法與現(xiàn)有Si集成電路工藝兼容，在工藝制造、降低成本方面具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)；；
[0064] 2、本發(fā)明利用Ge四周選擇性外延SiGe引入張應(yīng)力，直接帶隙Ge材料晶體質(zhì)量高；
[0065] 3、本發(fā)明NMOS的溝道材料為直接帶隙Ge材料，相對(duì)于傳統(tǒng)Ge材料載流子遷移率有了很大提升，從而提高了NMOS器件的電流驅(qū)動(dòng)與頻率特性；
[0066] 4、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的直接帶隙Ge材料，其載流子遷移率高，可應(yīng)用于單片光電集成，可增強(qiáng)電路功能、速度等關(guān)鍵性能。
[0067] 通過(guò)以下參考附圖的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的其它方面和特征變得明顯。但是應(yīng)當(dāng)知道，該附圖僅僅為解釋的目的設(shè)計(jì)，而不是作為本發(fā)明的范圍的限定，這是因?yàn)槠鋺?yīng)當(dāng)參考附加的權(quán)利要求。還應(yīng)當(dāng)知道，除非另外指出，不必要依比例繪制附圖，它們僅僅力圖概念地說(shuō)明此處描述的結(jié)構(gòu)和流程。

附圖說(shuō)明

[0068] 下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0069] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直接帶隙Ge溝道NMOS器件的工藝流程圖；
[0070] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直接帶隙Ge結(jié)構(gòu)的俯視示意圖；
[0071] 圖3a-圖3r為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直接帶隙Ge溝道NMOS器件的工藝示意圖。

具體實(shí)施方式

[0072] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說(shuō)明。
[0073] 實(shí)施例一
[0074] 請(qǐng)參見(jiàn)圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直接帶隙Ge溝道NMOS器件的工藝流程圖。該方法包括如下步驟：
[0075] 步驟a、選取單晶Si襯底；
[0076] 步驟b、在所述單晶Si襯底表面以第一溫度生長(zhǎng)第一Ge層；
[0077] 步驟c、在所述第一Ge層表面以第二溫度生長(zhǎng)第二Ge層；
[0078] 步驟d、在所述第二Ge層表面連續(xù)生長(zhǎng)柵介質(zhì)層和柵極層，選擇性刻蝕工藝刻蝕所述柵介質(zhì)層和所述柵極層形成柵極；
[0079] 步驟e、在所述柵極表面形成柵極保護(hù)層；
[0080] 步驟f、對(duì)所述第二Ge層進(jìn)行刻蝕在所述柵極位置處形成Ge臺(tái)階；
[0081] 步驟g、采用外延工藝在所述第二Ge層表面生長(zhǎng)Si0.5Ge0.5層；
[0082] 步驟h、采用離子注入工藝在所述Si0.5Ge0.5層中注入N型雜質(zhì)，形成源漏區(qū)；
[0083] 步驟i、去除所述柵極保護(hù)層，以最終形成所述直接帶隙Ge溝道NMOS器件。
[0084] 其中，步驟b和步驟c中，所述第一溫度的范圍為275℃～325℃；所述第二溫度的范圍為500℃～600℃。
[0085] 可選地，在步驟c之后，還包括：
[0086] 步驟x、將所述第二Ge層浸入H2O2溶液中，以在所述第二Ge層表面形成GeO2鈍化層；
[0087] 相應(yīng)地，步驟d包括：
[0088] 在所述GeO2鈍化層表面連續(xù)生長(zhǎng)柵介質(zhì)層和柵極層，選擇性刻蝕工藝刻蝕所述柵介質(zhì)層、所述柵極層及所述GeO2鈍化層形成所述柵極。
[0089] 可選地，步驟e具體包括：
[0090] 步驟e1、在所述第二Ge層和所述柵極表面淀積SiO2材料；
[0091] 步驟e2、利用CVD工藝在所述SiO2材料表面淀積Si3N4材料；
[0092] 步驟e3、采用選擇性刻蝕工藝刻蝕除所述柵極頂部及側(cè)墻處所以外的所述SiO2材料和所述Si3N4材料，在所述柵極表面形成柵極保護(hù)層。
[0093] 可選地，步驟f，包括：
[0094] 步驟f1、在整個(gè)襯底表面涂抹光刻膠，利用光刻工藝曝光光刻膠，保留所述柵極表面的光刻膠；
[0095] 步驟f2、利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝刻蝕所述整個(gè)襯底表面的所述第二Ge層，形成所述Ge臺(tái)階；
[0096] 步驟f3、去除表面光刻膠。
[0097] 其中，對(duì)于步驟g，具體工藝可以為：
[0098] 在500℃～600℃下，以硅烷、鍺烷為氣源，采用化學(xué)氣相淀積工藝在所述Ge臺(tái)階周?chē)L(zhǎng)厚度為20nm的Si0.5Ge0.5材料；其中，SiH4體積流量為5mL/min,GeH4體積流量為2mL/min，生長(zhǎng)時(shí)間為1h。
[0099] 其中，在步驟i中，去除所述柵極保護(hù)層之后，還包括：
[0100] 步驟y1、利用CVD工藝淀積BPSG以形成介質(zhì)層；
[0101] 步驟y2、采用硝酸和氫氟酸刻蝕所述介質(zhì)層形成源漏接觸孔；
[0102] 步驟y3、利用電子束蒸發(fā)工藝淀積金屬W，形成源漏接觸；
[0103] 步驟y4、利用選擇性刻蝕工藝刻蝕掉指定區(qū)域的金屬W，形成源漏區(qū)電極。
[0104] 本發(fā)明的工作原理具體為：
[0105] 國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究的Ge改性技術(shù)有如下幾類(lèi)：機(jī)械應(yīng)變；工藝應(yīng)變；熱退火與摻雜結(jié)合引入低強(qiáng)度應(yīng)力和GeSn合金化。理想的應(yīng)力引入方式應(yīng)該具有應(yīng)力可調(diào)、工藝兼容、晶格無(wú)缺陷等優(yōu)點(diǎn)，研究合適應(yīng)力引入的方式是制備高性能應(yīng)變Ge?NMOS器件的前提?；谏鲜鲈瓌t，本發(fā)明采用工藝應(yīng)變的方式實(shí)現(xiàn)Ge材料的改性技術(shù)。原理如下：由于Ge的晶格常數(shù)比SiGe材料要大，在源漏區(qū)域下方的SiGe材料將被迫適應(yīng)Ge材料的晶格常數(shù)，因此SiGe橫向晶格將受到張應(yīng)力；而在源漏區(qū)域上方的SiGe材料由于厚度較厚，已經(jīng)達(dá)到弛豫狀態(tài)。由于器件總長(zhǎng)度保持不變，隨著SiGe橫向晶格的縮小，導(dǎo)致中心區(qū)域的Ge材料將受到張應(yīng)力。請(qǐng)參見(jiàn)圖2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種改性Ge結(jié)構(gòu)的俯視示意圖，本發(fā)明通過(guò)在Ge周?chē)x擇性外延鍺硅(SiGe)引入張應(yīng)力，獲得了較高質(zhì)量的直接帶隙Ge材料。
[0106] 綜上，本發(fā)明使用低溫-高溫兩步生長(zhǎng)法來(lái)制備Ge外延層。直接使用Ge材料作為襯底價(jià)格昂貴，不利于大規(guī)模應(yīng)用。而低溫-高溫兩步生長(zhǎng)法以Si材料為襯底，大大節(jié)省了成本。該方法先低溫外延一薄層Ge，抑制由于大的晶格失配引起的島狀生長(zhǎng)。再高溫生長(zhǎng)主體Ge外延層。與傳統(tǒng)漸變緩沖層生長(zhǎng)方法相比，該方法減小了漸變層厚度，并且使得Ge外延層表面粗糙度顯著降低。
[0107] 另外，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的Ge改性方式及直接帶隙Ge作為溝道的NMOS器件制備，很大程度上增加了NMOS器件的驅(qū)動(dòng)能力，因而成為提高NMOS器件速度的有效措施之一。此外，改性Ge材料由間接帶隙材料變?yōu)橹苯訋恫牧希漭d流子復(fù)合效率大幅提高，應(yīng)用于光電子器件，其發(fā)光效率將大幅提升；同時(shí)，直接帶隙情況下Ge材料載流子遷移率高，該改性材料應(yīng)用于單片光電集成，可增強(qiáng)電路功能、速度等關(guān)鍵性能。也就是說(shuō)，直接帶隙Ge材料由于其載流子復(fù)合效率大幅提高，還可應(yīng)用于光子器件有源層。因此，本發(fā)明所提出的直接帶隙Ge?NMOS在單片光電集成方面有著良好的應(yīng)用前景。
[0108] 另外，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直接帶隙Ge溝道NMOS器件，包括：Si襯底層、第一Ge層、第二Ge層及Si0.5Ge0.5層、柵介質(zhì)層及柵極層；其中，所述NMOS器件由由上述實(shí)施例所述的方法制備形成。
[0109] 實(shí)施例二
[0110] 請(qǐng)參見(jiàn)圖3a-圖3r，圖3a-圖3r為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直接帶隙Ge溝道NMOS器件的工藝示意圖，在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例將較為詳細(xì)地對(duì)本發(fā)明的工藝流程進(jìn)行介紹。該方法包括：
[0111] S101、襯底選取。如圖3a所示，選取單晶硅(001)為襯底001，初始摻雜類(lèi)型為n型，濃度為1015cm-3。
[0112] S102、兩步法生長(zhǎng)鍺外延層：
[0113] S1021、利用化學(xué)氣相淀積(CVD)的方法，在襯底上，以低、高溫兩部法生長(zhǎng)n型Ge(001)薄膜，摻雜濃度為1～5×1016cm-3；
[0114] S1022、如圖3b所示,在275℃～325℃下生長(zhǎng)一層50nm厚的“低溫”Ge((LT-Ge)薄膜002。大部分彈性應(yīng)力的弛豫發(fā)生在小于10納米的低溫Ge層，但為避免晶體質(zhì)量損失需要厚度較大(大于27納米)的低溫Ge層。因此本發(fā)明將LT-Ge層設(shè)定為50nm。低的生長(zhǎng)溫度同時(shí)抑制了三維Ge島的形成和位錯(cuò)形成的弛豫應(yīng)力；
[0115] S1023、如圖3c所示，在500～600℃的生長(zhǎng)溫度下，并對(duì)外延層以BF2+作為P型雜質(zhì)進(jìn)行，淀積900-950nm的Ge層003；
[0116] S1024、為提高晶格質(zhì)量，在H2氣氛中750℃～850℃退火(在一個(gè)固定的溫度或循環(huán))不超過(guò)10–15分鐘。
[0117] S1025、為了在Ge溝道與MOS氧化層界面處獲得良好的電學(xué)特性和穩(wěn)定性，需要在Ge表面形成一層GeO2鈍化層。方法是將襯底放在75℃的H2O2溶液中，浸入時(shí)間為10分鐘，在Ge表面將形成一層很薄的GeO2鈍化層004，如圖3d所示。
[0118] S103、制作柵極。
[0119] S1031、如圖3e所示，在250℃～300℃條件下，利用原子層淀積法淀積3nm厚的氧化鉿(HfO2)005，反應(yīng)前體為[(CH3)(C2H5)N]4Hf，氧化劑為H2O；
[0120] S1032、如圖3f所示，采用反應(yīng)濺射系統(tǒng)淀積110nm厚的氮化鉭(TaN)006；
[0121] S1033、如圖3g所示，利用刻蝕工藝刻選擇性蝕掉指定區(qū)域的TaN-HfO2形成NMOS的柵極區(qū)。
[0122] S104、保護(hù)柵極。柵極在進(jìn)行源漏刻蝕以及選擇性鍺硅外延生長(zhǎng)的過(guò)程中必須得到保護(hù)。
[0123] S1041、如圖3h所示，在柵極表面淀積一層薄的SiO2層007，厚度約為10nm；
[0124] S1042、如圖3i所示，用化學(xué)氣相沉積法淀積厚度為20～30nm的Si3N4層008作為柵極保護(hù)層，其作用是在源漏區(qū)域刻蝕和選擇性鍺硅外延生長(zhǎng)過(guò)程中保護(hù)柵極不受損害，另外不影響源漏離子注入的自對(duì)準(zhǔn)工藝；
[0125] S1043、如圖3j所示，刻蝕除柵極之外的SiO2和SiN層。
[0126] S105、選擇性外延SiGe材料。
[0127] S1051、光刻，涂膠并選擇區(qū)域曝光。如圖3k所示，在中心保留區(qū)域的光刻膠009，四周的光刻膠被刻蝕掉；
[0128] S1052、刻蝕Ge材料。如圖3l所示，在CF4和SF6氣體環(huán)境中，采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)方法刻蝕。中心區(qū)域由于光刻膠的抗刻蝕性，中心的Ge材料得以保留；刻蝕柵極的四周區(qū)域；
[0129] S1053、如圖3m所示，在500℃～600℃下，以硅烷、鍺烷為氣源，采用化學(xué)氣相淀積(CVD)技術(shù)在暴露出的Ge襯底上生長(zhǎng)一層20nm厚的Si0.5Ge0.5層010。其中，SiH4體積流量為5mL/min,GeH4體積流量為2mL/min，生長(zhǎng)時(shí)間為1h；并對(duì)源漏區(qū)域以AsH3作為N型雜質(zhì)對(duì)樣品進(jìn)行摻雜，離子注入能量與劑量分別為35keV與1×1017cm-2，如圖3n是俯視圖，摻雜區(qū)域?yàn)閳D中011；
[0130] S1044、如圖3o所示，采用濕法刻蝕方式去除柵極覆蓋的Si3N4和SiO2。
[0131] S106、淀積NMOS電極：
[0132] S1061、淀積介質(zhì)層。如圖3p所示，采用化學(xué)氣象淀積(CVD)淀積20～30nm的BPSG，形成介質(zhì)層(PMD)012，摻BPSG能俘獲移動(dòng)離子，以防止它們擴(kuò)散到柵極而損害器件性能；
[0133] S1062、刻蝕接觸孔。如圖3q所示，用硝酸和氫氟酸刻蝕BPSG形成源漏接觸孔；
[0134] S1063、淀積金屬。如圖3r所示，利用電子束蒸發(fā)淀積10～20nm厚的鎢(W)，形成源漏接觸；利用刻蝕工藝刻選擇性蝕掉指定區(qū)域的金屬W，形成源漏區(qū)電極013。
[0135] 綜上所述，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明直接帶隙Ge溝道NMOS器件及其制備方法的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附的權(quán)利要求為準(zhǔn)。
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