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制造硅化锗的方法及半导体器件

阅读：368发布：2021-02-23

IPRDB可以提供制造硅化锗的方法及半导体器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且示例实施例涉及一种制造硅化锗的方法以及一种半导体器件。根据示例实施例的方法可包括提供至少部分由锗硅构成的衬底。在该锗硅上可形成金属层。可在相对高的压力下对衬底进行热处理，以形成硅化锗。，下面是制造硅化锗的方法及半导体器件专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种制造硅化锗的方法，包括：提供至少部分由锗硅形成的衬底；

在该锗硅上形成金属层；以及

在高压下对该衬底进行热处理，以形成该硅化锗。

2.如权利要求1的方法，其中该热处理是在约3atm至约100atm的压力下进行的。

3.如权利要求2的方法，其中该热处理是在约10atm的压力下进行的。

4.如权利要求1的方法，其中该热处理是在约100℃至约600℃的温度下进行的。

5.如权利要求4的方法，其中该热处理是在约300℃的温度下进行的。

6如权利要求1的方法，其中该热处理是硅化锗工艺。

7.如权利要求1的方法，其中该金属层是单层或者包括多个层的叠层结构。

8.如权利要求1的方法，其中该金属层由一种元素或多种元素的合金形成。

9.如权利要求1的方法，其中该衬底是锗硅衬底。

10.如权利要求9的方法，其中该衬底包括掺杂区，并且该金属层形成在该掺杂区上。

11.如权利要求1的方法，其中该衬底是硅衬底。

12.如权利要求11的方法，其中由锗硅形成的该衬底的该部分掺杂有杂质。

13.一种半导体器件，包括：

具有源极区和漏极区的衬底；

提供在该衬底上的栅电介质；

提供在该栅电介质上的栅电极；以及提供在该源极区和该漏极区上的硅化锗，其中通过制备该衬底使得其至少一部分由锗硅构成来形成该硅化锗；在该锗硅上形成金属层；以及在高压下对该衬底进行热处理，以形成该硅化锗。

14.如权利要求13的半导体器件，其中该热处理是在约3atm至约100 atm的压力下进行的。

15.如权利要求13的半导体器件，其中该热处理是在约100℃至约600 ℃的温度下进行的。

16.如权利要求13的半导体器件，其中该热处理是硅化锗工艺。

17.如权利要求13的半导体器件，其中该金属层是单层或者包括多个层的叠层结构。

18.如权利要求13的半导体器件，其中该金属层由一种元素或多种元素的合金形成。

19.如权利要求13的半导体器件，其中该衬底是硅衬底，并且该源极区和该漏极区包括利用外延生长方法生长的锗硅。

20.如权利要求13的半导体器件，其中该源极区和该漏极区掺杂有杂质元素。

21.如权利要求13的半导体器件，其中该衬底是锗硅衬底。

说明书全文

技术领域

示例实施例涉及一种制造硅化锗(germanosilicide)的方法以及一种具有硅化锗的半导体器件。

背景技术

大规模集成电路(LSI)涉及大量的工艺。由于这些工艺，连接源极和漏极的金属线电阻可增加。因此，电阻值可增加，功耗可增加，并且信号传输速度也会减小。所以，通过对淀积在源极和漏极上的金属进行热处理形成的硅化物需要相对较低的薄层电阻。
为了提高晶体管的迁移率，锗硅(SiGe)可以在源极和漏极上外延生长，以控制压缩应力。硅化锗可通过在锗硅上淀积金属并进行热处理来形成。然而，热处理会增加硅化锗的电阻。
图1A显示形成硅化物的热处理之前的传统叠层结构，其中金属淀积在 Si衬底上。图1B显示形成硅化锗的热处理之前的传统叠层结构，其中金属淀积在SiGe衬底上。图1C显示形成硅化物的热处理之前的传统叠层结构，其中金属淀积在SiGe衬底上形成的Si层上。
热处理图1B的结构而形成的硅化锗的电阻比热处理图1A的结构而形成的硅化物的电阻大。为了解决上述问题，如图1C所示，可以使用外延生长方法在SiGe衬底上生长Si薄膜，将金属淀积在其上，并且热处理该叠层结构以主要形成硅化物而不是硅化锗。因而，可获得较低的薄层电阻，如图 2所示。
图2示出通过快速热退火(RTA)在图1A-1C中的传统叠层结构上形成的硅化物和硅化锗的薄层电阻特性。横轴表示硅化温度，纵轴表示薄层电阻。参考图2，当热处理Ni-Si0.8Ge0.2(图1B的叠层结构)时，薄层电阻高于当热处理Ni-Si(图1A的叠层结构)时的薄层电阻。然而，当热处理 Ni-Si/Si0.8Ge0.2(图1C的叠层结构)时，薄层电阻类似于当热处理Ni-Si(图 1A的叠层结构)时的薄层电阻。
因此，当使用外延生长方法在锗硅上形成Si薄膜和在该Si薄膜上形成金属层时，在热处理期间阻止了硅化锗的生成，并且可获得低薄层电阻。然而，由于使用外延生长方法生长Si薄膜的额外工艺，制造半导体器件的成本和时间会增加以及产量会减少。
图3示出通过进行传统RTA得到的硅化锗的形态。硅化锗的电阻可高于硅化物的电阻，因为锗会局部积聚在硅化锗和SiGe衬底之间的界面处。所以该界面会相对粗糙，如图3所示。锗的积聚在高温会比在低温多。
图4显示具有通过进行传统RTA得到的硅化物和硅化锗的二极管的常规I-V特性。图4的左边图表显示通过在Si衬底上提供镍(Ni)层和进行热处理形成的硅化物样品(NiSi)的I-V特性。图4的右边图表显示通过在SiGe 衬底上提供Ni层和进行热处理形成的硅化锗样品(NiSiGe)的I-V特性。由于硅化锗的粗糙度和界面电荷比硅化物的高，具有硅化锗的二极管漏电流可以增加，如图4所示。

发明内容

示例实施例涉及一种制造硅化锗的方法和具有硅化锗的半导体器件，其中硅化锗和衬底之间的界面粗糙度可以改善并且薄层电阻可以减小。根据示例实施例的制造硅化锗的方法可包括提供至少部分由锗硅构成的衬底。可在该锗硅上形成金属层。可在相对高的压力(大气压以上)下在叠层结构上进行热处理，以形成硅化锗。
在约3atm至100atm的相对高压下进行热处理。例如，在约10atm的压力下进行热处理。该热处理可以在约100℃至约600℃的温度下进行。例如，该热处理可以在约300℃的温度下进行。该热处理可以是硅化锗工艺 (germanosilicidation)。金属层可以是单层或包括多个层的叠层结构。金属层可由一种元素或多种元素的合金构成。衬底可以是锗硅衬底(Si1-xGex； 0＜x＜1)。衬底可包括掺杂区，金属层可形成在该掺杂区上。衬底可以是硅衬底。由锗硅构成的衬底的部分可掺杂有杂质。
根据示例实施例的半导体器件可包括具有源极区和漏极区的衬底。在源极区和漏极区上提供硅化锗。通过制备衬底使得其至少一部分由锗硅构成来形成硅化锗。可在该锗硅上形成金属层。在相对高压下在衬底上进行热处理，以形成硅化锗。

附图说明

图1A显示在形成硅化物的热处理之前的传统叠层结构，其中金属层淀积在硅(Si)衬底上。
图1B显示在形成硅化锗的热处理之前的传统叠层结构，其中金属淀积在SiGe衬底上。
图1C显示形成硅化物的热处理之前的传统叠层结构，其中金属淀积在 SiGe衬底上形成的Si层上。
图2显示通过进行传统的快速热退火(RTA)工艺在图1A至1C中的传统叠层结构上形成的硅化物和硅化锗的薄层电阻特性。
图3示出通过进行传统RTA得到的硅化锗的形态。
图4显示具有通过进行传统RTA得到的硅化物和硅化锗的二极管I-V特性。
图5A和5B示意地示出根据示例实施例的制造硅化锗的方法。
图6A和6B每个显示两个样品的薄层电阻特性，其中一个样品通过在锗硅(SiGe)衬底上淀积Pt和进行传统RTA工艺两分钟获得，另一个样品通过在SiGe衬底上淀积Pt和进行根据示例实施例的相对高压退火(HPA) 工艺在10atm压力下两分钟获得。图6A以对数标度显示两个样品的薄层电阻。图6B以线性标度显示两个样品的薄层电阻。
图7A和7B分别是经过300℃温度下的传统RTA和湿法刻蚀处理的样品的透射电子显微镜(TEM)图像和能量散射X射线光谱(EDS)结果。
图8A是经过600℃温度下的传统RTA处理的样品的TEM图像。
图8B是经过300℃温度和10atm压力下的根据示例实施例的HPA处理的样品的TEM图像。
图9显示根据示例实施例的半导体器件，其中该半导体器件包括通过根据示例实施例的相对高压热处理形成的硅化锗。

具体实施方式

可以理解，当一个元件或层被称为“在...上(on)”、“连接至(connected to)”、“耦接至(coupled to)”、或“覆盖(covering)”另一个元件或层时，可以直接在另一元件或层上，或者直接连接至、耦接至、或覆盖另一个元件或层，或者存在中间元件或层。反过来，当一个元件被称为“直接在...上”、 “直接连接至”、或“直接耦接至”另一个元件或层时，则没有中间元件或层存在、在整个说明书中类似的数字表示类似的元件。如这里使用的，术语 “和/或”包括一个或多个相关列举项的任意和所有组合。
可以理解，虽然术语第一、第二、第三等可以在此用来描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、组件、区域、层或部分和另一个区域、层或部分。因此，在不脱离实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以称为第二元件、组件、区域、层或部分。
为了清楚地描述，空间相对术语，例如“下面(beneath)”、“下方 (below)”、“下(lower)”、“上方(above)”、“上(upper)”等等可以在此用来描述如在附图中所说明的一个元件或特征与另一个元件或特征之间的关系。可以理解空间相对术语旨在包含除了在附图中描述的方向外的器件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在附图中的器件被翻转，描述为在其它元件或特征“下方(below)”或“下面(beneath)”的元件则应取向为在其它元件或特征“上方”。因而，术语“下方(below)”可包含上方和下方两个方向。器件可以有其它取向(旋转90度或者在其它的方向)并且相应地解释在此使用的空间相对描述词。
在此使用的术语仅仅是为了描述不同的实施例的目的并且不旨在限制实施例。如在此使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”以及“该(the)” 旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地表示出另外的意思。可以进一步理解当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)” 指定规定的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是没有排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组。
在此参考截面图示来描述实施例，该图示是实施例的理想实施例(和中间结构)的示意图。因此，可以预期例如制造技术和/或公差导致的图示形状的变化。因而，实施例不应被解释为对在此描述的区域的形状的限制而是包括例如由制造产生的形状偏差。例如，描述为矩形的注入区域典型地具有修圆或弯曲特征和/或在其边缘的注入浓度梯度，而非注入到非注入区域的突变。同样地，通过注入形成的掩埋区可以引起在掩埋区和通过其发生注入的表面之间的区域产生一些注入。因而，在附图中描述的区域实质上是示意性的并且它们的形状不旨在描述器件的区域的实际形状并且不旨在限制实施例的范围。
除非另有定义，在此使用的所有术语(包括技术的和科学的术语)具有与实施例所属领域的普通技术人员所共同理解的相同含义。还可以理解诸如那些在共同使用的字典中定义的术语应解释为一种与在相关领域的上下文中它们的含义一致的含义并且不应解释为理想的或过度正式的意义除非在此清楚地如此定义。
根据示例实施例的退火工艺可在相对高压力下进行，以减小硅化锗和衬底之间界面的粗糙度和降低界面的薄层电阻。图5A和5B示意地示出根据示例实施例的制造硅化锗的方法。参考图5A，可以制备衬底1，使其至少具有由锗硅形成的衬底的部分3。金属层5可形成在由硅锗形成的衬底的该部分3上。
衬底1可以是锗硅衬底(Si1-xGex；0＜x＜1)或硅衬底。锗硅可外延生长在衬底1的部分3上。衬底1的部分3可以是源极、漏极或栅电极的上表面。金属层5可以是单层或者包括多层的叠层结构。金属层5可由一种元素或多种元素的合金形成。例如，金属层5可以由Sc、Ti、V、Cr、Co、Ni、Cu、 Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、La、Sm、Gd、 Dy、Er、Yb、TiN、或它们的组合形成。
参考图5B，在相对高压力(大气压以上)下热处理金属层5从而在衬底1上形成硅化锗7。该热处理可以在约3atm至约100atm的相对高压力下进行。例如，在约10atm或更高的压力下进行热处理。此外，该热处理可以在约100℃至约600℃的温度下进行。例如，该热处理可以在约300℃的温度下进行。该热处理可以是硅化锗工艺(germanosilicidation)，其中在一定温度和压力下加热目标体以允许金属层5和衬底1之间充分反应。在其上没有形成硅化锗7的金属层5的任意部分可以通过湿法刻蚀可选地去除。
图6A和6B每个显示两个样品的薄层电阻特性，其中一个样品通过在锗硅(SiGe)衬底上淀积Pt和进行传统RTA工艺两分钟获得，另一个样品通过在SiGe衬底上淀积Pt和进行根据示例实施例的相对高压退火(HPA) 工艺在10atm压力下两分钟获得。图6A以对数标度显示通过RTA和HPA 形成的硅化锗的薄层电阻特性。图6B以线性标度显示通过RTA和HPA形成的硅化锗的的薄层电阻特性。
参考图6A和6B，使用传统RTA工艺获得的样品在低温可以显示相对大的电阻，因为在传统的RTA工艺中约400℃或更低的温度可能不利于形成硅化锗(例如，PtSiGe)。而是，传统的RTA工艺可能需要相对高的温度来形成硅化锗。如图6A和6B所示，在约600℃的温度下使用传统RTA工艺获得的样品的薄层电阻是最低的。与此相反，由根据示例实施例的HPA工艺获得的样品的薄层电阻比传统RTA工艺的低并且可在短时间内在相对低温(例如，约300℃)下可获得。因此，由根据示例实施例的HPA工艺在相对低温(例如，300℃)下可形成硅化锗。
图7A和7B分别是由300℃温度下的传统RTA和湿法刻蚀工艺获得的样品的透射电子显微镜(TEM)图像和能量散射X射线光谱(EDS)结果。如上所述且如图7A和7B所示，在传统的RTA工艺中约400℃或更低的温度不利于形成硅化锗(例如，PtSiGe)。
图8A显示在约600℃温度下由传统RTA工艺获得的样品的TEM图像。图8B显示在300℃温度和约10atm下由根据示例实施例的HPA获得的样品的TEM图像。在图8A中，当在约600℃温度下进行传统RTA工艺时可形成硅化锗(PtSiGe)。然而，如图8A所示，硅化锗的界面和表面形态可相对粗糙。
图8B显示在约300℃温度下通过根据示例实施例的HPA工艺形成的硅化锗(PtSiGe)。如图8B所示，硅化锗的界面和表面形貌可得到改善，因此显示在形成硅化锗期间锗(Ge)的局部扩散已经减少或被阻止。
如上所述，在相对高压下进行的热处理可以减小硅化锗和衬底之间的界面粗糙度，并且降低硅化锗的薄层电阻。另外，当对比传统RTA工艺时根据示例实施例的热处理可涉及相对低的温度。因此，当根据示例实施例使用上述方法在源极和漏极上形成硅化锗时，连接至晶体管的源极和漏极的金属线的电阻值可减小，并且可实现使用硅化锗的高速晶体管。
使用通过根据示例实施例的HPA工艺形成的硅化锗的半导体器件可具有如图9所示的晶体管结构。参考图9，根据示例实施例的半导体器件可包括晶体管10。晶体管10可包括形成在衬底11上的源极区13和漏极区15。可在衬底11上形成栅绝缘层18。在栅电介质18上可形成栅电极19。栅绝缘层18和栅电极19可由侧壁31和32围绕。根据示例实施例通过HPA工艺可分别在源极区13和漏极区15上形成硅化锗构件21和25。
衬底11可以是硅衬底或锗硅衬底(Si1-xGex；0＜x＜1)。源极区13和漏极区15可由锗硅(Si1-xGex；0＜x＜1)形成。例如，锗硅可在衬底11上的源极区13和漏极区15中外延生长。源极区13和漏极区15也可以掺杂有预定杂质。在半导体器件10的表面上提供金属层，并且可进行根据示例实施例的 HPA工艺以在第一掺杂区13和第二掺杂区15上形成硅化锗构件21和25，其中硅化锗构件21和25具有相对光滑的界面和低的薄层电阻。
在源极和漏极上外延生长的锗硅(SiGe)可以调节压缩应力，从而通过提高迁移率实现高速晶体管。传统高速晶体管在硅化之前需要在SiGe上的外延硅(Si)薄膜，以实现的低的薄层电阻。然而，根据示例实施例的制造硅化锗的方法可能提供低的薄层电阻而没有传统方法所需要的额外Si薄膜。因此，器件的特性和制造产量一样可被提高。
尽管如上所述在晶体管10的源极区13和漏极区15上形成硅化锗，但是示例实施例不限于此。例如，可使用根据示例实施例的硅化锗制造方法以形成晶体管10中栅电极19的金属线(未示出)。另外，根据示例实施例的方法可应用到需要改善硅化锗的界面和表面分布的各种器件中，以便减小薄层电阻。
具有使用根据示例实施例的HPA工艺制造的硅化锗的半导体器件可以形成晶体管，该晶体管用作微处理器、数字信号处理器、中央处理单元中的逻辑单元胞，这些器件都是需要低薄层电阻的大规模集成(LSI)逻辑电路和器件。所以，根据示例实施例的晶体管可提供更高速度和更低功耗。
如上所述，当使用根据示例实施例的HPA工艺形成硅化锗时，对比传统RTA工艺，在低温下短时间内可获得低的薄层电阻。此外，可改善硅化锗和SiGe衬底之间的界面粗糙度，从而，可减小界面电荷和漏电流，因此改善器件性能。
虽然在此已经公开了示例实施例，但是应该理解其它的变化是可能的。这样的变化不认为是脱离本发明示例实施例的精神和范围，并且对本领域技术人员显而易见的所有这些修改都旨在包括在所附权利要求的范围中。

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