含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法与微电子装置制造方法
【专利摘要】本发明提供包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法与微电子装置，该方法包括：形成栅极结构于锗为主的沟道层上，锗为主的沟道层位于基板上，且栅极堆叠位于锗为主的沟道层其相反两侧的锗为主的源极区与锗为主的漏极区之间；形成盖层于锗为主的源极区与锗为主的漏极区上，且盖层包括硅与锗；沉积金属层于盖层上；进行温度步骤，使至少部分盖层转变为金属锗硅化物，金属锗硅化物不溶于蚀刻品，且蚀刻品用以溶解金属层；以蚀刻品自基板选择性地移除未消耗的金属层；以及形成金属前介电层。本发明提供的方法，以锗化工艺制作具有锗为主的沟道层以及锗为主的源极与漏极的晶体管装置，并减少形成孔洞。
【专利说明】含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法与微电子装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及场效半导体装置，还特别涉及场效晶体管(FET)。
【背景技术】
[0002]场效半导体装置的大规模集成度仍面临多种挑战。FET晶体管栅极长度持续缩小，形成其所需的关键尺寸的工艺控制也越来越难。
[0003]在硅为主的FET晶体管装置的领域中，现有的自我对准金属硅化工艺通常用以降低源极/漏极区与硅栅极的电阻。此工艺通常包含预清洁工艺、金属沉积工艺、与回火工艺，以形成金属硅化物合金。接着进行湿式选择性蚀刻，以移除未反应的金属。在湿式蚀刻工艺中，任何露出的硅表面(比如硅沟道层)将会自动形成薄钝化层如氧化硅于其上，以保护下方的硅不受影响。
[0004]在制作锗为主的FET晶体管(比如形成于锗基板上)时，本领域已发展类似的锗化工艺。直接在锗表面上进行锗化工艺的主要问题为形成孔洞。上述锗化工艺通常包括预清洁工艺、沉积金属工艺、与回火工艺以形成金属锗化物合金。接着进行湿式选择性蚀刻以移除未反应的金属。当回火温度最佳化时，可减少锗化工艺中因锗扩散至金属(如镍或镍钼合金)所产生的孔洞，如美国专利7，517，765所述。然而移除未反应金属的湿式选择性蚀刻仍形成孔洞，此问题仍待解决。
【发明内容】
[0005]当锗接触较贵重的金属时，在水相溶液中极易电化腐蚀。以特定的锗化物模块为例，锗作为电化反应的阳极60,而较贵重的金属如镍锗合金、镍、镍钼锗合金、镍钼合金作为电化反应的阴极61，如图1所示。锗暴露于水相化学品形成小面积的孔洞62，造成高电化电流密度与高局部腐蚀速率。由于氧化锗可溶于水，因此无法形成薄层的钝化氧化层。这与用于硅为主的FET晶体管的公知硅化工艺完全不同，因为氧化硅不溶于水，并可在大部分的水相溶液中作为钝化层。
[0006]本发明的目的在于提供改良的方法，以锗化工艺制作具有锗为主的沟道层以及锗为主的源极与漏极的晶体管装置，并减少形成孔洞。
[0007]完成本发明的目的的技术特征如下述。
[0008]在本发明的第一实施例中，具有锗或锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法包括:提供栅极结构于锗为主的沟道层上，而锗为主的沟道层位于基板上。基板可为锗基板、或绝缘基板上具有磊晶层的硅基板，且磊晶层包括锗或硅锗合金(SixGei_x，0 f X = I)。栅极结构位于锗为主的沟道层其相反两侧中锗为主的源极区与锗为主的漏极区之间。上述方法提供盖层于锗为主的源极区与锗为主的漏极区上，而盖层包括硅与锗如硅锗合金。上述方法沉积金属层于盖层上。上述方法进行温度步骤如回火步骤，使至少部分的盖层转变成金属硅锗化合物。此金属硅锗化合物不会溶于用以溶解沉积的金属层的预定蚀刻品。上述方法自基板上以预定蚀刻品选择性地移除未消耗的金属层。上述方法提供金属前介电层。[0009]在进行锗化工艺即先形成盖层于源极与漏极区上的好处在于，可减少甚至避免孔洞形成于锗为主的沟道及/或源极/漏极区。如此一来，在选择性移除(如蚀刻)未消耗的金属层时，可避免露出沟道层、源极与漏极区、及其他锗为主的层状物。盖层其较上方的部分较佳地与金属层反应。未反应的盖层其较下方的部分在选择性移除(如蚀刻)未消耗的金属层时，可作为蚀刻停止层。
[0010]在较佳实施例中，上述方法还包括图案化金属前介电层以形成开口区域，再将导电材料填入开口区域中，使源极与漏极连接至金属化线路。金属前介电层可为氧化硅、氧化硅/氧化氮的堆叠、或低介电常数的介电层。
[0011]沟道层可为锗为主的沟道层。举例来说，沟道层可包含超过80%、超过90%、超过95%、或超过99%的锗，甚至是100%的锗。
[0012]每一源极区与漏极区可为锗为主材料。举例来说，源极区与漏极区可包含超过80%、超过90%、超过95%、或超过99%的锗，甚至是100%的锗。
[0013]提供盖层于源极及漏极区上的步骤，亦可包括形成盖层于栅极结构与源极区之间的区域中，以及栅极结构与漏极区之间的区域中。
[0014]提供温度步骤可包括提供150°C至450°C之间的温度，更佳为提供200°C至400°C之间的温度、更佳为提供250°C至400V之间的温度、且更佳为提供250°C至350°C之间的温度。
[0015]在较佳实施例中的方法包括:在沉积金属前介电层前，沉积金属层于盖层上、进行温度步骤，使至少部分的盖层转变为金属锗硅化物、与自基板选择性地移除未消耗的金属层。
[0016]上述方法的优点在于使金属锗硅化物与沟道层之间的距离最小化。金属锗硅化物与沟道层之间的距离主要地或完全取决于间隔物宽度。
[0017]在其他较佳实施例中，方法包括在沉积与图案化金属前介电层以形成开口于其中之后，再沉积金属层于盖层上、进行温度步骤，使至少部分的盖层转变为金属锗硅化物、与自基板选择性地移除未消耗的金属。
[0018]在工艺的流程中延迟形成金属锗硅化物的好处在于，先进行其他制作模块的工艺条件(比如温度)，之后形成的金属锗硅化物则不需再经历其他模块的工艺条件。举例来说，其他工艺可为栅极置换工艺。
[0019]在较佳实施例中，方法进一步包含栅极后制的置换栅极结构。
[0020]在较佳实施例中，栅极后制的置换栅极结构其形成方法于沉积金属前介电层后进行，比如在图案化金属前介电层以露出盖层之前进行。
[0021 ] 在较佳实施例中，栅极结构包括一或多个介电层及导电电极，而导电电极包括一或多个金属层及/或掺杂的多晶硅层。栅极结构的横向尺寸受限于间隔物结构，而栅极位于含锗沟道层上并与其相邻。间隔物结构可为或包括氮化硅、氧化硅、或上述的组合。
[0022]在较佳实施例中，金属层为(或包括)镍、钼、或镍与钼的组合。金属层亦可为(或包括)钮、铜、或钮与铜的组合。
[0023]对应的蚀刻品可为盐酸(HCl)。
[0024]在较佳实施例中，提供盖层(如硅锗层)的步骤包括磊晶成长盖层于锗为主的源极与漏极区。[0025]在较佳实施例中，方法包括以实质上无晶面模式成长盖层(如硅锗层)。在下述内容中，此方法还包括以额外间隔物覆盖硅锗层的晶面，以避免晶面上的金属反应。
[0026]在较佳实施例中，沉积的金属层具有预定的厚度及/或预定的位置。在锗化工艺如沉积金属层于盖层上并进行温度步骤后，使至少部分的盖层转变为金属锗硅化物，未消耗(或未反应/未转变)的部分盖层则继续覆盖其下方的锗(较佳为锗为主的源极与漏极区，亦可为基板上的其他非沟道的锗区)。如此一来，自基板选择性移除未消耗或未反应的金属层时，上述未消耗的部分盖层可保护下方的锗不受电化腐蚀。
[0027]在较佳实施例中，沉积的金属层具有预定厚度，比如小于含有硅锗合金的盖层厚度。在一般例子中，并非所有的盖层均会与金属层作用，因此部分未反应的硅锗、特定实施例中组成渐变的硅锗盖层中的硅、或双层盖层中的底部硅层将可继续覆盖保护下方的锗不受电化腐蚀。盖层中所有或部分未反应的硅锗层或硅层，其厚度为至少lnm。
[0028]举例来说，Inm厚的镍层可消耗约2nm厚的娃锗层(SixGeh, x介于O与I之间)，以形成低电阻的镍硅锗(NiSixGe1J相。为了保留未反应或未转变的部分盖层以覆盖锗，盖层的厚度较佳大于2nm,比如3nm。
[0029]在较佳实施例中，盖层用以避免锗为主的沟道层以及源极与漏极区暴露于预定的蚀刻品。
[0030]在较佳实施例中，盖层包括硅与锗如硅锗合金，并包含约20%至100%的硅。上述盖层的优点在于盖层含有足够的硅，在形成锗硅化物时可抑制锗扩散至金属中，进而避免在回火时形成孔洞。
[0031]盖层可具有一致的组成，其锗浓度较佳低于70%，且其锗浓度更佳低于50%。盖层亦可具有不一致的组成分布对应不同深度，比如较下方的盖层的硅浓度高于较上方的盖层的硅浓度。举例来说，盖层可为(或包括)双层结构，其第一子层如底层的锗浓度可低于50%。第一子层的硅浓度可高于50%。上述盖层可具有第二子层如顶层，其锗浓度可较高如大于50%或大于70%。第一子层(底层)可作为蚀刻停止层或密封层，而第二子层(顶层)可最佳化地与金属层反应。盖层亦可具有渐变浓度，其锗浓度随着沉积厚度而增加。渐变浓度的盖层的底层(或较下方部分)可对应双层盖层的第一子层。渐变浓度的盖层的顶层(或较上方部分)可对应双层盖层的第二子层。渐变浓度的盖层的中间部分形成于前述的顶层与底层之间。
[0032]盖层可进一步包含碳或锡。举例来说，盖层可进一步包含硼、铟、磷、砷、或锑。举例来说，盖层的厚度至少为5nm,比如5nm至30nm之间。
[0033]在较佳实施例中，上述方法还包括在沉积金属层前与成长盖层后(如硅锗层)，形成间隔物以覆盖任何薄硅锗区。上述薄硅锗区的成因为晶面硅锗成长。在沉积预定的金属层于盖层上并进行温度步骤后，在厚度方向中的薄区将完全消耗，比如由盖层正面至锗为主的沟道层或源极与漏极区的所有薄区。这将使盖层没有任何未反应的部分残留于锗为主的沟道层及/或源极与漏极区上的薄区中，以保护锗为主的沟道层或源极/漏极区。
[0034]此间隔物的形成方法如本领域技术人员所知。
[0035]间隔物可为(或包括)介电堆叠如氧化硅及/或氮化硅或任何其他低介电常数材料，其不与用于金属硅锗合金的金属反应。
[0036]在较佳实施例中，图案化的金属前介电层可避免锗为主的沟道层与锗为主的源极与漏极区暴露于预定的蚀刻品。举例来说，制作开口于金属前介电层中，使盖层得以与后续沉积的金属接触反应，而金属前介电层仍覆盖晶面硅锗成长的薄硅锗盖区。在较佳实施例中，方法包括在选择性蚀刻(自基板移除未消耗的金属层)后，进行第二温度步骤(如第二回火)，以减少金属锗硅化物的电阻及/或改良金属锗硅化物的装置性质。
[0037]在本发明另一实施例中，微电子装置如晶体管装置或以晶体管装置作为中间装置的装置，其包含锗或锗为主的沟道层于基板上；栅极结构位于锗为主的沟道层上；栅极结构位于锗为主的沟道层其相反两侧中锗为主的源极区与锗为主的漏极区之间；部分转变的盖层位于源极及/或漏极区上，且只有部分盖层包括金属锗硅化物。
[0038]部分晚变的盖层其包含金属锗硅化物的部分为较上方的部分或较上方的子层。部分转变的盖层可进一步包含硅及/或锗(比如硅锗合金)，较佳为部分转变的盖层其较下方的部分或较较下方的子层。
[0039]可以理解的是，本领域技术人员可将一实施例的结构与优点进行必要变更以成另一实施例，反之亦然。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1是公知锗化工艺中发生的阳极处理。
[0041]图2是公知方法制造的锗为主的FET晶体管装置，其锗为主的源极/漏极区中包含孔洞。[0042]图3是本发明的第一实施例。
[0043]图4是本发明中建立于第一实施例上的第二实施例。
[0044]图5是本发明中建立于第一实施例上的第三实施例。
[0045]图6是本发明的第四实施例。
[0046]图7是本发明的第五实施例。
[0047]图8是本发明的第六实施例。
[0048]图9是依据图8的实施例进行额外工艺的实施例。
[0049]其中，附图标记说明如下:
[0050]IFET晶体管装置
[0051]2基板
[0052]3源极区
[0053]4漏极区
[0054]5栅极结构
[0055]7盖层
[0056]20沟道区
[0057]51、56 间隔物
[0058]52、55 介电层
[0059]53多晶硅层
[0060]54 金属层
[0061]57 虚置的介电层
[0062]60 阳极[0063]61阴极
[0064]62孔洞
[0065]71金属锗硅化物
[0066]72保留部分
[0067]80金属前介电层
[0068]90开口
【具体实施方式】
[0069]本发明将以特定实施例与对应图式进行说明，但本发明的范畴应以权利要求为主而不局限于说明书内容。图式仅用以说明而非局限本发明。为了说明目的，图式中的某些元件尺寸可能会失真而未依比例绘示。换言之，本发明图式中的尺寸与相对尺寸不必然对应实际状况的真实尺寸。
[0070]此外，说明书与权利要求中“第一”、“第二”、“第三”、与类似用语用以区隔类似元件，不一定有位置或时间上的顺序关系。这些用语在实际情况下可替换，而本发明实施例可由其他顺序而非说明书所述的顺序操作
[0071]另一方面，说明书与权利要求中的“顶部”、“底部”、“位于…上”、“位于…下”、与类似用语仅用以方便说明，而不必然用以说明相对位置。这些用语在实际情况下可替换，而本发明实施例可由其他方向而非说明书所述的方向操作。
[0072]此外，多种实施例中的用语“较佳”仅说明举例本发明可实施的方式，并非用以局限本发明。
[0073]在权利要求中的用语“包括”不应限制为后述的元件或步骤，且未排除其他元件或步骤。用语“包括”应解释为存在下述的结构、整体、步骤、或构件，但未排除其他结构、整体、步骤、构件、或上述的组合。举例来说，“装置包括A与B”的意思并非为“装置仅具有A与B”，而是列举装置的构件有A与B。此外，权利要求应解释为包含上述构件的均等物。
[0074]图1是当锗接触更贵重的金属时，其于水性溶液中易于电化腐蚀的事实。在锗化物模块的特例中，锗作为电化反应中的阳极60，而更贵重的金属如镍锗、镍、或镍钼作为电化反应的阳极61，如图1所示。较贵重的金属指的是具有较高标准电极电位的金属。
[0075]图2为一般的锗为主的FET晶体管装置。FET晶体管装置I形成于基板(如锗基板)2之上或之中。基板2包含沟道区(或层)20，其连接源极区3与漏极区4。在沟道区20上为栅极结构5，其位于源极区3与漏极区之间。栅极结构5包含介电层(或介电层堆叠)55、金属层54、多晶娃层53、与另一介电层52 (比如氧化娃层)。上述栅极堆叠的横向尺寸受限于间隔物(比如氮化硅)51。
[0076]在公知的制作工艺中，在金属与源极-漏极的锗材料反应，与湿式移除未反应的金属后，将产生可见的孔洞6于源极区3与漏极区4中。
[0077]本发明实施例的好处在于锗接触更贵重的金属时，不会暴露于湿式(水相)工艺中，进而抑制孔洞形成于锗中。
[0078]在本发明较佳实施例中，硅锗(或类似物)的盖层7位于锗层(比如锗为主的沟道层及锗为主的源极区与漏极区)的顶部上，如图3所示。盖层7的成长方法可为实质上无晶面模式。在其他实施例中，将以额外的间隔物覆盖硅锗层的任何晶面，以避免晶面上的金属反应。
[0079]在形成锗硅化物后，部分盖层将维持足够的高含量硅成份，在选择性蚀刻时可作为锗的密封层。较高含量的硅成份较佳为氧化硅，其不溶于水并形成优异的钝化层。
[0080]在沉积金属前成长盖层(如硅锗合金)，可避免锗在选择性蚀刻移除多余金属时暴露至水相溶液。在锗化反应时，至少部分的盖层将与金属(比如镍或镍钼合金)反应，而未反应的部分盖层将作为停止层(或密封层)以避免锗在选择性蚀刻时暴露于湿蚀刻品中。盖层的组要组成为硅、锗、碳、及/或锡，但亦可包含掺质原子如硼、铟、磷、砷、及/或锑。若盖层具有一致的组成，其锗浓度可低于70%且较佳低于50%。在其他实施例中，盖层的组成可随着深度变化，其较上层的部分可包含高浓度的锗(大于50%)以与金属(如镍)反应，而较下层不反应的部分可包含高浓度的硅(大于50%)以作为密封层。
[0081]上述盖层较佳为选择性成长于锗而不成长于介电材料上的材料，比如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、或碳。上述盖层可为非选择性成长的材料，但之后可由不利装置操作(比如化学机械研磨操作)的区域移除。
[0082]在本发较佳实施例中，成长于锗层的顶部上的硅锗合金(或类似物)的盖层7，可具有晶面如图4所示。在此例中，额外的间隔物56将盖层7上的晶面，以避免晶面中的薄硅锗层与金属反应。
[0083]在图5中，金属前介电层80覆盖晶面，而开口 90位于金属前介电层80中。开口90并未与盖层7的晶面重叠，即金属前介电层80仍覆盖盖层7的晶面。
[0084]图6至图8所示的实施例分别对应图3至图5的实施例，差别在于图6至图8的装置进一步采用置换栅极工艺。在形成金属锗硅化物的步骤早于栅极移除的步骤的实施例中，锗硅化的栅极堆叠由虚置的介电层57与虚置的多晶硅栅极层53所组成。
[0085]在图8中，形成开口 90于金属前介电层80中，而后续形成金属锗硅化物的步骤晚于置换栅极步骤。在此例中，栅极堆叠由最后的介电层55及视情况采用的金属层54与58所组成。
[0086]对图8的装置进行额外工艺，可得图9的装置。金属层位于盖层7上并位于开口90中。回火步骤可消耗部分盖层7，结果为原有盖层7的保留部分72及顶部的金属锗硅化物71。接着在形成穿过金属前介电层的接点至源极与漏极区前，可先移除盖层其未反应的保留部分。
【权利要求】
1.一种包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，包括: 形成一栅极结构于该锗为主的沟道层上，该锗为主的沟道层位于一基板上，且该栅极堆叠位于该锗为主的沟道层其相反两侧的一锗为主的源极区与一锗为主的漏极区之间； 形成一盖层于该锗为主的源极区与该锗为主的漏极区上，且该盖层包括硅与锗； 沉积一金属层于该盖层上； 进行一温度步骤，使至少部分该盖层转变为一金属锗硅化物，该金属锗硅化物不溶于一蚀刻品，且该蚀刻品用以溶解该金属层； 以该蚀刻品自该基板选择性地移除未消耗的该金属层；以及 形成一金属前介电层。
2.如权利要求1所述的包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，在沉积该金属前介电层前，沉积该金属层于该盖层上；进行该温度步骤，使至少部分该盖层转变为一金属锗硅化物；以及自该基板选择性地移除未消耗的该金属层。
3.如权利要求1所述的包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，在沉积该金属前介电层与图案化该金属前介电层以形成多个开口后，沉积该金属层于该盖层上；进行该温度步骤，使至少部分该盖层转变为一金属锗硅化物；以及自该基板选择性地移除未消耗的该金属层。
4.如权利要求1至3 中任一项所述的包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，还包括以栅极后制法置换该栅极结构。
5.如权利要求4所述的包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，其中以栅极后制法置换该栅极结构的步骤晚于沉积该金属前介电层的步骤。
6.如权利要求1至5中任一项所述的包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，其中该金属层包括镍、钼、镍与钼的组合、钮、铜、或钮与铜的组合。
7.如权利要求1至6中任一项所述的包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，其中形成该盖层的步骤包括磊晶成长该盖层于该锗为主的源极区与该锗为主的漏极区上。
8.如权利要求1至7中任一项所述的包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，其中沉积该金属层于该盖层上的步骤后进行该温度步骤，使至少部分该盖层转变为金属锗硅化物，而未转变的其他部分盖层仍覆盖下方的锗为主的沟道层。
9.如权利要求1至8中任一项所述的包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，其中该盖层包括硅锗合金，其具有20%至100%的硅。
10.如权利要求9所述的包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，且还包括在形成该盖层之后并在沉积该金属层于该盖层上之前，形成一间隔物以覆盖任一薄硅锗区，且该薄硅锗区的成因为晶面硅锗成长。
11.如权利要求1至9中任一项所述的包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，形成该盖层的成长步骤为实质上无晶面模式。
12.如权利要求1至11中任一项所述的包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，其中该盖层用以避免该锗为主的沟道层、该锗为主的源极区、与该锗为主的漏极区暴露于该蚀刻品中。
13.如权利要求1至12中任一项所述的包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，其中该盖层的厚度至少为5nm。
14.权利要求第I至13中任一项所述的包含锗为主的沟道层的晶体管装置制造方法，其中该金属前介电层用以避免该锗为主的沟道层、该锗为主的源极区、与该锗为主的漏极区暴露于该蚀刻品中。
15.—种微电子装置,包括: 一锗为主的沟道层，位于一基板上； 一栅极结构，位于该锗为主的沟道层上，其中该栅极结构位于该锗为主的沟道层其相反两侧的一锗为主的源极区与一锗为主的漏极区之间； 一部分转变的盖层位于该锗为主的源极区与该锗为主的漏极区上，只有部分转变的盖层包括金属锗硅化物。`
【文档编号】H01L21/28GK103681353SQ201310394909
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2012年9月3日
【发明者】莱斯柏斯·维特斯, 汎斯·利塔, 马克·凡·戴尔, 布兰寇·大卫 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司, 跨大学校际微电子卓越研究中心