在先进的p型金属氧化物半导体场效应晶体管中，SiGe沟道可用于提高空穴迁移率和定制阈值电压偏移。在这种器件的源极/漏极区中SiGe:B的低温选择性外延生长(SEG)之前，SiGe氧化物的有效去除是强制性的。SEG之前的H2烘烤通常在低于650°C的温度下进行，以避免孤岛效应或形状变化，要求事先非常有效地去除表面污染物(如碳、氟、氧……)。由于锗在空气中非常活泼，Siconi原位表面制备方案很可能在具有这种热预算约束的SiGe表面上使用。最近，评估了一种新的表面制备策略，该策略基于I)湿化学氧化物形成，然后ii)标准NH3/NF3远程等离子体Siconi工艺。为了使用这样的方案来制造器件，我们在此研究了表面制备对Si0.60Ge0.40在Si0.60Ge0.40膜上外延再生长的影响(在氧去除效率、所得形貌等方面)。我们表明，这种表面制备大大减少了界面污染，然而，在外延再生长后，表面可能是粗糙的。由于对表面制备和生长参数之间的相互作用进行了深入分析，因此提出了一种创新的工艺顺序，可生产出光滑、高质量的薄膜。
介绍
在先进的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)中，电子和空穴迁移率比大块无应变硅高几倍，这是强制性的[1]。阿格浓度通常约为30%的压缩应变SiGe例如用于14 nm技术节点p型完全耗尽绝缘体上硅器件的沟道中。在这种器件的源极/漏极(S/D)区中进行几十nm的重度原位硼掺杂SiGe的选择性外延生长(SEG)。它用于降低接触电阻，具有足够的锗硅化材料，并保持(或增加)栅极下SiGe沟道中的压缩应变。SiGe:B SEG之前的表面制备在SiGe表面上特别棘手，因为SiGe表面在空气中非常容易发生反应。在外延之前，起始表面确实应该在原子尺度上是光滑的，并且没有任何污染物(例如O、C或F)。因此，排队时间(Q时间，即在单晶片湿法清洗工具中去除自然氧化物后在空气中花费的时间)的最小化在SiGe上比在硅上更关键。
实验细节
在这项工作中，15 nm厚的SiGe 40%层在600℃、20托下在300 mm大块Si(001)晶片上外延生长。沉积厚度低于塑性松弛的临界厚度；因此SiGe膜是完全压缩应变的。标准300mm foup(ente gris)用于洁净室中的晶片储存。湿法处理在300 mm单晶片DNS SU 3100工具中进行。评估了基于标准前端化学与有效漂洗步骤的组合的各种湿法清洗顺序(表1 ),例如1)稀释的HF/HCl，2)稀释的冷或热标准清洗1 (SC1 ),即NH4OH:H2O2:H2O溶液，或3)臭氧化(O3)漂洗。
特性描述
使用几种技术来评估SiGe预外延表面制备工艺的质量。
在自动Jordan Valley Semiconductor jvx 5200工具(具有会聚X射线束和1024像素CCD检测器)中，通过X射线反射率(XRR)确定再外延后的膜厚度。在Bruker FastScan工具中进行轻敲模式原子力显微镜测量，以估计暴露于化学物质或再外延后的SiGe粗糙度。本文中给出的AFM均方根(rms)粗糙度值是从在晶片中心或半径中部进行的10 X 10 m扫描中提取的。晶片上的粗糙度均匀性也由雾度控制，即在KLA·坦科尔·SP2工具中的光扩散测量。
通过二次离子质谱(SIMS)研究了不同处理的污染物去除效率。来自ION TOF的TOF SIMS 5工具用于SIMS分析。通过用铯溅射离子束进行负离子检测来分析c和O。14.5 KeV Cs+初级离子束在50×50米的区域上进行光栅扫描，同时光学和电子门控将信号区域限制在直径为10米的圆内。长的抽气时间、液氮阱以及高溅射率(以深度分辨率为代价)被用来降低各种元素的检测极限。深度校准通过触针轮廓术从凹坑测量获得。以下SIMS浓度的误差棒通常为+/- 10%。
结果和讨论
在下文中，我们已经在15 nm厚的Si0.6Ge0.4层上评估了不同的(I)湿法、(ii) Siconi和(iii)“湿法-Siconi”序列，在湿法清洗和Siconi工艺之间具有两个Q时间，少于15分钟或8小时。在没有任何空气中断的情况下，Siconi工艺之后是在超纯N2下将晶片转移到外延室，在那里进行20托的H2烘烤(温度低于或等于650°C ),并在600°C下再外延20托的另一种15 nm的Si0.6Ge0.4。这种低热预算的目的是最小化其对污染物去除效率的影响，并允许对各种探测序列进行适当的基准测试。我们首先从界面污染(SIMS和XRR)和膜质量(雾度和AFM)方面量化了使用化学氧化物-Siconi序列(先前由XPS [8]证明)的兴趣。本研究的第二个目标是在300毫米工业生产线(25个晶片的FOUP处理)的真实条件下证明这种序列的效率，然后在外延组合工具的惰性环境中，在湿清洗和装载之间有几十分钟到几个小时的Q-时间。8小时的Q-时间似乎是合理的，以显示生产线中过程的稳健性。
3.1表面处理对界面污染的影响使用Q-时间= 15分钟的表面处理
在各种化学处理(表1)之后，将Si0.60Ge0.40层装载到外延组合设备的N2净化的装载室中，进行Siconi工艺，然后转移(在N2下)到外延室，在那里进行再外延。在这些条件下，脱氧表面暴露在空气中的时间(在湿处理和晶片装载到装载室之间)不超过15分钟。在Si0.60Ge0.40外延再生长之后，通过X射线反射率测量晶片。在图1中可以找到选择的配置文件。在全外反射的临界角以上(大约0.13°)，X射线传播到SiGe/Si叠层中。厚度条纹是由于表面反射的X射线和SiGe/Si界面处的相长干涉和相消干涉造成的。
图1:在Q时间小于15分钟的各种表面制备之后，在15 nm的Si0.60Ge0.40顶部上再外延名义上15 nm的Si0.60Ge0.40之后的X射线反射率曲线。
所得双层的厚度作为所用表面制备方案的函数提供在图2中。
图2:在Q-时间小于15分钟或8小时的各种表面制备之后，在15 nm的Si0.60Ge0.40顶部上名义上15 nm的Si0.60Ge0.40的600℃再外延之后的XRR厚度。
SiGe双层的平均厚度与Siconi基表面制备非常相似，e平均值为310。相比之下，HF/HCl处理产生的双层厚度约为295(即比评估的其他方案小15)。由于初始SiGe层被HF/HCl消耗的可能性极小(对于HF/HCl-si coni序列也可能发生这种情况)，这种SiGe厚度的急剧减小归因于“上部”SiGe层的较低厚度。HF/HCl化学处理之后暴露于空气中很可能导致外延生长进行之前的延迟(即生长延迟)。
图3:对于Q时间小于15分钟或持续8小时的各种表面制备，SiGe/SiGe界面处的界面氧浓度。
HF/HCl:HF/HCl湿法处理后的再外延具有最高的界面氧浓度。正如我们在最近的出版物[8]中注意到的，脱氧的SiGe表面对再氧化非常敏感。即使暴露在空气中非常短的时间(< 15分钟)，我们也具有所有方案中最高的界面氧含量(即1.7.1021 at/cm-3)。这种高氧浓度证实了XRR厚度的发现，具有HF/HCl的生长延迟。在“HF-Last”湿法清洗之后，在650℃下的H2烘烤不足以去除起始SiGe表面上的所有氧残留物。这完全符合参考文献。[7]研究结果表明，为了去除界面氧，无论是在硅或硅锗表面上，H2烘烤都应该使用高于或等于775℃的温度。在越来越低的温度下外延的当前趋势中，这种类型的表面制备显然不够好。
图10:标称15 nm的Si0.60Ge0.40在15 nm的Si0.60Ge0.40之上外延再生长之后的雾度图，预先具有Q-时间< 15分钟的“HF/HCl-SC1-Siconi”表面准备，并且在外延之前的H2烘焙的不同阶段注入二氯硅烷:a)在烘焙期间没有任何注入，b)在温度稳定期间DCS注入，C)在温度稳定期间DCS注入，然后是升温，以及d)在温度稳定期间DCS注入。
图14:在15 nm的Si0.60Ge0.40(本身在SOI衬底上)的顶部上外延再生长17 nm的Si0.60Ge0.40之后的O、Si和Ge EDX深度分布，预先具有Q时间< 15分钟的“HF/HCl-SC1-Siconi”表面准备，并且在温度稳定期间注入二氯硅烷，然后升温。IL代表界面(或封装)层。
结论:
在这项研究中，我们已经展示了“化学氧化物-Siconi”序列去除SiGe自然氧化物的能力。这种顺序产生低热预算外延再生长，没有任何延迟
并且氧界面污染比标准的“HF-last”湿法清洗低10倍(在低于或等于650℃的温度下H2烘烤2分钟后)。然而，这种顺序导致SiGe表面对岛化更敏感。这可能是由于在SC1 (NH4OH/H2O2/H2O)或O3溶液中浸泡后，在化学二氧化硅层下形成了一些富锗单层。为了避免岛化问题，在低热预算H2烘烤期间执行基于二氯硅烷的钝化，以在SiGe上产生薄的覆盖层(小于1nm)。所得的Si0.60Ge0.40 / Si / Si0.60Ge0.40叠层是光滑的，并且没有任何显著量的界面污染或延伸缺陷。
