CN100442441C - 形成外延层的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包括在硅衬底上通过化学气相沉积沉积一个基于第IV族元素的外延层的步骤的制造半导体器件的方法，其中使用氮气或一种惰性气体作载体气体，本发明还提供一种化学气相沉积设备(10)，它包括具有气体输入口(14)和气体输出口(16)的室(12)，以及位于室(12)内的用于安置硅衬底(20)的机构(18)，所述设备(10)还包括一个连接在输入口(14)上用来提供作为载体气体的氮气或惰性气体的气源。

Description

形成外延层的方法和设备
本发明涉及一种包括在硅衬底上特别是通过化学气相沉积(CVD)形成外延层的步骤的制造半导体器件的方法，还涉及所用的一种设备。
为了扩展采用硅微电子技术的元件的材料种类，如外延生长在硅衬底上的Si1-x-yGexCy(和Si1-yCy)晶体等材料已经引起了广泛注意。
硅:碳(Si1-yCy)是在例如J.P.Liu和H.J.Osten的“Substitutional carbon incorporation during Si1-x-yGexCy growthon Si(100)bymolecular-beam epitaxy：Dependence on germaniumand carbon”，Applied Physics Letters，Vol.76，No.24，(2000)，P.3546-48，以及H.J.Osten的“MBE growth and properties ofsupersaturated，carbon-containing silicon/germainium alloyson Si(100)”，Thin Solid Films，Vol.367，(2000)，P.101-111中所讨论的一种新材料，它具有与硅相同的金刚石结构。一般C的浓度在0-5％之间，远超出C在Si中的溶解度极限。在Si1-yCy中，所有碳原子都应当是取代的，占据硅结构中的硅原子的位置。因此，要精加工这种材料的一个特别挑战就是向硅中引入取代碳。已知，C原子在Si和Ge中的平衡固溶度极小，因此人们期望生长高质量的取代C浓度高这几个原子百分比的Si1-x-yGexCy晶体。在低温下取代碳的比例增加。如果碳原子不在点阵位置，即如果它们不是取代的，则它们可能会导致各种缺陷，例如但不限于SiC沉淀。这些缺陷不适于半导体应用和外延生长。
已知，Si1-x-yGexCy和Si1-yCy外延层可以利用不同工艺如分子束外延(MBE)、快热化学气相沉积(RT-CVD)、低压化学气相沉积(LP-CVD)和超高真空化学气相沉积(UHV-CVD)生长在硅(001)衬底上。后者在B.Tillack，B.Heinemann，D.Knoll的“Atomic layer doping ofSiGe-fundamentals and device applications”，Thin SolidFilms，Vol.369，(2000)，p.189-194；Y.Kanzawa，K.Nozawa，T.Saitoh和M.Kubo的“Dependence of substitutional Cincorporation on Ge content for Si1-x-yGexCy crystals grown byultrahigh vacuum chemical vapor deposition”，Applied PhysicsLetters，Vol.77，No.24，(2000)，P.3962-64；以及S.John.E.J.Quinomes，B.Ferguson，S.K Ray，B.Anantharan，S.Middlebrooks，C.B.Mullins，J.Ekerdt，J.Rawlings和S.K.Banerjee的“Properties of Si1-x-yGexCy epitaxial films grown byUltrahigh Vacuum Chemical Vapor Deposition”，Journal of TheElectrochemical Society，Vol.146，No.12(1999)，P.4611-4618中有记载。取代和间隙碳结合之间的关系是一个非常重要的因素，它对层的电性能和光性能有影响。一般认为，碳取代率(即取代结合的碳原子的比例)和晶体质量受生长条件的影响很大。
在低温下，即一般低于约600℃时，外延层的生长速率受表面上氢原子的存在控制，氢原子的存在是在沉积过程中分子气体如SiH4、Si2H6、SiH2Cl2、GeH4和H2的分解导致的，且没有立即发生其脱附过程。硅上的平衡氢覆盖度作为氢压和温度的函数可以用如P.V.Schwartz和J.C.Sturm在“Oxygen incorporation during low temperaturechemical vapor deposition growth of epitaxial siliconfilms”，Journal of the Electrochemical Society，Vol.141，No.5，(1994)，P.1284-1290中所讨论的朗缪尔模型吸附(Langmuirmodel adsorption)来模拟。不过，对于外延层的生长，氢作为目前所选择的载体气体是非常重要的。
应当理解，如下面所述，氢在外延附生中扮演重要角色。由于例如上面所述的原因，所有CVD工艺都使用氢作为载体气体。
人们注意到，当在低温下通过CVD从一种气体前体如SiH4中生长硅时，氢将钝化表面，使其对那些会妨碍外延附生的污染物呈情性。而且，人们相信氢由于有助于不同层间的界面清晰(interfaceabruptness)和由于能降低生长期间的表面吸收和扩散所以可能有益于外延附生。当各种掺杂物被吸在生长前沿上时，可以观察到类似的情况。这也解释了为什么如E.Finkman，F.Meyer和M.Mamor在″Short-range order and strain in SiGeC alloyes probed byphonons”，Journal of Applied Physics，Vol.89，No.5(2001)，p.2580-2587中所述的在实际上不需要载体气体的分子束外延(MBE)工艺中尝试使用氢的原因。
此外，在M.liehr，C.M.Greenlief，S.R.Kasi和M.Offenberg的“Kinetics of silicon epitaxy using SiH4 in a rapid thermalchemical vapor deposition reactor”，Applied Physics Letters，Vol.56，No.7，(1990)，P.629-631中说明了锗烷对氢的脱附的影响。所讨论的结果被广泛应用在各种SiGe生长模型中，并报导了锗烷对于硅在低温下的生长速率有巨大的催化作用。这种催化作用增强了从生长面上有锗的部位的氢脱附作用，从而使得增强了生长种类的吸附并由此提高了生长速率。该文献推断，在低温汽相外延中，锗烷的少量加入可以将硅的有效生长速率提高两个数量级。尽管还不知道这种催化作用的确切机制，但这种影响是非常有利的，因为它使得不用激光器、等离子体或其它外在生长促进技术就可以在低温时使GexSi1-x膜获得生长速率(100
Figure C0382345400051
/min)。
而且如J.Vizoso，F.Martin，J.Sune和M.Nafria在“Hydrogendesorption in SiGe films：A diffusion limited process”，AppliedPhysics Letters，Vol.70，No.24，(1997)，p.3287-89中所述，已知氢在SiGe外延附生中充当表面活性剂，抑制能导致SiGe粗糙或形成孤岛的三维生长。
因此，氢已经被理所当然地当作特选的载体气体，并且氢通常是用于外延附生工艺的一种重要气体。
WO-A-01/14619公开了碳化硅和/或硅锗碳化物的外延生长，并采用氮气作载体气体。不过，在此文献中所公开的外延反应器是设定在极高温度即1100-1400℃下运行的。
本发明试图提供一种在硅衬底上通过CVD形成外延层的方法，同时此方法与已知的这类方法相比具有很多优点。
本发明还试图提供这样一种化学气相沉积设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种包括在硅衬底上通过化学气相沉积沉积一个基于第IV族元素的外延层的步骤并包括使用氮气或一种惰性气体作载体气体的制造半导体器件的方法。
特别是，这种载体气体可以有利地用来控制外延层(epi-layer)的品质和碳的结合。
特别是，通过使用氮气作载体气体，使得可以以比已知的使用氢作载体气体的Si外延附生工艺更高的生长速率和在更低的温度下得到平滑的外延硅层。
权利要求2-6的特征确定了具体的可形成根据本发明的外延附生体系的一部分的第IV族元素。
权利要求7和8的特征有利地进一步提高了沉积速率，可用来限制生产成本。
通过使用氮气作载体气体进行硅、硅:碳、硅锗和硅锗碳的低温CVD外延附生，该可以将工艺的最佳工作范围提高至远远超出使用氢作载体气体的工艺所固有的限制。用氮气作载体气体的低温外延附生工艺的生长机制与用氢作载体气体的低温外延附生工艺不同。这导致了更高品质的材料和改进的碳结合。
本发明特别是可用于在硅衬底上以高生长速率、高碳取代率和低生产成本沉积掺杂或未掺杂的Si1-x-yGexCy和Si1-yCy外延层。低生长温度和高生长速率的结合对于要求低热预算的应用如在具有高Ge浓度的应变SiGe层上的Si覆盖层(cap layer)同样非常有吸引力。
在下文中参考附图对本发明作了进一步地描述，但仅作为举例，其中：
图1是用氮气而非氢气作载体气体时，生长速率根据温度变化的图解说明；
图2是对晶片上的厚度和锗浓度的均匀度的图解说明；
图3是对使用氮气作载体气体的优点的进一步图解说明；和
图4是与本发明配合使用的化学气相沉积设备的示意框图。
用工业用减压化学气相沉积反应器进行实验，以下内容涉及对SiGe生长的基本影响。
使用氢气和氮气作载体气体时SiGe的生长速率作为温度的函数如图1所示。对于氮气，生长条件为：压力＝40Torr、N2＝33slm、SiH4＝5sccm、GeH4＝150sccm。对于氢气，生长条件为：压力＝40Torr、H2＝33slm、SiH4＝20sccm和GeH4＝150sccm。
这清楚表明，在低温下使用氮气作载体气体时SiGe的生长速率可以比使用氢气作载体气体时提高10倍。在只生长硅时也观察到了类似的效果，这时，当载体气体从氢气换为氮气时生长速率增长了6倍(575℃，硅烷流量400sccm)。
为突出载体气体类型对生长速率的影响，采用了相同的通用生长条件即载体气体流量、生长温度和总压等。当然，应当注意，在实践中这会导致SiGe厚度以及晶片上外延层内的Ge浓度的均匀性非常差，在15％的范围，这对于实际应用来说是不能接受的。
在半导体工业中，外延层的厚度和组分浓度的均匀性非常重要。因此，反应器的结构特别是气体流相对于晶片的位置的方向和大小是一个决定性因素。如图2所示，通过用氮气作载体气体和调节不同的生长参数可以生长平滑均匀的SiGe(C)外延层。
图3提供了对使用氮气作载体气体与使用氢气相比的优点的进一步说明。图3特别说明了由于低温硅外延附生所获得的优点，如图所示生长条件为P＝40Torr和N2＝15slm时，可以以相对较高的生长速率和在较低的生长温度下获得平滑的外延硅层。因此，可以制造出更高品质的具有改进的碳结合的材料。
现在看图4，其中显示了一种准备配合本发明使用的化学气相沉积设备10，它包括在一端具有气体输入口14并在相对端具有气体输出口16的细长形室12。室12内容纳了一个其上安置有硅衬底20的基座台18。
室12内的压力可以通过经输入口14导入气体和经输出口16从中排出气体的方式进行控制。输入口14与气体总管22相连，气体从多个气源输入气体总管22。在所述例子中，举出了用来通过输送管26向气体总管22输入第一种气体的第一气源24和用来通过输送管30向气体总管22输入气体的第二气源28。
当然，气源的总个数可以根据要在衬底20上形成的外延层的需要进行安排。
在575℃的生长温度进行测试。在此温度下，根据硅烷流量，生长速率似乎是传质控制或扩散限制控制的，且在小密度的缺陷下所获得的生长速率在10nm/min左右。根据生长温度，可以选择用SiH4和SiH2CL2气体的组合作Si前体气体。低于550℃的温度时，作为生长的副产物产生在表面上的氢原子被认为是会使Si表面钝化。
已知，碳在Si中的低固溶度使得碳在硅中的结合成为一个关键步骤。
已经证明，在550℃时使用硅烷和氮气作载体气体可以生长高品质的硅碳外延层。
根据本发明可以生长平滑的高品质材料。对于氮气，生长条件为：P＝40Torr、N2＝33slm、SiH4＝5sccm、GeH4＝150sccm；对于氢气，生长条件为：P＝20-40Torr、H2＝33slm、SiH4＝20sccm、和GeH4＝150sccm。
因此可知，通过使用氮气作载体气体，可以生长锗浓度约20原子％和碳浓度高达1.3％的高品质的平滑硅锗碳外延层。上述实施例的生长条件包括沉积温度为525℃，氮气流量为15slm，硅烷(SiH4)流量为20sccm，锗烷(GeH4)流量为150sccm以及甲基硅烷(SiH3CH3)流量为0-20sccm；结果清楚表明了本发明的方法使用氮气作载体气体时的优点。当然，取代碳的浓度可以通过降低生长温度和提高Mano-甲基-硅烷流量来提高。
本发明记述了一种在工业用CVD反应器中在硅衬底上沉积基于第IV族元素Si、Ge、C的外延层的方法，如已经指出的，有利地使用氮气或一种惰性气体作载体气体可以以比现在使用氢气作载体气体的标准方法更低的生产成本生长具有高取代碳含量的高品质外延材料。

Claims (6)

1.一种制造半导体器件的方法，包括通过化学气相沉积在硅衬底上沉积一个基于第IV族元素的外延层的步骤，包括使用氮气作载体气体，并且在低于约600℃的温度下进行。
2.根据权利要求1的方法，它被用于形成一个基于硅、锗和/或碳的外延层。
3.根据权利要求2的方法，其中所述外延层包括Si1-yCy。
4.根据权利要求2的方法，其中所述外延层包括SiGe外延层。
5.根据权利要求2的方法，其中所述外延层包括Si1-x-yGexCy。
6.根据权利要求2的方法，其中所述外延层包括硅外延层。
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光通信用的硅基长波长光电探测器. 李成等.半导体光电，第20卷第4期. 1999
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化学气相沉积碳化硅薄膜的研究. 郑治祥.硅酸盐学报，第23卷第05期. 1995
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