CN104599945B - 含硅外延层的形成 - Google Patents

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Abstract

本发明是公开一种形成含硅的外延层的方法。具体的实施例是关于半导体器件(例如金属氧化物半导体场效晶体管MOSFET)中的外延层的形成与处理。在具体的实施例中，外延层的形成包括将处理室中的基材暴露给沉积气体，沉积气体包括二或更多个硅源，例如硅烷及包含新戊硅烷的高阶硅烷。实施例包括在形成外延层的过程中流入掺质来源(例如磷掺质)，并在没有磷掺质的情况下，继续以硅源气体进行沉积。

Description

含硅外延层的形成
本申请是申请日为2007年12月11日申请的申请号为200780044461.7，并且发明名称为“含硅外延层的形成”的发明专利申请的分案申请。
相关申请
本申请要求2006年12月12日提交的美国专利申请号11/609590的优先权，所述美国专利申请公开的内容全部合并在此以作参考。
技术领域
本发明的实施例涉及一种用于含硅外延层的处理与形成的方法及设备。详细的实施例是涉及用于半导体组件中的外延层的形成与处理的方法与设备，所述半导体组件例如为金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)器件。
背景技术
流经MOS晶体管的通道的电流量是直接与通道中的载流子迁移率(mobility)成比例，而使用高迁移率的MOS晶体管使得更多电流流动且最终获得较快的电路效能。可通过在通道中产生机械应力而增加MOS晶体管通道中的载流子迁移率。处于压缩应变下的通道，例如生长在硅上的硅锗通道层，具有大幅提高的空穴迁移率，以提供pMOS晶体管。处于拉伸应变下的通道，例如生长在松弛(relaxed)硅锗上的薄硅通道层，具有大幅提高的电子迁移率，以提供nMOS晶体管。
处于拉伸应变下的nMOS晶体管通道也可通过形成一或多个碳掺杂硅外延层来提供，而所述nMOS晶体管通道与pMOS晶体管中的压缩应变SiGe通道为互补。因此，碳掺杂硅及硅锗外延层可分别沉积在nMOS及pMOS的源极/漏极。源极与漏极区可通过选择性硅干式蚀刻而为平坦或凹陷。当经过适当制造时，覆盖有碳掺杂硅外延的nMOS源极及漏极会在通道中施加拉伸应力，并增加nMOS驱动电流。
为了达到利用碳掺杂硅外延而增进nMOS晶体管(具有凹陷的源极/漏极)的信道中的电子迁移率，期望通过选择性蚀刻或后沉积(post-deposition)处理而在源极/漏极上选择性形成碳掺杂硅外延层。再者，期望碳掺杂硅外延层含有取代C原子，以在通道中诱导出拉伸应变。通过在碳掺杂硅源极及漏极含有较高的取代C含量能达到较高的通道拉伸应变。
一般来说，100纳米以下(sub-100nm)的CMOS(互补金属-氧化物半导体)器件需要小于30nm的结(junction)深度。通常使用选择性外延沉积以在结中形成含硅材料(例如：Si、SiGe及SiC)的外延层(epilayer)。选择性外延沉积允许外延层生长在硅沟槽(moat)上，而不生长在介电区域上。选择性外延可以在半导体器件中使用，例如：高起的源极/漏极、源极/漏极延伸部、接触插塞或双极性器件的基底层沉积。
一般的选择性外延工艺包含沉积反应及蚀刻反应。在沉积过程中，外延层形成在单晶表面上，而多晶层是沉积在至少一个第二层上，所述第二层例如存在的多晶层及/或非晶层。沉积反应与蚀刻反应是同时发生，且对于外延层与多晶层具有不同的反应速率。然而，沉积的多晶层通常相比于外延层以较快的速率蚀刻。因此，通过改变蚀刻气体的浓度，净选择性处理的总效应造成外延材料的沉积以及多晶材料的有限沉积(或是无沉积)。举例来说，选择性外延工艺可以造成含硅材料的外延层生长在单晶硅表面上，而在间隙物(spacer)上不会残留有沉积。
举例来说，在含硅MOSFET(金属氧化物半导体场效晶体管)器件的形成过程中，含硅材料的选择性外延沉积已成为在高起的源极/漏极以及源极/漏极延伸部特征结构的形成过程中的有用技术。通过蚀刻硅表面以形成凹陷的源极/漏极特征结构，并接着以选择性生长的外延层(例如硅锗材料；SiGe)填充被蚀刻的表面来制造源极/漏极延伸部特征结构。选择性外延允许伴随原位掺杂(in-situ doping)的近乎完整的掺质活化，藉此，可省略后退火处理。因此，可利用硅蚀刻及选择性外延来精确限定结(junction)深度。另一方面，超浅源极/漏极结必然会造成串联电阻的增加。另外，在硅化物形成的过程中的结消耗(junction consumption)更会使串联电阻增加。为了补偿结消耗，高起的源极/漏极是外延地及选择性地生长在结上。一般来说，高起的源极/漏极层为未掺杂硅。
然而，目前的外延处理具有部分缺点。为了维持目前外延处理过程中的选择性，在整个沉积处理中，前驱物(precursor)的化学浓度及反应温度必须经过调节及调整。若未提供足够的硅前驱物，则因此蚀刻反应占优势，而整体处理会慢下来。另外，也可能发生有害的基材特征结构的过蚀刻现象(over-etching)。若未提供足够的蚀刻剂前驱物，则因此沉积反应会占优势，因而降低在遍及基材表面上形成单晶及多晶材料的选择性。另外，目前的选择性外延工艺通常需要高反应温度，例如约800℃、1000℃或更高。然而此高温并非制造过程所期望的，这是因为热预算的考虑，以及基材表面可能发生的未受控制的氮化反应。另外，在高处理温度下，在一般选择性Si：C外延处理中所并入的大多数的C原子会占据硅晶格的非取代(即，空隙)位置。通过降低生长温度，则可达到较高分数的取代碳水平(例如：在生长温度550℃之下为接近100％)，然而，在这些较低温下的慢速生长速率对于器件应用是不期望的，且这种选择性处理在较低温度下一般不可能发生。
因此，需要一种用于外延沉积含硅化合物(具有选用的掺质)的处理方法。再者，此处理方法应适用于形成具有各种元素浓度的含硅化合物，并可同时具有快速的沉积速率，并将处理温度维持在例如约800℃或更低温之下(较佳为700℃或更低)。这种方法将对晶体管器件的制造有利。
发明内容
本发明的一实施例是关于形成及处理含有硅的外延层的方法。其它实施例是关于制造晶体管器件的方法，所述晶体管器件包括含有硅及碳的外延层。
根据本发明的一实施例，提供在基材表面上外延地形成含硅材料的方法，所述方法包括：将基材放置在处理室中，所述基材包括单晶表面；以及将基材暴露给沉积气体，以在单晶表面上形成外延层，其中沉积气体包括硅源，且硅源包括：单硅烷和高阶硅烷(higher order silane)。在具体实施例中，外延层是形成在基材的凹陷部位。
在一或多个实施例中，所述方法进一步包括调整单硅烷与高阶硅烷的比例。在具体实施例中，硅烷与高阶硅烷的比例超过4：1。在部分实施例中，高阶硅烷选自二硅烷、新戊硅烷及其混合物。在一或多个实施例中，所述方法包括流入含碳来源，例如甲基硅烷，而所述甲基硅烷可以与惰性载气(例如氩气)一同流入。
在具体的实施例中，高阶硅烷包括二硅烷，且单硅烷与二硅烷的比例为约5：1。在一或多个实施例中，所述方法包括：在将基材暴露给沉积气体之后，立即对处理室进行净化处理(purge)。在一定实施例中，所述方法进一步包括将基材暴露给蚀刻气体。在具体实施例中，所述方法进一步包括：在将基材暴露给蚀刻气体(所述蚀刻气体可以包括氯气及氯化氢)之后，立即对处理室进行净化处理。根据一个实施例，单一的处理循环依序地包括：沉积步骤；暴露给蚀刻气体；以及对处理室进行净化处理；而所述处理循环重复至少二次。在其它实施例中，所述方法可包括重复地进行将基材暴露给沉积气体以及对处理室进行净化处理的步骤，以形成具有预定厚度的含硅层。在部分实施例中，新戊硅烷来源位于距离处理室约5英尺之内。在一个实施例中，沉积气体更包括掺质化合物，所述掺质化合物包括元素来源，所述元素来源是选自由硼、砷、磷、铝、镓、锗、碳及它们的组合所组成的群组。
在一或多个实施例中，外延薄膜是在晶体管加工工艺的制造步骤中形成，所述方法进一步包括：在基材上形成栅极介电层；在栅极介电层上形成栅极电极；以及在基材上形成源极/漏极区，且所述源极/漏极区位于所述电极的相对侧，并在源极/漏极区之间界定通道区。
前述说明宽泛地概括出本发明的部分特征结构及技术优点。本领欲技术人员应了解，在本发明的范畴内，所公开的具体实施例可容易地作为其它结构或处理的改良及设计的基础。且本领欲技术人员也应了解这种等效构造并未偏离如后附权利要求书所界定的本发明的精神及范畴。
附图说明
为了能详细地理解本发明的上述特征，可参考实施例进行更加具体地描述以上简要概括的本发明，部分实施例表示在附图中。须注意的是，附图仅表示本发明的典型实施例，因此不能认为附图是对本发明范围的限制，因为本发明可以允许其他等效实施例。
图1，表示若干种硅前驱物的外延生长速率相对于1000/温度的关系图；
图2A，表示SEM相片，显示利用硅烷源而生长在硅基材上以及介电结构上的Si:C外延的共型性；
图2B，表示SEM相片，显示利用二硅烷源而生长在硅基材上以及介电结构上的Si:C外延的共型性；
图2C，表示SEM相片，显示利用新戊硅烷源而生长在硅基材上以及介电结构上的Si:C外延的共型性；
图3，表示非选择性Si:C外延生长的高分辨率X射线衍射光谱，所述非选择性Si:C外延生长以沉积及净化的交替步骤进行；
图4，表示非选择性Si:C外延生长的高分辨率X射线衍射光谱，所述非选择性Si:C外延生长以沉积、蚀刻及净化的交替步骤进行；
图5，表示根据本发明的一实施例的场效晶体管对的剖面视图；以及
图6，表示图5的PMOS场效晶体管的剖面视图，所述PMOS场效晶体管在器件上形成有额外层。
具体实施方式
本发明的实施例大体提供用于形成及处理含硅外延层的方法及设备。具体的实施例是有关在晶体管的制造过程中用于形成及处理外延层的方法及设备。
如在此处所使用的，外延沉积是指单一结晶层沉积在基材上，藉此，沉积层的结晶结构会匹配基材的结晶结构。因此，外延层(或外延膜)是单一结晶层，或是具有与基材的结晶结构相匹配的结晶结构的膜。外延层与块体基材及多晶层区有区别。
在本发明中，术语“含硅”材料、化合物、膜及层应包括至少含有硅且也可含有锗、碳、硼、砷、磷、镓及/或铝的组合物。其它成分，例如金属、卤素或氢，可并入含硅材料、化合物、膜及层中，且并入的浓度通常为ppm(part per million)。含硅材料的化合物或合金可以用缩写表示，例如：硅Si、硅锗SiGe、硅碳Si:C及硅锗碳SiGeC。缩写并不代表具有化学计量关系的化学等式，也不代表含硅材料的任何特定还原/氧化态。
本发明的一或多个实施例一般提供在电子器件的制造过程中，在基材的单晶表面上选择性地且外延地沉积含硅材料的工艺。含有单晶表面(例如硅或硅锗)及至少一个第二表面(例如非晶表面及/或多晶表面，例如为氧化物或氮化物)的基材暴露给一外延处理，以在单晶表面上形成外延层，并同时在第二表面上形成有限的多晶层或是甚至不形成。外延处理通常是称为交替气体供应处理(alternating gas supply process)，包括重复进行沉积处理及蚀刻处理的循环，直到生长出具有期望厚度的外延层。示例性的交替沉积及蚀刻处理公开在共同受让且同时另案待审的美国专利申请序号第11/001,774号之中，其公开号为第2006/0115934号，名称为“Selective Epitaxy Process With Alternating GasSupply；具有交替气体供给的选择性外延处理”，此专利申请全文引用在此以做为参考。
在一或多个实施例中，沉积处理包括将基材表面暴露给含有载气及至少一个硅源的沉积气体之中。沉积气体也可包括：锗源及/或碳源，以及掺质源。在沉积处理之中，外延层形成在基材的单晶表面上，且同时多晶/非晶层形成在第二表面上(例如介电的非晶表面及/或多晶表面)，而这将统称为“第二表面”。接着，基材暴露给蚀刻气体。蚀刻气体包括载气(carrier gas)及蚀刻剂，所述蚀刻剂例如氯气或氯化氢。蚀刻气体将在沉积处理中所沉积的含硅材料移除。在蚀刻处理中，多晶/非晶层的移除速率高于外延层。因此，沉积及蚀刻处理的总效应是在单晶表面上形成外延生长的含硅材料，并使在第二表面上的多晶/非晶含硅材料的生长(若有的话)最小化。根据需求而重复沉积及蚀刻处理的循环，以获得含硅材料的期望厚度。本发明的实施例所能沉积的含硅材料包括：含有掺质的硅、硅锗、硅碳、硅锗碳及它们的变体(variant)。
在处理方法的一个实例中，使用氯气作为蚀刻剂可降低总处理温度至低于约800℃。一般来说，相对于蚀刻处理，沉积处理可在较低的温度下进行，这是因为蚀刻剂通常需要高温来活化它。举例来说，硅烷可以在约500℃或更低温之下进行热分解以沉积硅，但氯化氢需要约700℃或更高的活化温度以作为有效的蚀刻剂。因此，若在处理中使用氯化氢，则总处理温度是由活化蚀刻剂所需的较高温度来确定。通过降低整体处理所需温度，氯气对整体处理有贡献。氯气可以在约500℃的低温下被活化。因此，通过将氯气并入处理中以作为蚀刻剂，相对于使用氯化氢作为蚀刻剂的处理来说，整体处理的温度可大幅降低，例如降低约200～300℃，氯气相对于氯化氢可更快速地蚀刻含硅材料。因此，氯气蚀刻剂增加了处理的整体速率。
通常，氮气是较佳的载气，这是因为与使用氩气与氦气作为载气相比的成本考虑。尽管氮气一般较氩气便宜，但是根据本发明的一或多个实施例，氩气是较佳载气，特别是在甲基硅烷为硅源气体的实施例中。使用氮气作为载气的缺点是在沉积处理中基材上材料的氮化。然而，在此情况下，需要高温(例如高于800℃)来活化氮气。因此，根据本发明的一或多个实施例，在低于氮气活化阈值的温度下所进行的处理中，氮气可以用作为惰性载气。在沉积处理中使用惰性载气具有若干个特质。其一是，惰性载气可以增加含硅材料的沉积速率。当在沉积过程中使用氢气作为载气时，氢气会倾向吸附至基材或与基材反应而形成具有氢端(hydrogen-terminated)的表面。具有氢端的表面相比于裸硅表面来说对于外延生长的反应较慢。因此，使用惰性载气是通过不对沉积反应造成不利影响而使沉积速率增加。
根据本发明的第一实施例，相比于连续沉积处理来说，利用高阶硅烷以沉积和净化(purge)的交替步骤所形成的毯覆(blanket)或非选择性外延，产生具有改善结晶度(crystallinity)的外延膜生长。而此处所述的“高阶硅烷”是指二硅烷、新戊硅烷(neopentasilane；NPS)、或它们的混合物。示范性处理包括：将基材装载至处理室中，并调整处理室中的条件至期望的温度及压力。接着，开始进行沉积处理以在基材的单晶表面上形成外延层，接着，沉积处理结束。然后，判定外延层的厚度，若达到外延层的预定厚度，则外延处理可结束，然而，若未达到预定厚度，则重复沉积与净化的循环步骤，直到达到预定厚度。示范性处理的细节描述如下。
基材可以是未图案化或是图案化。图案化的基材是包括有电子特征结构(feature)形成在基材表面上或基材表面内的基材。图案化基材通常含有单晶表面及至少一个第二表面，而第二表面为非单晶，例如为介电的多晶表面或非晶表面。单晶表面包括：裸晶基材或沉积的单一结晶层，所述单一结晶层通常由例如硅、硅锗或硅碳所形成。多晶或非晶表面可包括介电材料以及非晶硅表面，其中介电材料例如是氧化物或氮化物，且特别地，所述介电材料是氧化硅或氮化硅。
在将基材装载入处理室之后，处理室的条件可调整至预定温度及压力。温度适于特殊进行的处理。一般来说，处理室在外延处理中维持在一致温度下。然而，部分步骤可在不同温度下进行。处理室维持在约250～1000℃的温度范围内，举例来说，介于约500～约800℃，更特定是介于约550～750℃。进行外延处理的适当温度取决于用于沉积含硅材料的特定前驱物。在一实施例中，发现相对于使用一般蚀刻剂的处理，使用氯气作为含硅材料的蚀刻剂在较低温度下表现良好。因此，在一实施例中，预热处理室的示范性温度为约750℃或更低，例如约650℃或更低，或更特定为约550℃或更低。在一特定实施例中，外延生长的温度维持在约560℃之下。
处理室通常维持在约0.1托(Torr)～约600托的压力下，例如，介于约1托～约50托。在处理步骤过程中或在处理步骤之间，压力可波动，但通常是维持恒定。在一特定实施例中，在沉积与净化的过程中，压力是维持在约10托。
在沉积处理中，基材暴露给沉积气体以形成外延层。基材暴露给沉积气体的时间为约0.5秒～约30秒，例如约1秒～约20秒，更特定的为约5秒～约10秒。在一特定实施例中，沉积步骤持续约10～11秒。沉积处理的特定暴露时间的确定是与接续蚀刻处理的暴露时间以及处理中所使用的特定前驱物及处理所用温度有关。一般来说，基材暴露给沉积气体的时间要够久，以形成具有最大厚度的外延层。
沉积气体含有载气和至少一个硅源，且可含有至少一个第二元素来源，例如碳源及/或锗源。另外，沉积气体可还包括掺质化合物，以提供掺质的来源，例如硼、砷、磷、镓及/或铝。在至少一个选择性实施例中，沉积气体可包括至少一个蚀刻剂，例如氯化氢或氯气。
硅源供应至处理室的速率为约5sccm～约500sccm，较佳为约10sccm～约300sccm，更佳为约50sccm～约200sccm，举例来说，为约100sccm。在一特定实施例中，硅烷的流速为约60sccm。可用于沉积气体中以沉积含硅化合物的硅源包括：硅烷、卤化硅烷及有机硅烷。硅烷包括硅烷(SiH4)及具有实验式为SixH(2x+2)的高阶硅烷，例如：二硅烷(Si2H6)、三硅烷(Si3H8)及四硅烷(Si4H10)等。卤化硅烷包括具有实验式为X’ySixH(2x+2-y)的化合物，其中X’＝F、Cl、Br或I，例如六氯二硅烷(Si2Cl6)、四氯硅烷(SiCl4)、二氯硅烷(Cl2SiH2)及三氯硅烷(Cl3SiH)。有机硅烷包括具有实验式为RySixH(2x+2-y)的化合物，其中R为甲基、乙基、丙基或丁基，例如甲基硅烷((CH3)SiH3)、二甲基硅烷((CH3)2SiH2)、乙基硅烷((CH3CH2)SiH3)、甲基二硅烷((CH3)Si2H5)、二甲基二硅烷((CH3)2Si2H4)以及六甲基二硅烷((CH3)6Si2)。已发现有机硅烷化合物在实施例中是有效的硅源及碳源，该硅源及碳源将碳并入沉积的含硅化合物中。根据一或多个实施例，在含氩气的载气中的甲基硅烷是较佳的含硅源及载气的组合。
通常，硅源伴随载气而提供至处理室中。载气的流速为约1slm～约100slm(标准状态下每分钟可流过多少公升的气体)，举例来说，约5slm～约75slm，且更特定为约10slm～约50slm，例如为约10slm。载气包括氮气(N2)、氢气(H2)、氩气、氦气及它们的组合。惰性载气是较佳的且包括氮气、氩气、氦气及它们的组合。基于外延处理中所使用的前驱物及/或处理温度来选择载气。在沉积及蚀刻的各个步骤中，通常都使用同一载气。然而，在部分实施例中的特定步骤可使用不同的载气。
一般来说，在以低温(例如＜800℃)处理为特征的实施例中，使用氮气为载气。部分地由于在蚀刻处理中使用氯气的缘故，较易进行低温处理。氮气在低温处理中仍维持惰性。因此，在低温处理中，氮气不会并入沉积的含硅材料中。另外，氮气载气不会如同氢气载气那样形成氢端表面。由于氢气载气吸附在基材表面所形成的氢端表面会抑制含硅层的生长速率。最后，低温处理会因采用氮气作为载气而具有经济上的优点，因为氮气远较氢气、氩气或氦气便宜。尽管具有经济上的优点，但是根据部分实施例，氩气是较佳的载气。
在一或多个实施例中，所使用的沉积气体也包含至少一个第二元素来源，例如碳源及/或锗源。在沉积过程中，碳源可以与硅源及载气加入处理室中，以形成含硅化合物，例如硅碳材料。碳源通常以约0.1sccm～约20sccm的速率提供至处理室中，例如约0.5sccm～约10sccm，且较特定为约1sccm～约5sccm，例如约2sccm。碳源可以在氢气中稀释，并以300sccm的速率流动。可用于沉积含硅化合物的碳源包括乙基、丙基及丁基的有机硅烷、烷基、烯属烃、炔属烃。这种碳源包括甲基硅烷(CH3SiH3)、二甲基硅烷((CH3)2SiH2)、乙基硅烷(CH3CH2SiH3)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)、丁炔(C4H6)等。外延层的碳浓度介于约200ppm～约5原子百分比(atomic％)，较佳为介于1atomic％～约3atomic％之间，例如为1.5atomic％。在一实施例中，碳浓度在外延层中具有等级变化，较佳是在外延层的初始部分具有较低的碳浓度(相比于外延层的最后部分)。可选择地，锗源与碳源可都在沉积过程中加入处理室中，并与硅源及载气形成含硅化合物，例如硅碳或硅锗碳材料。
可选择地，锗源可以与硅源及载气加入处理室中，以形成含硅化合物，例如硅锗材料。锗源通常以约0.1sccm～约20sccm的速率供应至处理室，较佳为约0.5sccm～10sccm，及更佳为约1sccm～约5sccm，例如为约2sccm。可用于沉积含硅化合物的锗源包括锗烷(GeH4)、高阶的锗烷以及有机锗烷。高阶的锗烷包括具有实验式为GexH(2x+2)的化合物，例如二锗烷(Ge2H6)、三锗烷(Ge3H8)及四锗烷(Ge4H10)等。有机锗烷包括例如为甲基锗烷((CH3)GeH3)、二甲基锗烷((CH3)2GeH2)、乙基锗烷((CH3CH2)GeH3)、甲基二锗烷((CH3)Ge2H5)、二甲基二锗烷((CH3)2Ge2H4)及六甲基二锗烷((CH3)6Ge2)的化合物。已发现锗烷及有机锗烷化合物在实施例中为有效的锗源及碳源，所述锗源及碳源将碳及锗并入沉积的含硅化合物中，也就是SiGe及SiGeC化合物。外延层中的锗浓度介于约1atomic％～约30atomic％，例如约20atomic％。锗浓度在外延层中具有等级变化，较佳是在外延层的较低部分具有较高的锗浓度(相比于外延层的较高部分)。
在沉积过程中所使用的沉积气体可还包括至少一个掺质化合物，以提供元素掺质的来源，例如硼、砷、磷、镓或铝。掺质提供沉积的含硅化合物的各种导电特性，例如电子器件所需的受控的及所期望的方向性电子流动路径。含硅化合物的膜掺杂有特定掺质，以达到所期望的导电特性。在一个实例中，含硅化合物是掺杂p型，例如通过使用二硼烷以加入浓度为约1015atoms/cm3～约1021atoms/cm3的硼。在一实例中，p型掺质的浓度为至少5×1019atoms/cm3。在另一实例中，p型掺质的浓度介于约1×1020atoms/cm3～约2.5×1021atoms/cm3。在另一实施例中，含硅化合物为掺杂n型，例如具有磷及/或砷的掺杂浓度为介于约105atoms/cm3～约1021atoms/cm3。
在沉积过程中，掺质源通常以约0.1sccm～约20sccm的速率提供至处理室，例如介于约0.5sccm～约10sccm，较特定的为介于约1sccm～约5sccm，例如为约2sccm。可用作为掺质源的含硼掺质包括硼烷及有机硼烷。硼烷包括硼烷、二硼烷(B2H6)、三硼烷、四硼烷及五硼烷，烷基硼烷包括具有实验式为RxBH(3-x)的化合物，其中R＝甲基、乙基、丙基或丁基，x＝1、2或3。烷基硼烷包括三甲基硼烷((CH3)3B)、二甲基硼烷((CH3)2BH)、三乙基硼烷((CH3CH2)3B)以及二乙基硼烷((CH3CH2)2BH)。掺质也可包括胂(AsH3)、膦(PH3)及烷基膦，例如具有实验式为RxPH(3-x)，其中R＝甲基、乙基、丙基或丁基，x＝1、2或3。烷基膦包括三甲基膦((CH3)3P)、二甲基膦((CH3)2PH)、三乙基膦((CH3CH2)3P)及二乙基膦((CH3CH2)2PH)。铝及镓掺质源可包括烷化衍生物及/或卤化衍生物，例如具有实验式为RxMX(3-x)，其中M＝Al或Ga，R＝甲基、乙基、丙基或丁基，X＝Cl或F，x＝1、2或3。铝及镓掺质源的实例包括三甲基铝(Me3Al)、三乙基铝(Et3Al)、二甲基氯化铝(Me2AlCl)、氯化铝(AlCl3)、三甲基镓(Me3Ga)、三乙基镓(Et3Ga)、二甲基氯化镓(Me2GaCl)及氯化镓(GaCl3)。
根据一或多个实施例，在沉积处理结束之后，处理室可以利用洗涤气体或载气进行冲洗，及/或处理室可以利用真空泵(pump)而抽真空。净化及/或抽真空的步骤是移除过多的沉积气体、反应副产物及其它污染物。在示范性实施例中，处理室通过流入约5slm的载气而进行净化约10秒。沉积与净化的循环可以进行多次。在一实施例中，沉积及净化循环是重复约90次。
在本发明的另一方面中，毯覆或非选择性的沉积是利用高阶硅烷源(例如二硅烷或更高)而在低温下(例如约600℃或更低)进行。这在沉积步骤(非选择性沉积)的过程中，协助介电表面(例如氧化物及氮化物)上的非晶(而不是多晶)生长，此介电表面上的非晶生长促进利用后续的蚀刻步骤来移除介电表面上的层，并使得在结晶基材上生长的单一结晶层的伤害最小化。
图1表示在以1000/温度作为函数的在不同温度下，所处理的<001>基材上的硅的外延生长速率的图表。各个样品是在600及700℃下，及约5～8托的压力下进行处理，并在流速为3-5slm的氢气载气中传送。图1中标示的“HOS”为新戊硅烷，液态新戊硅烷在氢气载气的混合物中通过起泡器的流速为介于约20～300sccm之间。如图1所示，高阶硅烷在600℃的生长速率是三硅烷的约三倍大、二硅烷的八倍大及硅烷的72倍大。
使用高阶硅烷气体，例如二硅烷、六氯二硅烷、三硅烷及新戊硅烷，能提供若干优点。新戊硅烷在基材上形成外延膜的应用描述在共同受让的美国专利申请序号第10/688,797号中，公开号为第2004/0224089，名称为“Silicon-Containing Layer Depositionwith Silicon Compounds；利用硅化合物的含硅层的沉积」，将该美国专利申请整体引用在此以做为参考。新戊硅烷((SiH3)4Si)是含有四个结合至硅原子的硅烷基(SiH3)的三级硅烷。使用高阶硅烷可以在较低温下获得较高沉积速率；并且针对并入碳的含硅膜，相比于利用单硅烷作为硅源气体来说，高阶硅烷可以获得较高取代碳原子的并入程度。在与600℃处理温度下利用硅烷作为硅源气体相比较的毯覆沉积实验中，利用氮气作为载气，利用甲基硅烷(1％，稀释在氢气中)作为硅碳源时，在沉积薄膜中，50％的碳为取代碳。然而，使用高阶硅烷，由二硅烷所产生的膜层具有约90％的取代碳，且由新戊硅烷所产生的膜具有接近100％的取代碳。
在一或多个实施例中，液体源室包括新戊硅烷安瓿(ampoule)，此安瓿被安装在紧邻处理室，例如：在小于约5英尺内，更特定的说是离处理室约2或3英尺，而所述液体源室能具有较高的硅源传输速率，并因此产生较高的沉积速率。
本发明的另一方面是关于单硅烷(SiH4)与高阶硅烷(例如新戊硅烷及二硅烷)在沉积过程中的共流。虽然高阶硅烷是适于外延沉积，但在沉积过程中使用高阶硅烷的处理通常相比于使用单硅烷的处理显示出非共型(non-conformal)的生长。更具体说，高阶硅烷是倾向在水平表面上产生较厚的沉积(相比于在垂直平面上，例如侧壁)，而水平表面例如为凹陷区域的底部与栅极(gate)的顶部。此非共型生长会导致问题，即当蚀刻去除栅极顶端上非期望的沉积以达到选择性时，侧壁则会过蚀刻，因而会造成所谓的底切现象(undercut)。另一方面，利用SiH4作为来源气体的处理倾向呈现出共型生长。高阶硅烷与单硅烷的共流能适应薄膜特性，特别是在较低沉积温度下。高阶硅烷与单硅烷的比例(例如通过改变各个来源的流速)可用于调整沉积处理所形成的外延层的形态。举例来说，调整比例而使得单硅烷与高阶硅烷的流速比例为至少约4：1，而这相比于单硅烷与高阶硅烷的比例为较低值的情况下，本发明可提供优势结果。更具体地说，将单硅烷与二硅烷在基材的凹陷区域的流速比例为约2.4：1以及单硅烷与二硅烷的流速比例为约4：1的处理做一比较。相比于流速比例为2.4：1所获得的样品，流速为4：1所获得的样品是具有较平滑的形态。因此，至少为约4：1(在部分实施例中为约5：1)的单硅烷与高阶硅烷的比例可用于增进外延薄膜的形态。
图2A表示利用硅烷作为硅源以在介电结构上沉积外延膜的含有碳的硅膜的共型性。如图2A所示，图2A是沉积在介电结构上的膜的扫瞄式电子显微相片，膜的顶表面为51nm，膜的侧表面为53nm。图2B表示利用二硅烷作为硅源以在介电结构上沉积外延膜的含有碳的硅膜的共型性。如图2B所示，膜的顶表面厚度为111nm，膜的侧表面厚度为58nm。图2C表示利用新戊硅烷作为硅源以在介电结构上沉积外延膜的含有碳的硅膜的共型性。如图2C所示，膜的顶表面厚度为72nm，膜的侧表面厚度为25nm。因此，使用高阶硅烷要取得一个平衡，因为高阶硅烷会提供在较低温度下的较快沉积速率，但是共型生长却会成为问题。
本发明认为通过加入共流的SiH4及高阶硅烷作为硅源以形成含硅外延层时，在凹陷区域侧壁上的生长情形可被控制，且因此侧壁在后续的处理中不会产生底切现象。除了侧壁的生长，高阶硅烷与硅烷的共流被认为可增进仅利用高阶硅烷的处理所达到的膜的质量。在相同的处理条件下，自使用高阶硅烷的处理中移除硅烷，该处理所产生的膜具有较高的雾度及较差的膜结晶度。本发明的实施例并非受限于特定的理论，本发明认为在使用硅烷及高阶硅烷的处理中，硅烷呈现出提供较小分子以补偿来自较大分子(例如新戊硅烷)的非晶化的内部拉伸力。
本发明的另一方面是关于Si:C膜的原位磷掺杂或选择性外延沉积的方法。一般来说，在硅沉积的过程中，原位磷掺杂使结晶薄膜的生长速率降低、蚀刻速率增加，因此，并不易达到选择性。换句话说，要在基材的结晶表面上达到结晶生长但在介电表面上不出现任何生长状况是困难的。另外，原位磷掺杂倾向于使外延薄膜的结晶度降低。
在部分实施例中，一或多个上述问题通过所谓的δ掺杂(delta doping)来避免。换句话说，在未掺杂沉积之后，仅流入掺质气体(例如磷掺质气体，如PH3)及载气。在未掺杂沉积步骤之后、或后续的蚀刻步骤之后、或净化步骤之后，或在蚀刻及净化步骤两者之后，则立即流入磷掺质气体。蚀刻步骤及/或净化步骤可根据需要而重复进行以达到高质量膜。在一或多个实施例中，在未掺杂层的形成过程中，包括仅流入载气及例如膦的掺质源。以此方式处理之后，则可避免上述的一或多个非期望的效应产生。举例来说，在基材表面上外延地形成含硅材料的方法包括：将包含单晶表面的基材放置在处理室中，并接着将基材暴露给未掺杂的沉积气体，其中未掺杂的沉积气体包括硅源、选用的碳源以及无掺质源，藉以在基材上形成第一未掺杂层。之后，基材暴露给掺杂沉积气体，其中沉积气体包括掺质源及载气，以在第一未掺杂层上形成掺杂层。在一或多个实施例中，基材可进一步暴露给未掺杂沉积气体，以在单晶表面上形成外延层，其中沉积气体包括硅源、碳源及无掺质源，以在掺杂层上形成第二未掺杂层。在此种处理的实例中，利用第一沉积步骤来形成薄膜，第一沉积步骤为：流入流速为120sccm的NPS流、150sccm的硅烷、626sccm的甲基硅烷(1％，稀释在氩气中)以及5slm的在氮气载气中的膦(phosphine)(1％，稀释在氢气中)、生长温度为约560℃、生长压力为10托(Torr)。第一沉积步骤进行约15秒。接着，通过仅流入在载气中的膦而进行第二沉积步骤。第二沉积步骤在压力为10托、温度为560℃之下进行约3秒。膦气体(1％膦，稀释在氢气中)的流速为15sccm，且氮气载气的流速为5slm。接着，进行蚀刻步骤，进行条件是压力14.5托、温度为560℃、氯气流速为70sccm、氮气流速为5slm以及HCl流速为300sccm。蚀刻步骤进行约7秒。接着，净化步骤在相同的温度及压力下进行8秒，而在此过程中仅有氮气以5slm的流速流入。以此方式所进行的处理期望可以增进选择性外延过程中的选择性。
在其它实施例中，在蚀刻步骤进行之前形成掺杂/未掺杂层的叠层，而该叠层阻挡住掺杂SiC外延膜的直接蚀刻。因此，根据本发明的实施例，沉积至少在二个步骤中进行：在蚀刻步骤进行之前，进行掺杂沉积及随后未掺杂沉积。因此，处理实施例的单一循环包括依序为掺杂沉积、未掺杂沉积、蚀刻、净化，如上所述者。在一特定实例中，膜的形成是通过：流入流速为120sccm的NPS(该NPS由5slm的氮气所携带)、150sccm的硅烷、626sccm的甲基硅烷(1％，稀释在氩气中)以及5slm的在氮气载气中的膦(1％，稀释在氢气中)、生长温度为约560℃以及生长压力为10托。包括膦的第一沉积步骤进行约5秒。接着，进行第二沉积步骤，该步骤未流入膦以罩盖掺杂层。接着，进行蚀刻步骤，进行条件为压力14.5托、温度为560℃、氯气流速为70sccm、氮气流速为5slm以及HCl流速为300sccm。蚀刻步骤进行约7秒。接着，净化步骤在相同的温度及压力下进行8秒，而在此过程中仅有氮气以5slm的流速流入。当然，其它变体也属于本发明的范畴内。举例来说，沉积步骤之后可仅进行蚀刻步骤或净化步骤，或是可选择地，蚀刻步骤或净化步骤可以视需要而重复进行以达到高质量膜。
根据本发明的其它实施例，沉积与净化的交替步骤在含硅膜的生长处理中使用。图3表示以沉积及净化的交替步骤而生长的非选择性Si:C外延的高分辨率X射线衍射光谱。图3显示出2％的取代碳浓度。图4表示以沉积、蚀刻及净化的交替步骤而生长的薄膜的高分辨率X射线衍射光谱。图4显示出约1.3～约1.48原子百分比的碳浓度。膜的形成是通过：流入流速为120sccm的NPS(新戊硅烷)(由氮气所携带)、150sccm的硅烷、在5slm的氮气载气中的626sccm的甲基硅烷(1％，稀释在氩气中)、生长温度约560℃以及生长压力为10托。沉积进行约15秒。接着，进行蚀刻步骤，进行条件为：压力为约14.5托、温度为约560℃、氯气流速为70sccm、氮气流速为5slm以及HCl流速为300sccm。蚀刻步骤进行约7秒。接着，在相同的温度及压力下进行净化步骤8秒，而在此步骤中仅流入流速为5slm的氮气。
在其它实施例中，在蚀刻步骤进行之前形成掺杂/未掺杂层的叠层，而该叠层阻挡住掺杂SiC外延薄膜的直接蚀刻。因此，根据本发明的实施例，沉积至少在二个步骤中进行：在蚀刻步骤进行之前，进行掺杂沉积及随后的未掺杂沉积。因此，处理实施例的单一循环包括依序为掺杂沉积、未掺杂沉积、蚀刻、净化，如上所述者。在一特定实例中，膜的形成是通过：流入流速为120sccm的NPS(所述NPS是由氮气所携带)、150sccm的硅烷、626sccm的甲基硅烷(1％，稀释在氩气中)以及5slm的在氮气载气中的膦(1％，稀释在氢气中)、生长温度为约560℃以及生长压力为10托。包括膦的第一沉积步骤进行约5秒。接着，进行第二沉积步骤，在该步骤中未流入膦以罩盖膦掺杂层。接着，进行蚀刻步骤，进行条件为压力14.5托、温度为560℃、氯气流速为70sccm、氮气流速为5slm以及HCl流速为300sccm。蚀刻步骤进行约7秒。接着，净化步骤在相同的温度及压力下进行8秒，而在此过程中仅有氮气以5slm的流速流入。
根据一或多个实施例，上述方法循着一个连续顺序进行，然而，处理并未限制于上述的确切步骤。举例来说，只要保持处理顺序，也可在步骤之间插入其它处理步骤。外延处理的各步骤现将根据一或多个实施例而描述。
本发明的一或多个实施例提供在形成互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路器件中特别有用的方法，并将描述于下。其它器件及应用也包含在本发明的范畴中。图5表示典型CMOS组件的FET对的部分剖面视图。器件100包括在形成阱(well)之后的半导体基材，这些阱提供NMOS器件及PMOS器件的源极/漏极区、栅极介电层(gate dielectric)与栅极电极(gate electrode)。器件100可以通过已知的半导体工艺来形成，例如：生长单晶硅并通过沟渠蚀刻而形成浅沟渠隔离结构，以及在沟渠开口中生长或沉积介电质。形成这些结构的详细步骤是本技术领域所熟知的，故在此处不再赘述。
器件100包括：掺杂有p型材料的半导体基材155(例如硅基材)、基材155上的p型外延硅层165、界定在外延层165中的p型阱区120及n型阱区150、界定在p型阱区120中的n型晶体管(NMOS FET)110，以及界定在n型阱区150中的p型晶体管(PMOS FET)140。第一隔离区158电性隔离n型晶体管110及p型晶体管140，第二隔离区160将晶体管110、140与基材155上的其它半导体组件电性隔离。
根据本发明的一或多个实施例，NMOS晶体管110包括栅极电极122、第一源极区114及漏极区116。NMOS栅极电极122的厚度是可变的，并可基于组件效能的考虑而做调整。NMOS栅极电极122的功函数是相应于N型组件的功函数。源极及漏极区是位于栅极电极122的相对侧的n型区域。通道区118位于源极区114与漏极区116之间。栅极介电层112分隔通道区118与栅极电极122。用于形成NMOS栅极电极122与介电层的工艺是本技术领域熟知的，故在此不再赘述。
根据一或多个实施例，PMOS晶体管140包括栅极电极152、源极区144及漏极区146。PMOS栅极电极152的厚度是可变的，并可基于组件效能的考虑而做调整。PMOS栅极电极152的功函数是相应于P型组件的功函数。源极及漏极区是位于栅极电极152的相对侧的p型区域。通道区148位于源极区144与漏极区146之间。栅极介电层142分隔通道区148与栅极电极152。介电层142使栅极电极152与通道区148绝缘。应了解图5所示以及上方所描述的晶体管110、140结构是仅作为示范性，然而材料及层中的多种变体也属于本发明的范畴。
现请参照图6，图6表示图5的NMOS组件110在间隙物、源极/漏极区上的层(例如硅化物层)形成以及蚀刻终止层形成之后的额外细节。应了解图5所示的PMOS组件可含有相似的间隙物及层，所述间隙物及层的尺寸及/或组成可经修改以影响NMOS组件的信道中所诱导的应力，如下所描述。然而，为了说明的目的，仅示出并详细描述NMOS组件。
图6表示间隙物175可以由并入栅极119周围的适当介电材料形成。偏移间隙物177也可设置在各个间隙物175的周围。用于形成间隙物175、177的形状、尺寸及厚度的工艺是本技术领域所熟知的，故在此处不再赘述。金属硅化物层179可以形成在源极区114与漏极区116之上。金属硅化物层179可以通过适当的工艺(例如溅镀或物理气相沉积【PVD】)并由适当的金属形成，例如：镍、钛或钴。硅化物层179可扩散至部分的下方表面。漏极区116的高度由箭头181表示，而该高度是基材表面180至硅化物层179的顶端的距离。源极与漏极区的面183显示为具角度的表面。如同熟悉本技术领域的技术人员所能了解的，上述的示范性器件可以经过修改而包括具有Si:C外延层的源极/漏极或源极/漏极延伸部，而所述具有Si:C外延层的源极/漏极或源极/漏极延伸部进一步可根据本发明的方法而进一步修改。
说明书中任何参照“一实施例”、“部分实施例”、“一或多个实施例”的词意指与所述实施例相关联地描述的特定特征结构、构造、材料或特征是包括在本发明的至少一实施例中。因此，在说明书中出现的此种用词并非一定都指向相同的实施例。再者，特定的特征结构、构造、材料或是特征可以利用适当方式而组合在一或多个实施例中。上述方法的描述顺序不应用作限制，上述方法可利用顺序外的操作，或是经过省略或是附加。
本发明虽以较佳实施例说明如上，但这些说明并非用以限定本发明，任何本领欲技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下所作的改动与润饰，仍应属本发明的技术范畴。

Claims (19)

1.一种在基材表面上外延地形成含硅材料的方法，所述方法包括：
将包括单晶表面的基材置放在处理室中；
将所述基材暴露给未掺杂的沉积气体，以在所述基材上形成第一未掺杂层，所述未掺杂的沉积气体包括硅源、碳源以及无掺质源；
将所述基材依序地暴露给掺杂的沉积气体，以在所述单晶表面上形成外延层，其中所述掺杂的沉积气体实质上由n型或p型掺质源及载气组成；以及
将所述基材暴露给蚀刻气体。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述掺质包括磷来源。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述磷来源包括膦。
4.如权利要求2所述的方法，还包括对所述处理室进行净化处理。
5.如权利要求1所述的方法，还包括在将所述基材暴露给所述蚀刻气体之后，立即对所述处理室进行净化处理。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述蚀刻气体包括氯气及氯化氢。
7.如权利要求2所述的方法，其中单一处理循环包括：未掺杂的沉积步骤、掺杂的沉积步骤、暴露给所述蚀刻气体及对所述处理室进行净化处理，且所述处理循环至少重复二次。
8.如权利要求7所述的方法，其中对所述处理室进行净化处理包括仅流入惰性气体。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述未掺杂的沉积步骤在所述掺杂的沉积步骤之后执行。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述硅源包括共流的单硅烷和高阶硅烷。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述高阶硅烷选自二硅烷、新戊硅烷及其混合物。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述高阶硅烷包括新戊硅烷。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述碳源包括甲基硅烷。
14.如权利要求2所述的方法，其中所述外延层是在晶体管加工工艺的制造步骤中形成，所述方法还包括：
在基材上形成栅极介电层；
在所述栅极介电层上形成栅极电极；以及
在所述基材上形成源极/漏极区，且所述源极/漏极区位于所述栅极电极的相对侧上，并且，在所述源极/漏极区之间界定通道区。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述外延层是在晶体管加工工艺的制造步骤中形成，所述方法还包括：
在基材上形成栅极介电层；
在所述栅极介电层上形成栅极电极；以及
在所述基材上形成源极/漏极区，且所述源极/漏极区位于所述栅极电极的相对侧上，并且，在所述源极/漏极区之间界定通道区。
16.如权利要求10所述的方法，还包括调整所述单硅烷与所述高阶硅烷的比例。
17.如权利要求10所述的方法，其中所述单硅烷与所述高阶硅烷的比例超过4：1。
18.如权利要求10所述的方法，其中所述高阶硅烷包括二硅烷。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述单硅烷与所述二硅烷的比例为5：1。
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