CN105047526A - 沉积中卤素分子用作反应剂增强外延膜中掺杂剂结合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例一般涉及在半导体装置上形成硅外延层的方法。所述方法包括加热安置在处理腔室的处理体积内的基板，及通过将基板暴露于催化剂气体和一或多种沉积气体来执行沉积工艺以在基板上形成硅外延层，所述催化剂气体包含卤素分子，及所述一或多种沉积气体包括硅源和掺杂剂来源。在一个实施例中，催化剂气体包括氯气。<pb pnum="1" />

Description

沉积中卤素分子用作反应剂增强外延膜中掺杂剂结合的方法

技术领域

本发明的实施例一般涉及半导体制造工艺和装置领域，更具体地，涉及沉积含硅膜以用于形成半导体装置的方法。

背景技术

金氧半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor；MOSFET)的尺寸减小使得集成电路的速度性能、密度及单位功能成本能够持续改良。半导体工业也处在从通常为平面的2D晶体管向使用三维栅极结构的3D晶体管转变的时期。在3D栅极结构中，沟道、源极和漏极自基板中升起，然后，栅极在三个侧面环绕沟道。目的是约束电流仅到达升起的沟道，以及消除任何可能泄漏电子的路径。一个此类型的3D晶体管被称为鳍式场效应晶体管(FinField-EffectTransistor；FinFET)，其中连接源极与漏极的沟道是从基板中突出的较薄“鳍片”。此举导致电流被约束至沟道，由此防止电子泄漏。

所述工业已使用选择性的外延沉积工艺以形成含硅材料外延层、高架源极/漏极，或3D晶体管中所需的源极/漏极伸出部分。一般而言，选择性外延工艺涉及沉积反应与蚀刻反应。氯气可在选择性外延工艺中用作蚀刻化学品，以通过蚀刻掉电介质和缺损外延膜上的非晶膜来实现工艺可选择性，或在腔室清洁过程中用作蚀刻化学品以从腔室部件上去除残留沉积气体或已沉积的残余物。由于氯气活性极高，且甚至可能在低温下也易于与沉积处理气体(所述气体通常包含氢和氢化物)反应，因此在沉积阶段期间通常不同时使用氯气和沉积处理气体，以避免影响膜生长速率。虽然沉积处理气体的膜生长速率或沉积效率可通过交替地利用蚀刻反应执行沉积反应，或在控制时间和处理条件的情况下将蚀刻化学品和沉积处理气体单独引入反应腔室来受控制或操纵，但此种方法复杂且耗时，由此影响吞吐量和整体的生产率。

因此，将需要提供多个同时工艺，所述工艺可使蚀刻化学品与沉积处理气体在沉积反应期间反应，同时提供所需的膜生长速率和膜特性。

发明内容

本发明的实施例一般涉及在半导体装置上形成硅外延层的方法。在一个实施例中，所述方法包括加热安置在处理腔室的处理体积内的基板，及通过将所述基板暴露于催化剂气体、硅源及掺杂剂来源而在所述基板上形成硅外延层，所述催化剂气体包含分子式为XY的卤素分子，其中X及Y是卤素原子。在一个实例中，X是氯。

在另一个实施例中，所述方法包括加热安置在处理腔室的处理体积内的基板，及通过将催化剂气体与硅源及磷源同时或并行地流入所述处理腔室而在所述基板上形成硅外延层，所述催化剂气体包含分子式为XY的卤素分子，其中X及Y是卤素原子。在一个实例中，X是氯。

在又一个实施例中，提供在处理腔室中的基板上形成膜的方法。所述方法包括通过使催化剂气体和一或多种沉积气体流入处理腔室而在基板上形成外延层，所述催化剂气体包含分子式为XY的卤素分子，其中X及Y是卤素原子，及所述沉积气体包括形成膜的气源和掺杂剂来源。形成膜的气源可包括一或多种第III族前驱物气体、第V族前驱物气体、第IV族前驱物气体，或第VI族前驱物气体。在一个实例中，X是氯。

附图说明

为了可详细理解上文列举的本发明的特征，可通过参考实施例对上文简述的本发明进行更具体的描述，所述实施例中的一些实施例在附图中图示。然而应注意，附图仅图示本发明的典型实施例，因此将不被视作限制本发明的范围，因为本发明可承认其它等效的实施例。

图1A是可用以实施本发明中多个实施例的示例性处理腔室的示意性横剖面侧视图。

图1B是图1A中的腔室旋转90度后的示意性横剖面侧视图。

图2是气体处理套件的一个实施例的等角视图，所述气体处理套件包括图1A和图1B中图示的一或多个衬垫。

图3是图1A中图示的气体分配组件的等角视图。

图4是处理套件的一个实施例的部分等角视图，所述处理套件可用于图1A的处理腔室中。

图5是处理套件的另一个实施例的部分等角视图，所述处理套件可用于图1A的处理腔室中。

图6是图示依据本发明的实施例用以在基板上形成层的示例性外延工艺的流程图。

图7A是图示根据本发明的某些实施例而形成的外延层的拉伸应力的图表。

图7B是图7A中放大的图表“E”，所述图表图示外延层上的XRD轮廓细节。

为便于理解，在可能的情况下已使用相同元件符号以指定图式中共有的相同元件。设想一个实施例中所公开的元件可在无需特定详述的情况下有利地用于其它实施例中。

具体实施方式

本发明的实施例一般涉及在半导体装置上形成硅外延层的方法。所述方法包括通过在外延沉积处理期间将氯气用作反应剂或催化剂而在基板上形成硅外延层。沉积的硅外延层具有约1×10²¹原子/立方厘米或更大的磷浓度。约1×10²¹原子/立方厘米的磷浓度或更大磷浓度诱发显著的沉积层拉伸应变，因此改良沟道迁移率。与在沉积阶段不使用氯气的所述外延工艺相比，外延生长层的电阻率显著较低。

示例性腔室硬件

图1A是可用以实施本发明中论述的沉积处理的多个实施例的示例性处理腔室100的示意性横剖面侧视图。腔室100可用于执行诸如外延沉积工艺的化学气相沉积，但腔室100可用于蚀刻或其它工艺。适合的处理腔室的非限定性实例可包括RPEPI反应器、Elvis腔室和Lennon腔室，所述腔室全部可自美国加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司处购得。虽然处理腔室100在下文中描述用以实践本文所述的多个实施例，但来自不同制造商的其它半导体处理腔室亦可用以实践本发明中描述的实施例。处理腔室100可被加装至集成处理系统，所述系统可自美国加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司处购得。

腔室100包括由耐处理腐蚀材料制成的外壳结构102，所述材料如铝或不锈钢。外壳结构102围封处理腔室100(如石英腔室104)的多个功能元件，所述石英腔室104包括上部腔室106和下部腔室108，所述石英腔室中包含处理体积110。由涂覆有硅材料(如碳化硅)的陶瓷材料或石墨材料制成的基板支撑件112经调适以在石英腔室104内容纳基板114。将来自前驱物反应剂材料的反应性物种应用于基板114的处理表面116，随后可从处理表面116去除副产物。可通过辐射源提供对基板114及/或处理体积110的加热，所述辐射源如上部灯模块118A和下部灯模块118B。在一个实施例中，上部灯模块118A和下部灯模块118B是红外线灯。来自灯模块118A和118B的辐射穿过上部腔室106的上部石英视窗120，并穿过下部腔室108的下部石英视窗122。用于上部腔室106的冷却气体(如果需要)经由入口124进入及经由出口126离开。

通过气体分配组件128将反应性物种提供至石英腔室104，及通过排气组件130从处理体积110去除处理副产物，所述排气组件130通常与真空源(未图示)连通。前驱物反应剂材料及稀释剂净化腔室100及从腔室100排出气体，经由气体分配组件128进入，及经由排气组件130离开。腔室100亦包括多个衬垫132A-132H(图1A中仅图示衬垫132A-132G)。衬垫132A-132H遮蔽处理体积110以与围绕处理体积110的金属壁134隔离。在一个实施例中，衬垫132A-132H包括处理套件，所述处理套件覆盖可能与处理体积110连通或暴露于处理体积110的全部金属部件。

下部衬垫132A安置在下部腔室108中。上部衬垫132B至少部分地安置在下部腔室108中，且与下部衬垫132A相邻。排气嵌入式衬垫组件132C安置在上部衬垫132B的相邻处。在图1A中，排气嵌入式衬垫132D安置在排气嵌入式衬垫组件132C相邻处，且可更换上部衬垫132B的一部分以便于安装。注射器衬垫132E图示位于处理体积110中与排气嵌入式衬垫组件132C和排气嵌入式衬垫132D相对的侧面。注射器衬垫132E经配置作为歧管以向处理体积110提供一或多个流体，如气体或气体的等离子体。所述一或多个流体通过注射嵌入式衬垫组件132F而被提供至注射器衬垫132E。隔板衬垫132G耦接至注射嵌入式衬垫组件132F。隔板衬垫132G耦接至第一气源135A和可选第二气源135B，并向注射嵌入式衬垫组件132F和向注射器衬垫132E中形成的开口136A和136B提供气体。

一或多种气体自第一气源135A和第二气源135B，经由隔板衬垫132G、经由注射嵌入式衬垫组件132F，且经由在注射器衬垫132E中形成的一或多个开口136A和136B被提供至处理体积110。在注射器衬垫132E中形成的一或多个开口136A和136B耦接至出口，所述出口经配置用于层流路径133A或射流路径133B。开口136A和136B可经配置以提供单独或多个具有不同参数的气流，所述参数如速度、密度或组成成分。在采用多个开口136A和136B的一个实施例中，开口136A和136B可沿气体分配组件128的一部分(例如注射器衬垫132E)以大体直线排列分配，以提供宽度足以大体覆盖基板直径的气流。例如，开口136A和136B中的每一个可尽可能以至少一个直线组的方式排列，以提供一般对应于基板直径的气流。或者，开口136A和136B可排列在大体相同平面或同一水平位，以便使气体以平面、层状方式流动，如下文中针对图5所论述。

流径133A、133B中的每一个经配置以按一般平面、层流的方式穿过轴A'以流至排气嵌入式衬垫132D。轴A'大体垂直于腔室100的纵轴A"。流径133A、133B流入在排气嵌入式衬垫132D中形成的气室137，并在排气流径133C中到达终点。气室137耦接至排气或真空泵(未图示)。在一个实施例中，气室137耦接至歧管139，所述歧管在大体上平行于纵轴A"的方向上引导排气流径133C。至少注射嵌入式衬垫组件132F可穿过注射封盖129而安置，并由注射封盖129部分地支撑。

图1B是图1A中旋转90度的腔室100的示意性横剖面侧视图。为简明起见，将不描述与图1A中描述的腔室100类似的所有部件。在图1B中，狭缝阀衬垫132H经图示穿过腔室100的金属壁134而安置。此外，在图1B中图示的旋转视图中，上部衬垫132B经图示位于下部衬垫132A(而非图1A中图示的注射器衬垫132E)相邻处。在图1B中图示的旋转视图中，上部衬垫132B经图示位于下部衬垫132A(而非图1A中图示的排气嵌入式衬垫132D)相邻处，所述下部衬垫132A位于腔室100中与狭缝阀衬垫132H相对的一侧。在图1B中图示的旋转视图中，上部衬垫132B覆盖上部腔室106的金属壁134。上部衬垫132B亦包括向内延伸的肩状物138。向内延伸的肩状物138形成支撑环状预热环140的凸缘，所述预热环将前驱物气体限制在上部腔室106中。

图2是气体处理套件200的一个实施例的等角视图，所述气体处理套件200包括图1A和图1B中图示的一或多个衬垫132A-132H。衬垫132A-132H是模块化的，及经调适以单独或共同更换。例如衬垫132A-132H中的一或多个可更换为经调适用于不同工艺的另一衬垫，而无需更换其它衬垫132A-132H。因此，衬垫132A-132H便于针对不同工艺配置腔室100，而无需更换所有衬垫132A-132H。处理套件200包括下部衬垫132A和上部衬垫132B。下部衬垫132A和上部衬垫132B都包括一般为圆柱形的外径201，所述外径的尺寸以在图1A和图1B的腔室100中被容纳。衬垫132A-13H中的每一个经配置以通过重力及/或联锁装置被支撑在腔室内，所述联锁装置如在衬垫132A-132H中一些衬垫之中或上形成的凸起和配合槽。下部衬垫132A和上部衬垫132B的内表面203形成处理体积110的一部分。上部衬垫132B包括切口部分202A和202B，所述切口部分的尺寸以容纳图1A的横剖面视图中图示的排气嵌入式衬垫132D和注射器衬垫132E。切口部分202A、202B中的每一个定义上部衬垫132B中与向内延伸肩状物138相邻的凹槽区域204。

在一个实施例中，注射嵌入式衬垫组件132F和排气嵌入式衬垫组件132C中的每一个包括两个区段。注射嵌入式衬垫组件132F包括第一区段206A和第二区段206B，所述两个区段通过隔板衬垫132G耦接在一侧。同样，排气嵌入式衬垫组件132C包括第一区段208A和第二区段208B。注射嵌入式衬垫组件132F的区段206A和206B中的每一个经由隔板衬垫132G接收来自第一气源135A和第二气源135B的气体。气体流经注射嵌入式衬垫组件132F，并被发送至注射器衬垫132E中的多个第一出口210A和多个第二出口210B。在一个方面，注射嵌入式衬垫组件132F和注射器衬垫132E包括气体分配歧管衬垫。由此，来自第一气源135A和第二气源135B的气体单独流入处理体积110。每一气体可在离开出口210A、210B之前、期间或之后离解，并流经整个处理体积110以在基板(未图示)上进行沉积。在沉积之后剩余的离解前驱物流入排气嵌入式衬垫组件132C，并被排出。

可通过从腔室100的金属壁134上移除上部石英视窗120以便进出上部腔室106和下部腔室108，来将衬垫132A-132H安装在图1A的腔室100内或拿取衬垫132A-132H。在一个实施例中，金属壁134中至少一部分可拆卸以便于更换衬垫132A-132H。隔板衬垫132G与注射盖129耦接，所述注射盖可经紧固至腔室100外部。下部衬垫132A安装在下部腔室108中，所述下部衬垫132A包括大于基板支撑件112水平尺寸的内径。下部衬垫132A可位于下部石英视窗122上。在下部衬垫132A定位在下部石英视窗122上之后，可安装排气嵌入式衬垫组件132C、注射嵌入式衬垫组件132F和狭缝阀衬垫132H。注射嵌入式衬垫组件132F可与隔板衬垫132G耦接以促进来自第一气源135A和第二气源135B的气体流动。在排气嵌入式衬垫组件132C、注射嵌入式衬垫组件132F和狭缝阀衬垫132H安装之后，可安装上部衬垫132B。环状预热环140可定位在上部衬垫132B的向内延伸肩状物138上。注射器衬垫132E可安装在形成于上部衬垫132B中的孔内并且可与注射嵌入式衬垫组件132F耦接，以促进自注射嵌入式衬垫组件132F流向注射器衬垫132E的气流。排气嵌入式衬垫132D可安装在排气嵌入式衬垫组件132C上方、上部衬垫132B中形成的孔内，且与注射器衬垫132E相对。在一些实施例中，注射器衬垫132E可更换为经配置用于不同气流方案的另一注射器衬垫。同样，排气嵌入式衬垫组件132C可更换为经配置用于不同排气流方案的另一排气嵌入式衬垫组件。

示例性气体分配组件

图3是图1A中气体分配组件128的等角视图，所述视图图示图2中注射器衬垫132E、注射嵌入式衬垫组件132F和隔板衬垫132G(统称为气体分配歧管衬垫300)的实施例。图3中图示的气体分配组件128和图4及图5中同时的多个处理套件200可用以实施本发明中论述的多个沉积工艺实施例。在图3中图示的一个实施例中，注射器衬垫132E耦接至注射嵌入式衬垫组件132F，并经配置以分配气体。气体分配歧管衬垫300可经配置以与其它气体分配歧管衬垫互换。

来自第一气源135A和第二气源135B的处理气体流动穿过注射盖129。注射盖129包括多个气体通路，所述气体通路耦接至形成于隔板衬垫132G中的端口(未图示)。在一个实施例中，灯模块305可安置在注射盖129中以在注射盖129内预热前驱物气体。隔板衬垫132G包括使气体流入注射嵌入式衬垫组件132F中的管道(未图示)。注射嵌入式衬垫组件132F包括端口(未图示)，所述端口将气体发送至气体分配歧管衬垫300的第一出口210A和第二出口210B。在一个实施例中，来自第一气源135A和第二气源135B的气体保持隔离状态，直至气体离开第一出口210A和第二出口210B。在一个方面，气体在注射盖129内及在隔板衬垫132G、注射嵌入式衬垫组件132F和气体分配歧管衬垫300中一或多个内预热。可通过注射盖129上的灯模块305、上部灯模块118A，和下部灯模块118B(图1A中图示所述两个灯模块)中的一个或组合来提供气体预热。在一个方面，气体通过来自注射盖129上的灯模块305、上部灯模块118A及/或下部灯模块118B的能量而经加热，以使得气体在离开第一出口210A和第二出口210B之前离解或离子化。

根据第一气源135A和第二气源135B中使用的处理气体的离解温度，气体中仅一种气体可在离开气体分配歧管衬垫300时离子化，而经加热的其它气体则在离开气体分配歧管衬垫300时保持气态形式。具有多个气体通路的注射盖的详细描述和多个实例在于2008年9月4日公布的美国专利公开案第2008/0210163号中进行描述，所述公开案以引用方式全部并入本文中。

图4是处理套件200的一个实施例的部分等角视图，所述处理套件可用于图1A的腔室100中。处理套件200可包括注射器衬垫132E的一个实施例，所述注射器衬垫图示为气体分配歧管衬垫400，所述气体分配歧管衬垫400可耦接至注射嵌入式衬垫组件132F。隔板衬垫132G经图示位于注射盖129与注射嵌入式衬垫组件132F的区段206A和206B之间。气体分配歧管衬垫400可包括双区域注射能力，其中每一区域提供不同的流特性，如速度。双区域注射包括安置在垂直相间隔的不同平面中的第一注射区410A和第二注射区410B。在一个实施例中，注射区410A和410B中的每一区域都相间隔开以形成上部区域和下部区域。或者，第一出口210A和第二出口可安置在大体相同平面或水平位上，如图5中所示。图5中图示的处理套件200类似于图4中图示的处理套件200，但只有不同的注射器衬垫132E实施例除外，所述注射器衬垫132E图示为气体分配歧管衬垫500。

请返回参见图4，第一注射区410A包括多个第一出口210A，及第二注射区410B包括多个第二出口210B。在一个实施例中，第一出口210A中的每一个安置在气体分配歧管衬垫400的第一表面420A中，而第二出口210B中的每一个安置在气体分配歧管衬垫400的第二表面420B中，所述第二表面420B从第一表面420A下凹。例如，第一表面420A可以一个半径形成，所述半径小于用以形成第二表面420B的半径。

在一个实施例中，注射区410A和410B经调适以提供不同的流体流径，在所述流径中，诸如流动速度的流动度量可能是不同的。例如，第一注射区410A的第一出口210A可以更高速度提供流体以形成喷流流径133B，而第二注射区410B的第二出口210B则可提供层流流径133A。层流流径133A和喷流流径133B可通过以下各者中的一个或组合来提供：气压、出口210A和210B的尺寸、安置在出口210A、210B和腔室505A、505B(图5A和图5B中图示)之间的管道的尺寸(例如横剖面尺寸及/或长度)，以及安置在出口210A、210B与腔室505A、505B之间的管道中的弯曲角度及/或数目。在流体进入处理体积110时，亦可通过前驱物气体的绝热膨胀来提供流体速度。

在一个方面，由第一注射区410A与第二注射区410B提供的双区域注射利于不同气体的不同水平位注射。在一个实施例中，第一注射区410A与第二注射区410B在不同的平面相间隔开，以向处理体积110(图1A中图示)中基板114(图1A中亦图示)的处理表面116上方不同的垂直距离处提供前驱物。此垂直间隔可通过导致某些可用气体的绝热膨胀而提供增强的沉积参数。在一些实施例(未图示)中，第一注射区410A的第一出口210A可经定向以使得第一出口210A中的一或多个相对于基板处理表面成一角度。所述角度可在约0度与约145度之间，及可经选定以提供第一与第二处理气体之间所需的错流相互作用量。倾斜出气口的多个实例的详细描述在于2011年7月21日公布的美国专利公开案第2011/0174212号中进行描述，所述公开案以引用方式全部并入本文中。

使用氯气作为用于沉积的催化剂的示例性外延工艺

图6是图示依据本发明的实施例用以在基板上形成含硅层的示例性外延工艺600的流程图。应注意，图6中描述的概念亦适用于其它材料的形成方法，如沉积膜中不含硅元素的所述材料。例如，本发明的实施例亦可适用于纯Ge、GeSn、GeP、GeB或GeSnB，等。在整个应用中，术语“含硅”材料、化合物、膜或层应解释为包括至少含硅的组成物，或可含锗、碳、硼、砷、镓磷及/或铝磷。诸如金属、卤素或氢等其它元素可并入含硅材料、化合物、膜或层内，通常浓度单位为百万分之一(partpermillion；ppm)。工艺600在下文中针对以上图1A-5中描述的处理腔室100的实施例进行描述。

工艺600自步骤602开始，将诸如基板114的图案化基板载入诸如处理腔室100的处理腔室内。图案化基板是包括在基板114的处理表面116中或上形成的电子特征的基板。图案化基板可包含单晶表面及/或一个非单晶副表面，如多晶或非晶表面。单晶表面包括裸晶基板或通常由诸如硅、锗、锗硅或碳硅的材料制成的沉积单晶体层。多晶或非晶表面可包括电介质材料，如氧化物或氮化物(具体而言是氧化硅或氮化硅)，及非晶硅表面。应理解，基板可包括多个层，或包括例如局部加工装置，如晶体管、闪存装置，等等。

在步骤604中，将基板加热至预定温度。可将处理腔室保持在约250℃至约1000℃范围中的温度下，所述温度可适合于特定实施处理。实施外延工艺600的适当温度可依据用以沉积及/或蚀刻含硅材料的特定前驱物而定。在多个实施例中，预热处理腔室的温度为约750℃或更低，例如约550℃或更低。在一个实例中，将基板加热至约550℃至约750℃的温度。在另一个实例中，将基板加热至约300℃至约550℃的温度。在又一个实例中，将基板加热至约300℃至约750℃的温度。需要通过将基板加热至足以热分解处理试剂及在基板上沉积层的最低温度，以此将成品装置的热预算降至最低，但上升温度一般可导致产量增大。可将处理腔室维持在从约0.1托至约760托的压力下，例如从约1托至约100托，例如约40托至约50托。设想视处理方案而定或在不使用低压沉积腔室的情况下设想大于约100托的压力(例如约300托至约760托)。

在步骤606中，通过将图案化基板暴露于沉积气体以在基板表面上形成外延层来实施沉积处理。沉积气体可包括一或多种沉积气体，及在可选情况下包括掺杂剂前驱物气体、蚀刻剂气体或载气中的一或多种。可从气源135A及/或气源135B经由隔板衬垫132G、注射嵌入式衬垫组件132F及经由如图1A所示的一或多个开口136A及/或136B(或经由如图2-5所示的第一出口210A及/或第二出口210B)将沉积气体提供至处理体积110，所述开口形成于注射器衬垫132E中。沉积气体可在大体上平行于处理表面116或与处理表面116成一角度的流径133A或133B中流经基板114的处理表面116，流向在排气嵌入式衬垫132D中形成的气室137。

在需要含硅材料的情况下，沉积气体可含有至少一个硅源及载气，及在可选情况下可含有至少一个副元素来源，如锗源及/或碳源。在需要含锗材料的情况下，沉积气体可含有至少一个锗源及载气(硅源不存在)。如果需要，则沉积气体可包括选自第III族前驱物气体、第V族前驱物气体、第IV族前驱物气体或第VI族前驱物气体的一或多种前驱物气体。在多个情况下，沉积气体可进一步包括掺杂剂化合物以提供掺杂剂来源，所述掺杂剂如磷、硼、砷、镓及/或铝。在一个实施例中，亦将至少一种催化剂气体引入处理腔室及在沉积期间将所述气体热驱动以催化沉积气体。此种催化已经观测可有利地增大外延生长层的拉伸应变及降低外延生长层的电阻率，如下文中将论述。

可在步骤606期间以约5sccm至约500sccm范围内的速率将硅源提供至处理腔室内。在一些实施例中，以约10sccm至约300sccm的速率将硅源提供至处理腔室内，如约50sccm至约200sccm，例如约100sccm。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。硅烷可包括硅烷(SiH₄)及具有经验式Si_xH_(2x+2)的更高价位硅烷，如乙硅烷(Si₂H₆)、丙硅烷(Si₃H₈)及四硅烷(Si₄H₁₀)，或其它更高价位硅烷，如聚氯硅烷。卤化硅烷可包括具有经验式X'_ySi_xH_(2x+2-y)的化合物，其中X'为F、Cl、Br或I，所述化合物如六氯乙硅烷(Si₂Cl₆)、四氯硅烷(SiCl₄)、二氯硅烷(Cl₂SiH₂)及三氯硅烷(Cl₃SiH)。有机硅烷可包括具有经验式R_ySi_xH_(2x+2-y)的化合物，其中R为甲基、乙基、丙基或丁基，所述化合物如甲基硅烷((CH₃)SiH₃)、二甲基甲硅烷((CH₃)₂SiH₂)、乙基硅烷((CH₃CH₂)SiH₃)、甲基乙硅烷((CH₃)Si₂H₅)、二甲基乙硅烷((CH₃)₂Si₂H₄)，及六甲基乙硅烷((CH₃)₆Si₂)。

可将硅源连同载气一起提供至处理腔室内。载气可具有从约1SLM(标准每分钟升数)至约100SLM的流率，如从约3SLM至约30SLM。适合的载气可为惰性载气，如氮气(N₂)、氢气(H₂)、氩气、氦气或上述气体的组合。可基于外延工艺期间所使用的前驱物及/或处理温度选择载气。氮气可在具有低温(例如低于800℃)工艺特性的实施例中用作载气。部分归因于在沉积工艺中使用氯气，低温工艺是易于达到的，此举在下文中进一步论述。氮气在低温沉积工艺期间保持惰性状态。因此，在低温工艺期间，氮气并不结合入所沉积的含硅材料中。

沉积气体可进一步包括至少一个掺杂剂化合物以提供元素掺杂剂来源，所述元素掺杂剂如磷、硼、砷、镓或铝。掺杂剂为所沉积的含硅化合物提供多个传导性特征，如电子装置所需的沿受控和所需路径的定向电子流。含硅化合物膜掺杂有特定掺杂剂以达到所需的传导性特征。

可在步骤606期间以自约0.1sccm至约600sccm范围内的速率将掺杂剂来源提供至处理腔室内，所述速率如自约0.5sccm至约150sccm，例如约3sccm至约100sccm。可用作掺杂剂来源的含磷掺杂剂可包括膦(PH₃)。可用作掺杂剂来源的含硼掺杂剂包括硼烷和有机硼烷。硼烷包括硼烷、二硼烷(B₂H₆)、三硼烷、四硼烷和戊硼烷，而烷基硼烷则包括具有经验式R_xBH_(3-x)的化合物，其中R为甲基、乙基、丙基或丁基，且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)和二乙基硼烷((CH₃CH₂)₂BH)。掺杂剂亦可包括胂(AsH₃)和烷基膦，如具有经验式R_xPH_(3-x)，其中R为甲基、乙基、丙基或丁基，且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)和二乙基膦((CH₃CH₂)₂PH)。铝和镓掺杂剂来源可包括烷基化及/或卤化衍生物，如利用经验式R_xMX_(3-x)描述，其中M为Al或Ga，R为甲基、乙基、丙基或丁基，X为Cl或F，及x＝0、1、2或3。铝和镓掺杂剂来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)和氯化镓(GaCl₃)。

如果需要含磷硅外延层，则沉积气体可包括硅源、磷源和载气。适合的硅源、磷源和载气在上文进行论述。在一些情况下，沉积气体可额外包含锗源。尽管设想其它硅源和磷源，但一般需要将对于处理环境的氧添加至降至最低，或避免氧添加。

在步骤606期间，亦将至少一种催化剂气体引入处理腔室100及将所述催化剂气体热驱动以催化沉积气体。可以自约3sccm至约400sccm范围内的速率将催化剂气体提供至处理腔室内，所述速率例如约30sccm至约300sccm，如约60sccm至约150sccm。在大多数情况下，催化剂气体与沉积气体在沉积阶段期间同时或并行流动(亦即同向流动模式)。在一些情况下，沉积气体可连续地流入处理腔室，而催化剂气体则以预定时间间隔提供。示例性催化剂气体可为含有卤素分子的所述气体。在一个实施例中，催化剂气体是氯气(Cl₂)。氯气具有一些优势，因为氯气是高反应性气体，即使在低温(例如低于500℃)下亦可易于与诸如硅烷、二氯硅烷、乙硅烷、PH₃、B₂H₆等氢气和氢化物反应。因为氯可在低至约300℃的温度下活化，因此整体外延工艺温度可降低，如与不使用氯作为反应剂或催化剂的外延工艺相比可降低50℃至100℃。特定而言，据本发明者观测，在外延沉积处理中使用氯气作为反应剂或催化剂已令人惊讶地能够在沉积期间增强磷在外延生长硅层中的结合，即使磷前驱物的供应较少也如此。与在沉积期间不使用Cl₂气体的原位掺磷硅(“SiP”)外延层相比，经Cl₂催化的SiP外延工艺增大外延生长层的拉伸应变而降低外延生长层的电阻率，此举接着为金氧半导体场效应晶体管增强沟道中的电子迁移率及降低源极/漏极接触电阻。

下文中的表1说明在根据本发明实施例的层沉积工艺期间，在利用使用Cl₂气体的催化剂气体(实例3-7)或不利用催化剂气体(亦即没有Cl₂气体，如实例1-2)的情况下形成的SiP外延层的膜特性。在表1所示全部实例中，以100sccm的流量提供乙硅烷(简称DS)，及以3SLM的流量提供充当载气的氮气。以5.1sccm、15sccm和50sccm三个不同的流量提供膦。在所有实例中，处理腔室经加热及维持在约500℃下，腔室压力为约40托。本文所述的及本发明通篇中的处理条件都基于300毫米直径基板。

表1

如实例1和实例3中可见，当在沉积工艺期间提供氯气时，外延生长层的拉伸应变有利地从0.03％增大至0.1％，及膜电阻率有利地自0.838mΩ-cm降至0.332mΩ-cm。更重要而言，磷浓度从约1.6×10²⁰原子数/立方厘米显著增大至约7.6×10²⁰原子数/立方厘米。在150秒时段期间，层厚度亦从约增大至约沉积外延层更厚及磷浓度更大的事实表示已被视作蚀刻剂化学品及因此并不常用于沉积工艺的氯气增强磷在层内的结合，同时不会过多影响生长速率。

在不受任何特定理论限制的情况下，认为在Cl₂与氢气及/或氢化物气体、掺杂气体之间发生放热反应期间自然产生的多个活化中间前驱物(例如SiCl_x、PCl_x)可持续产生所述所需特征，如沉积外延层中更高的拉伸应变、更好的层厚度生长、更低的电阻率，和更大的掺杂剂浓度。此外，认为，在约1x10²¹原子数/立方厘米或更大的磷浓度下，沉积外延层并非纯粹为掺杂磷的硅层，相反，所述层是硅与磷化硅之间的合金(例如准立方体Si₃P₄)。认为，硅/磷化硅合金归因于沉积外延层的增大拉伸应力。形成硅/磷化硅合金的可能性随着更大的磷浓度而增大，因为相邻磷原子相互作用的概率增大。

请返回参看表1，在氯气气流自30sccm增大至60sccm(实例4)、90sccm(实例5)和150sccm(实例6)的情况下，沉积外延层内的拉伸应变进一步从0.10％分别增大至0.16％、0.21％和0.31％，及沉积外延层的电阻率亦从0.332mΩ-cm分别减少至0.321mΩ-cm、0.287mΩ-cm和0.234mΩ-cm。同时，与未在沉积时将氯气用作反应剂或催化剂的实例1相比，磷浓度和层厚度亦增大。实例5进一步显示，当膦气仅以5.1sccm速率流动及氯气以90sccm速率被输送至处理腔室时，沉积外延层具有更大磷浓度、更低电阻率，及等同于实例2的拉伸应变，在实例2中，更大量(50sccm，为实例1的10倍)的膦气在沉积处理期间不提供氯气的情况下流动。因此，在沉积外延层中，更大膦气流自身并不如同PH₃+Cl₂一样诱发更高的拉伸应变。实例5明确证实，即使PH₃气体供应较少，仍能够获得低电阻率、高应变及高度掺杂的SiP外延层。

实例7显示另一实施例，在所述实施例中，膦气及氯气的流量与实例1相比都增大，PH₃自5.1sccm增至15sccm及氯气自0sccm增至150sccm。由此可见，所产生的掺磷硅外延层具有从0.03％显著增大至0.70％的拉伸应变。同时，与实例1中层的0.838mΩ-cm电阻率相比，所产生的层具有约0.3mΩ-cm电阻率。层厚度亦从增大至此情况再次证实氯气不影响整体膜生长速率，而是以更高拉伸应变及更低电阻率增强外延层。

应注意，虽然磷源气体的更高流量可改良沉积外延层的拉伸应变及电阻率，但表1中所给实例基于40托腔室压力。在低压沉积期间提供的高流量磷源气体可导致基板的“表面污染”，此情况抑制外延成型。由于硅源通量克服污染效应，因此当在高于300托(如约300托至约760托)的压力下进行处理时，通常不会经受表面污染。由此，利用较高掺杂剂流量增大处理压力可有利于外延工艺。

实例8和实例9显示，与实例1相比，当氯气以更大量(200sccm及300sccm)流动时，沉积外延层仍展现更高的拉伸应变(0.36％及0.39％)及更低的电阻率(0.239mΩ-cm及0.256mΩ-cm)。虽然过量氯气趋向消耗一些气相乙硅烷及PH₃气体，及因此对层厚度具有某个程度的不良影响，但整体层厚度并不受过大影响，至少不如烈性蚀刻剂气体预期对层所具有的影响。过量氯气的拉伸应变更低可归因于较弱的沉积，在所述沉积中，更少磷原子结合至膜内。

图7A是一图表，所述图表图示根据上文表1中显示的实例1、3、4、5、6、8及9形成的层的拉伸应力，如高分辨率X射线衍射所测定。图7B是图7A的放大图表“E”，所述图表显示与DS同向流动的SiP的XRD轮廓详细数据，其中氯气以不同流量流动。峰值A对应于单晶硅基板拉伸应力，而峰值B则对应于硅锗层拉伸应力此数据充当参考层以显示峰值D-I对于数据分析是可见及有意义的。峰值C、D、E、F、G、H及I对应于含磷外延层的拉伸应力，所述含磷外延层利用氯气形成，所述氯气在沉积阶段期间分别以0sccm、30sccm、60sccm、90sccm、150sccm、200sccm及300sccm流量提供。一般而言，由于因高磷掺杂剂浓度而产生的拉伸应变，峰值C-I具有约350角秒至约850角秒之间的偏移。此外，峰值D-I的清晰边缘可指示高质量、高应变的SiP外延层，所述外延层其中添加氯，具有均匀组成。

在操作中，在外延层生长过程期间，催化剂气体与沉积气体同时或并行流动。可从气源135A及/或气源135B经由隔板衬垫132G、注射嵌入式衬垫组件132F及经由如图1A所示的一或多个开口136A及/或136B(或经由如图2-5所示的第一出口210A及/或第二出口210B)提供催化剂气体，所述开口形成于注射器衬垫132E中。在一些实施例中，催化剂气体及沉积气体分别单独流入气体处理套件200及流至处理体积110(亦即催化剂气体及沉积气体在进入处理腔室之后混合)。在一些实施例中，催化剂气体及沉积气体在流入气体处理套件200之前经预混合及形成气体混合物(亦即催化剂气体及沉积气体在进入处理腔室之前预混合)。催化剂气体可流动穿过第一出口210A(图2-5)中的一或多个及流入处理体积110，而沉积气体则可流动穿过第二出口210B(图2-5)中的一或多个，或反之亦然。在一个实例中，催化剂气体及沉积气体同向流动进入处理体积110内的大体相同平面中，即，催化剂气体流动穿过第一出口210A中的一或多个，而沉积气体则流动穿过图5所示的第二出口210B中的一或多个，第一出口210A和第二出口210B在图5中图示。因此，催化剂气体及沉积气体在进入处理腔室之后混合。

在步骤606中，可重复外延工艺直至达到预定厚度及/或膜轮廓。

在步骤608中，沉积工艺终止，及在可选情况下对沉积外延层执行沉积后焙烘工艺。可在处理腔室100中就地执行沉积后焙烘工艺，或在不同热处理腔室中执行。沉积后焙烘工艺可在约550℃与约800℃之间的温度下，在约300托的处理腔室中执行约60秒至180秒，例如约120秒。所述处理条件可改变以获得所需的膜特性。在沉积后焙烘工艺期间，诸如氮气、氢气或其它适合气体的惰性气体及/或载气可流入处理腔室。可以约3SLM的流量提供惰性气体/载气。由于一些掺杂剂(例如磷)在沉积后焙烘工艺期间被逐出沉积外延层，因此焙烘之后的外延层可具有微增电阻率及微降拉伸应变。

在步骤610中，可在可选情况下执行退火工艺以修复在沉积后焙烘工艺期间降级的膜特性。或者，可省略步骤610中的退火工艺以便由步骤608中的工艺恢复所需膜特性。本文所述的退火工艺可指在大于约600℃的温度下执行的工艺。可使用激光退火工艺、尖峰退火工艺、快速热退火工艺，及/或熔炉退火工艺来执行退火工艺。在公开案的一个实施例中，执行诸如动态表面退火(dynamicsurfaceanneal；DSA)工艺的激光退火工艺。激光退火工艺可将来自能源的恒定能通量输送至基板表面上的较小区域，而基板则相对于输送至较小区域的能量(或反之亦然)而经移动、扫描。能源可输送电磁辐射能以在基板的所需区域执行退火工艺。典型的电磁辐射能源包括但不限于光学辐射源、电子束源、离子束源及/或微波能源，上述能源中的任何一个可为单色或多色，及可具有任何所需相干性。在一个实施例中，能源是使用一或多个激光源的光学辐射源。激光器可为任何类型的激光器，如气体激光器、准分子激光器、固态激光器、光纤激光器、半导体激光器等，上述激光器可配置以发射单个波长的光，或同时发射两个或更多个以上波长的光。

激光退火工艺可在基板的给定区域上发生达相对较短时间，如约1秒或更短的数量级。在多个实施例中，以毫秒数量级执行激光退火工艺。毫秒退火提供改良的产量性能，同时能够对磷在沉积外延层中的安置进行精确控制。应谨慎选择用于激光退火工艺的温度，以避免对沉积层的电阻率及拉伸应变产生任何负面影响。

本发明的优势包括高质量硅(或锗)外延膜，所述外延膜展现高拉伸应力及较低电阻率。通过在外延沉积工艺期间使用氯气作为反应剂或催化剂，即使在磷前驱物供应较少的情况下，磷也可大幅结合至层内，而不会过多影响生长速率。高磷浓度诱发沉积外延层内的应力，由此增大拉伸应变，使得载流子迁移率增大及装置性能改良。

尽管前述内容针对本发明的实施例，但可在不背离本发明的基本范围的前提下设计本发明的其它及更多实施例，及本发明的范围由下文的权利要求书决定。

Claims (20)

1.一种在基板上形成膜的方法，所述方法包括以下步骤：

加热安置在处理腔室的处理体积内的基板；及

通过将所述基板暴露于催化剂气体、硅源及掺杂剂来源而在所述基板上形成硅外延层，所述催化剂气体包含分子式为XY的卤素分子，其中X及Y是卤素原子。

2.如权利要求1所述的方法，其中X是氯。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述硅源包括硅烷、二氯硅烷、乙硅烷、丙硅烷、四硅烷或聚氯硅烷。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述催化剂气体以约3sccm至约300sccm的流量被提供至所述处理腔室以用于300毫米直径基板，及所述掺杂剂来源以约3sccm至约100sccm的流量被提供至所述处理腔室，以用于300毫米直径基板。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述掺杂剂来源包括磷、硼、砷、镓或铝。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述处理腔室维持在约1托至760托的压力下。

7.如权利要求1所述的方法，其中将所述基板加热至约300℃至约750℃的温度。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述催化剂气体、所述硅源及所述掺杂剂来源断续地同向流入所述处理体积中大体同一平面中。

9.一种在基板上形成膜的方法，所述方法包括：

加热安置在处理腔室的处理体积内的基板；及

通过将催化剂气体与硅源及磷源同时或并行地流入所述处理腔室而在所述基板上形成硅外延层，所述催化剂气体包含分子式为XY的卤素分子，其中X及Y是卤素原子。

10.如权利要求9所述的方法，其中X是氯。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述硅源包括硅烷、二氯硅烷、乙硅烷、丙硅烷、四硅烷或聚氯硅烷。

12.如权利要求9所述的方法，其中所述催化剂气体以约3sccm至约300sccm的流量被提供至所述处理腔室以用于300毫米直径基板，及所述磷源以约3sccm至约100sccm的流量被提供至所述处理腔室以用于300毫米直径基板。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述处理腔室维持在约1托至760托的压力下。

14.如权利要求9所述的方法，其中将所述基板加热至约300℃至约750℃的温度。

15.一种在处理腔室中的基板上形成膜的方法，所述方法包括：

通过将催化剂气体与一或多种沉积气体流入所述处理腔室而在所述基板上形成外延层，所述催化剂气体包含分子式为XY的卤素分子，其中X及Y是卤素原子，及所述一或多种沉积气体包括形成膜的气源及掺杂剂来源。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述形成膜的气源包括第III族前驱物气体、第V族前驱物气体、第IV族前驱物气体或第VI族前驱物气体，及所述掺杂剂来源包括磷、硼、砷、镓或铝。

17.如权利要求15所述的方法，其中X是氯。

18.如权利要求15所述的方法，其中所述催化剂气体以约3sccm至约300sccm的流量被提供至所述处理腔室，以用于300毫米直径基板。

19.如权利要求15所述的方法，其中所述掺杂剂来源以约3sccm至约100sccm的流量被提供至所述处理腔室，以用于300毫米直径基板。

20.如权利要求15所述的方法，其中所述催化剂气体、所述形成膜的气源及所述掺杂剂来源同时或断续地同向流入处理体积内，所述基板安置在所述处理体积内。