JP2004193575A - 半導体プロセスおよびこれに関連する装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】用いられる低温プロセスは、絶縁TEOSガラス22を保護するCORエッチングによってエミッタおよびベース間に電気的絶縁を与える。絶縁TEOSガラス22はキャパシタンスの低下をもたらし、高速度の達成を促進する。上述したプロセスを実行するための装置もまた提供する。
【選択図】図14
Description
新世代のSiGe BiCMOSの製造の際に、重要な工程は、テトラエチルオルソシリケート(TEOS)酸化シリコン,以下TEOSと称する、のような絶縁体によってエミッタ・ポリシリコンおよび外部ポリシリコン間に分離を達成する工程を含む。TEOSの開始時の厚さは、前のCMPプロセスによって定まる約500Å〜約1000Åの一定の範囲内である。
図1および2は、バイポーラ・デバイスBPにおけるエミッタ/ベース側壁分離窒化物のアンダーカット問題を説明する。図1はHIPOX層HXで覆われたシリコン基板SIで形成されたバイポーラ・デバイスBPを示し、HX層の上に、開口部Wを有するポリシリコン層PSとTEOS層TSとが形成され、開口部Wを通してHIPOX層HXの中央部分を露出させる。窒化シリコン側壁スペーサSWが、層PSおよびTSの両側壁上に形成されている。HFの水溶液はHIPOXストリップにおいてHIPOX層をアンダーカットし、これはデバイスのバイポーラ部分で問題を生じさせることとなる。
HFはHIPOXストリップの際にポリシリコンに浸透し、これがデバイスのCMOS部分で問題を生じさせることとなる。図3および4は、CMOSデバイスCMに関する問題を説明する。CMOSデバイスCMは、シリコン基板SIと、シリコン基板SI上に形成されたブランケット・ゲート酸化物層GXと、ブランケット・ゲート酸化物層GXを覆うブランケット層のゲート電極ポリシリコンGPとを含む。図3において、ポリシリコン層GP内にポリシリコン欠陥PDを有するCMOSデバイスCMが示される。図4は、ゲート・ポリシリコン層GP内の欠陥に浸透してゲート酸化物GX内に酸化物欠陥ODを生じさせるHFの水溶液を用いた処理後の図3のデバイスCMを示す。
水性HF溶液におけるストリップ・プロセスに続くコレクタ/エミッタ界面での酸化シリコンの再成長は、歩留り低下を生じさせる。雰囲気露出についての製造上のプロセス期間は、酸化シリコン・ストリップ・プロセスとベース・エピタキシ成長との間の15分たらずである。したがって、シリコン含有層のエピタキシャル成長またはシリコン層の多結晶成長のためのプロセスも実行できる単一ツールへ統合可能な酸化シリコン・エッチング・プロセスに対する必要性が存在する。
(a)酸化シリコン層を有し、雰囲気露出が続く水性HFエッチングによってダメージを受け得る構造をさらに有するシリコン基板を形成する工程、
(b)酸化シリコン層をHF蒸気およびアンモニア蒸気と反応させて反応生成物を形成する工程、
(c)反応生成物を除去してシリコン基板を露出させる工程、
(d)シリコン基板の露出領域上にシリコンを含む層を形成する工程、
(e)基板をさらに処理してシリコン層をトランジスタまたはバイポーラ・トランジスタの一部にする工程、
(I)プロセス・シーケンス
図10〜18は、図5〜9と共に上述したタイプのバイポーラ構造を製造する際の、本発明の実施形態に係る気相エッチング(すなわちドライ・エッチング・プロセスを用いる)のプロセスを説明する。このプロセスは、TEOS層22の完全な除去およびHIPOX層18のアンダーカットという問題を克服する。
固体COR反応生成物28は、自己制限反応を生じさせる。というのは、図13および14に示した結果間のインターバルの際に、COR反応生成物28(上述したものは、吸着反応物膜27の下に形成されている)は、酸化物(TEOS層22およびHIPOX層18)の反応表面へのフッ化水素およびアンモニアの拡散を妨げるからである。反応生成物28の自己制限厚さは反応条件を変えることによって調整できる。チャンバ44内のより高い圧力またはより低い温度は、自己制限厚さを増大させる。さらに、固体反応生成物28は、エッチングされる層22/18の酸化シリコンより多くの体積を占める。これは、開口部24/24′/24″を除くHIPOX層18の露出端部においてエッチングが少ないことを意味する。エッチングはこれらの端部で終了する。層28の自己制限厚さは、反応条件を変えることによって調整できる。
本発明の付着とCORエッチング・プロセスとの組み合せは、プロセス間の相互作用を調整するという利点を提供する。例えば、付着条件間の相互作用は、基板12の表面からHIPOX酸化物18を取り除くCORエッチング条件によって与えられた一定の構成の表面を生じさせる。結果として、酸化シリコン・プロファイルが与えられ、このプロファイルにおいて、ベース20とエミッタ31とが、外部ベース20およびエミッタ31間に分離を与えるTEOSと接し、それによって所望の構成を与える。
上述した問題(A)は、ベースまたはエミッタ領域から離れた露出酸化シリコンをアタックし、エミッタおよびベース間に短絡を生じさせあるいはSTIおよび他の場所に有害なトポグラフィを生じさせ、上に重なるシリコンの後のシリサイド化が困難になるということによって特徴づけられる。(TEOSが熱酸化物より速い速度でエッチングする水性HFエッチングと対照的に)熱酸化シリコンは、TEOSまたは他のタイプの酸化シリコンよりHF/アンモニア気相エッチングにおいて速い反応速度を有するので、この問題は、HF/アンモニア気相エッチングの使用によって効果的にアドレスされる。したがって、ベースHIPOXの気相エッチングを使用し、分離TEOSの完全な除去を防止することによってプレエミッタ洗浄後に形成される厚いTEOS分離を得ることができる。この気相エッチングの重要な利点は、TEOSを硬化させるために高温アニールは必要とされず、ドーパント熱拡散によるベースの劣化を回避するということである。同様に、水性HFエッチングと比較したとき、プレベース洗浄におけるSTI酸化シリコンのアタックは同等かまたは少ない。
ベースおよびエミッタ間の分離フィーチャのアンダーカットの問題(上述の問題(B))は、二酸化シリコンとのHFおよびアンモニアの反応が、体積が拡大する固体反応生成物を生じさせるために解決される。固体反応生成物はアンダーカットを制限する、というのは、それが、反応HFおよびアンモニアに対する拡散バリアとして機能するからである。窒化物側壁スペーサの下の酸化物構造は、水性エッチング・プロセスにおけるようにはダメージを受けない。特に、気相エッチング後のHIPOXのコーナ・プロファイルは、尾形構造(tail-shaped structure)によって制御でき、あるいは、オーバーエッチング(overetch)の総量に従うほぼ垂直のプロファイルによって制御でき、その結果、アンダーカットが完全に防止される。気相エッチングによるアンダーカットの防止は、ベース付着前の熱酸化シリコン除去のようないくつかのモジュールにおいて極めて重要である。アンダーカットは、また、欠陥,漏れ,および好ましくないトポグラフィのような問題につながる。
図3および4を参照して問題(C)に関して上述したように、この問題は、後に随伴するCMOSのポリシリコン・ゲートになる露出シリコン内の欠陥および裂目に水性エッチングが浸透して、下にあるゲート酸化物をアタックし得るということである。本発明の好適な実施形態において、問題(C)は解決される。というのは、二酸化シリコンとのHFおよびアンモニアの反応が固体反応生成物を生じさせ、当該固体反応生成物の体積が拡張して酸化シリコン・ラインド(lined)裂目を埋めるからである。裂目を埋めるという本発明によってもたらされる利点は、酸化シリコンを溶かし、裂目に容易に浸透する水性エッチングと対照的である。
ベース/コレクタ界面での再成長に基づく残留酸化シリコンは、ベース・エピタキシの際に欠陥を生じさせ、エミッタおよびコレクタ間に漏れを引き起こす可能性がある(上述した問題(D))。第2の水性処理を用いて再成長酸化シリコンを除去する場合には、問題は、シリコンも除去されて荒さによる欠陥につながり得ることである。これらの問題は本発明において回避される。というのは、気相酸化物エッチングが後続のSi(またはSi/Ge)成長プロセスと統合されるので、前洗浄プロセスおよび成長プロセスが単一の真空システムにおいて実行され、雰囲気への露出および原酸化物(native oxide)の再成長を回避するからである。プレベース酸化シリコン洗浄における酸化シリコン再成長の驚くほど大きな影響のために、酸化シリコン除去チャンバをシリコンまたはシリコン/ゲルマニウム成長チャンバと統合できることが重要である。二酸化シリコンとのHFおよびアンモニアの反応は、低圧(10mTorr以下)で行うことができる。大気圧または少なくとも数Torrの圧力で一般的に行われる水性洗浄工程または一般的な蒸気HF洗浄工程と対照的に、低圧で行われるHFおよびアンモニアの二酸化シリコンとの反応は、シリコン/SiGe成長チャンバと容易に統合できる。
図19および図20〜22は、真空状態を中断することなしに、HFおよびアンモニア反応から、生成物蒸発,SiまたはSi/Ge付着へウェハを移動させることができるハンドラを備えるツールを示す。当該ツールは、生成物蒸発チャンバとSiまたはSiGe付着チャンバとを合体させることができ、それは、シングル・ウェハ・タイプに特有であってもよく、バッチ・タイプに特有であってもよい。バッチ・マルチチャンバ・ツールの重要な特徴は、チャンバ間を往復できる(酸化物エッチングおよびシリコン付着双方に適合する材料の)可搬カセットである。
(1)テトラエチルオルソシリケート(TEOS)ガラス層と前記TEOSガラス層の下の中間層とを貫いて開口を形成し、前記開口はシリコン含有材料の露出面まで達し、前記開口は前記TEOSガラス層と前記中間層との側壁を含む前記開口の側壁を露出させる工程と、前記開口の側壁上に側壁スペーサを形成し、前記TEOSガラス層および前記中間層の側壁を覆う工程と、前記シリコン含有材料を化学的酸化物除去(COR)プロセスによって選択的にエッチングし、前記TEOS層をその場に残留させて前記中間層を保護する工程と、を含むプロセス。
(2)前記シリコン含有材料は、高圧酸化物(HIPOX)材料を含む上記(1)記載のプロセス。
(3)前記選択的にエッチングする工程の際に、前記TEOS層の一部が固体反応生成物へ転換され、前記シリコン含有材料の露出部分が固体反応生成物へ転換される上記(1)記載のプロセス。
(4)前記選択的にエッチングする工程は、前記TEOS層と前記シリコン含有材料との露出面を含む露出面の上にHFおよびNH3 のブランケット吸着反応物膜を形成する工程と、前記TEOS層の一部と前記シリコン含有材料の露出部分とを固体反応生成物へ転換する前記TEOS層の一部を固体反応生成物へ転換する工程と、を含む上記(1)記載のプロセス。
(5)前記エッチング・プロセスは、CORガスを流入させて、前記シリコン含有材料の露出面と、側壁スペーサと、前記TEOS層との上にHFおよびNH3 の吸着反応物膜を形成する工程と、前記吸着反応物膜の下に前記固体反応生成物を形成する工程と、前記真空チャンバへのCORガスの流入を終了する工程と、加熱して前記真空チャンバから前記固体反応生成物を除去する工程と、を含む上記(3)記載のプロセス。
(6)前記シリコン含有材料を選択的にエッチングする工程は、シール反応チャンバ内で実行される上記(1)記載のプロセス。
(7)前記CORプロセスは、HFおよびアンモニアNH3 蒸気の混合物を用いる上記(1)記載のプロセス。
(8)前記エッチング・プロセスは、COR反応ガスのソースからのバルブを開いてシール反応チャンバへCOR反応物ガスを流入させることによって約10ミリトル以下の低圧で前記シール反応チャンバ内で吸着反応物膜の下に固体反応生成物を形成する工程を実行する工程と、前記COR反応ガスのソースからのバルブを閉じて前記シール反応チャンバへのCORガスの流入を終了する工程と、加熱して前記シール反応チャンバから前記固体反応生成物を除去する工程と、を含む上記(1)記載のプロセス。
(9)前記CORプロセスは、HFおよびアンモニアNH3 蒸気の混合物を用いる上記(8)記載のプロセス。
(10)シランおよびジクロロシランより成るグループから選択されたエミッタ形成ガスを前記エミッタ形成ガスの分解温度を超えて加熱されたワークピースを含むチャンバへ導入する工程を実行して、前記反応生成物の除去の後に前記開口内にエミッタを形成する上記(8)記載のプロセス。
(11)第1の酸化シリコン材料と前記第1の酸化シリコン材料の下の中間層とを貫いて開口を形成し、前記開口は第2の酸化シリコン材料の露出面まで達し、前記開口は前記第1の酸化シリコン材料および前記中間層の側壁を含む前記開口の側壁を露出させる工程と、前記開口の側壁上に側壁スペーサを形成し、前記第1の酸化シリコン層および前記中間層の側壁を覆う工程と、化学的酸化物除去(COR)プロセスによって前記第2の酸化シリコン材料を選択的にエッチングし、前記第1の酸化シリコン材料をその場に残留させて前記中間層を保護する工程と、を含むプロセス。
(12)前記第2の酸化シリコン材料は、高圧酸化物(HIPOX)材料を含む上記(11)記載のプロセス。
(13)前記選択的にエッチングする工程の際に、前記第1の酸化シリコン材料の一部が固体反応生成物へ転換され、前記第2の酸化シリコン材料の露出部分が固体反応生成物へ転換される上記(11)記載のプロセス。
(14)前記選択的にエッチングする工程は、前記第1の酸化シリコン材料および前記第2の酸化シリコン材料の露出面を含む露出面上にHFおよびNH3 のブランケット吸着反応物膜を形成する工程と、前記第1の酸化シリコン材料の一部と前記第2の酸化シリコン材料の露出部分とが固体反応生成物へ転換される前記第1の酸化シリコン材料の一部を固体反応生成物へ転換する工程と、を含む上記(11)記載のプロセス。
(15)前記エッチング・プロセスは、CORガスを流入させて、前記第2の酸化シリコン材料の露出面と、側壁スペーサと、前記第1の酸化シリコン材料との上にHFおよびNH3 の吸着反応物膜を形成する工程と、前記吸着反応物膜の下に前記固体反応生成物を形成する工程と、前記真空チャンバへのCORガスの流入を終了する工程と、加熱して前記真空チャンバから前記固体反応生成物を除去する工程と、を含む上記(13)記載のプロセス。
(16)前記第2の酸化シリコン材料を選択的にエッチングする工程は、シール反応チャンバで実行される上記(11)記載のプロセス。
(17)前記CORプロセスは、HFおよびアンモニアNH3 蒸気の混合物を用いる上記(11)記載のプロセス。
(18)前記エッチング・プロセスは、COR反応ガスのソースからのバルブを開いてCOR反応チャンバへCOR反応物ガスを流入させることによって約10ミリトル以下の低圧で前記COR反応チャンバ内で吸着反応物膜の下に固体反応生成物を形成する工程を実行する工程と、前記COR反応ガスのソースからのバルブを閉じて前記真空チャンバへのCORガスの流入を終了する工程と、加熱して前記真空チャンバから前記固体反応生成物を除去する工程と、を含む上記(16)記載のプロセス。
(19)前記CORプロセスは、HFおよびアンモニアNH3 蒸気の混合物を用いる上記(18)記載のプロセス。
(20)前洗浄真空チャンバと、超高真空(UHV)圧における低速でSiGe層を付着するための超高真空(UHV)炉付着チャンバとを備え、前記前洗浄チャンバと前記炉付着チャンバとは中間エンクロージャによって相互接続されており、真空状態を中断することなしに、前記前洗浄チャンバから前記中間エンクロージャを通って前記炉付着チャンバまで複数のウェハのカセットを通過させて、前記前洗浄真空チャンバと前記炉付着チャンバとの間の前記カセットの移動の際に雰囲気への露出からワークを保護する手段を備えるバッチ・システム。
W 開口部
TS TEOS層
PS ポリシリコン層
HX HIPOX層
SI シリコン基板
BP バイポーラ・デバイス
UC アンダーカット
PD ポリシリコン欠陥
GP ゲート電極ポリシリコン
GX ブランケット・ゲート酸化物層
CM CMOSデバイス
OD 酸化物欠陥
10 デバイス
12 シリコン基板
14 ドープ・シリコン・コレクタ
16 ドープ・シリコン・ベース
18 HIPOX層
20 外部ベース・ポリシリコン層
22 TEOS層
24,24′,24″ 開口部
26 スペーサ
27 COR吸着反応物膜
28 反応生成物
29 側壁スペーサ26の尖鋭部
30,31 エミッタ
44 COR反応チャンバ
47,49,51,53,58 管
48,52,56 バルブ
54,62 排気管
60 排気ポンプ
67 吸気管
69 管
68,76 バルブ
70 加熱チャンバ
74,78 排気管
80 ポンプ
82 排気口
91,92,94,95 搬送ロッド
144 COR反応チャンバ
145 右側搬送チャンバ
170 COR脱離チャンバ
171 左側搬送チャンバ
TR 搬送ロッド
LL ロード・ロック
TTL 左側管
TTR 右側管
IV 分離バルブ
Claims (20)
- テトラエチルオルソシリケート(TEOS)ガラス層と前記TEOSガラス層の下の中間層とを貫いて開口を形成し、前記開口はシリコン含有材料の露出面まで達し、前記開口は前記TEOSガラス層と前記中間層との側壁を含む前記開口の側壁を露出させる工程と、
前記開口の側壁上に側壁スペーサを形成し、前記TEOSガラス層および前記中間層の側壁を覆う工程と、
前記シリコン含有材料を化学的酸化物除去(COR)プロセスによって選択的にエッチングし、前記TEOS層をその場に残留させて前記中間層を保護する工程と、
を含むプロセス。 - 前記シリコン含有材料は、高圧酸化物(HIPOX)材料を含む請求項1記載のプロセス。
- 前記選択的にエッチングする工程の際に、前記TEOS層の一部が固体反応生成物へ転換され、前記シリコン含有材料の露出部分が固体反応生成物へ転換される請求項1記載のプロセス。
- 前記選択的にエッチングする工程は、
前記TEOS層と前記シリコン含有材料との露出面を含む露出面の上にHFおよびNH3 のブランケット吸着反応物膜を形成する工程と、
前記TEOS層の一部と前記シリコン含有材料の露出部分とを固体反応生成物へ転換する前記TEOS層の一部を固体反応生成物へ転換する工程と、
を含む請求項1記載のプロセス。 - 前記エッチング・プロセスは、
CORガスを流入させて、前記シリコン含有材料の露出面と、側壁スペーサと、前記TEOS層との上にHFおよびNH3 の吸着反応物膜を形成する工程と、
前記吸着反応物膜の下に前記固体反応生成物を形成する工程と、
前記真空チャンバへのCORガスの流入を終了する工程と、
加熱して前記真空チャンバから前記固体反応生成物を除去する工程と、
を含む請求項3記載のプロセス。 - 前記シリコン含有材料を選択的にエッチングする工程は、シール反応チャンバ内で実行される請求項1記載のプロセス。
- 前記CORプロセスは、HFおよびアンモニアNH3 蒸気の混合物を用いる請求項1記載のプロセス。
- 前記エッチング・プロセスは、
COR反応ガスのソースからのバルブを開いてシール反応チャンバへCOR反応物ガスを流入させることによって約10ミリトル以下の低圧で前記シール反応チャンバ内で吸着反応物膜の下に固体反応生成物を形成する工程を実行する工程と、
前記COR反応ガスのソースからのバルブを閉じて前記シール反応チャンバへのCORガスの流入を終了する工程と、
加熱して前記シール反応チャンバから前記固体反応生成物を除去する工程と、
を含む請求項1記載のプロセス。 - 前記CORプロセスは、HFおよびアンモニアNH3 蒸気の混合物を用いる請求項8記載のプロセス。
- シランおよびジクロロシランより成るグループから選択されたエミッタ形成ガスを前記エミッタ形成ガスの分解温度を超えて加熱されたワークピースを含むチャンバへ導入する工程を実行して、前記反応生成物の除去の後に前記開口内にエミッタを形成する請求項8記載のプロセス。
- 第1の酸化シリコン材料と前記第1の酸化シリコン材料の下の中間層とを貫いて開口を形成し、前記開口は第2の酸化シリコン材料の露出面まで達し、前記開口は前記第1の酸化シリコン材料および前記中間層の側壁を含む前記開口の側壁を露出させる工程と、
前記開口の側壁上に側壁スペーサを形成し、前記第1の酸化シリコン材料および前記中間層の側壁を覆う工程と、
化学的酸化物除去(COR)プロセスによって前記第2の酸化シリコン材料を選択的にエッチングし、前記第1の酸化シリコン材料をその場に残留させて前記中間層を保護する工程と、
を含むプロセス。 - 前記第2の酸化シリコン材料は、高圧酸化物(HIPOX)材料を含む請求項11記載のプロセス。
- 前記選択的にエッチングする工程の際に、前記第1の酸化シリコン材料の一部が固体反応生成物へ転換され、前記第2の酸化シリコン材料の露出部分が固体反応生成物へ転換される請求項11記載のプロセス。
- 前記選択的にエッチングする工程は、
前記第1の酸化シリコン材料および前記第2の酸化シリコン材料の露出面を含む露出面上にHFおよびNH3 のブランケット吸着反応物膜を形成する工程と、
前記第1の酸化シリコン材料の一部と前記第2の酸化シリコン材料の露出部分とが固体反応生成物へ転換される前記第1の酸化シリコン材料の一部を固体反応生成物へ転換する工程と、
を含む請求項11記載のプロセス。 - 前記エッチング・プロセスは、
CORガスを流入させて、前記第2の酸化シリコン材料の露出面と、側壁スペーサと、前記第1の酸化シリコン材料との上にHFおよびNH3 の吸着反応物膜を形成する工程と、
前記吸着反応物膜の下に前記固体反応生成物を形成する工程と、
前記真空チャンバへのCORガスの流入を終了する工程と、
加熱して前記真空チャンバから前記固体反応生成物を除去する工程と、
を含む請求項13記載のプロセス。 - 前記第2の酸化シリコン材料を選択的にエッチングする工程は、シール反応チャンバで実行される請求項11記載のプロセス。
- 前記CORプロセスは、HFおよびアンモニアNH3 蒸気の混合物を用いる請求項11記載のプロセス。
- 前記エッチング・プロセスは、
COR反応ガスのソースからのバルブを開いてCOR反応チャンバへCOR反応物ガスを流入させることによって約10ミリトル以下の低圧で前記COR反応チャンバ内で吸着反応物膜の下に固体反応生成物を形成する工程を実行する工程と、
前記COR反応ガスのソースからのバルブを閉じて前記真空チャンバへのCORガスの流入を終了する工程と、
加熱して前記真空チャンバから前記固体反応生成物を除去する工程と、
を含む請求項16記載のプロセス。 - 前記CORプロセスは、HFおよびアンモニアNH3 蒸気の混合物を用いる請求項18記載のプロセス。
- 前洗浄真空チャンバと、
超高真空(UHV)圧における低速でSiGe層を付着するための超高真空(UHV)炉付着チャンバとを備え、
前記前洗浄チャンバと前記炉付着チャンバとは中間エンクロージャによって相互接続されており、
真空状態を中断することなしに、前記前洗浄チャンバから前記中間エンクロージャを通って前記炉付着チャンバまで複数のウェハのカセットを通過させて、前記前洗浄真空チャンバと前記炉付着チャンバとの間の前記カセットの移動の際に雰囲気への露出からワークを保護する手段を備えるバッチ・システム。
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