KR101369355B1 - 에피택셜 층 형성 동안에 형태를 제어하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 제 1 태양은 기판상에 에피택셜 층을 선택적으로 형성하는 방법을 제공한다. 그 방법은 기판을 800℃ 미만의 온도로 가열하는 단계; 및 에피택셜 필름 형성 동안에 실란 및 디클로로실란 모두를 실리콘 소오스들로서 이용하는 단계를 포함한다. 수많은 다른 태양들이 제공된다.
Description
본원은 2006년 7월 31일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제 60/820,956 호를 우선권으로 청구하며, 이로써 그 미국 가특허출원은 본 명세서에서 그 전체가 참조로 포함된다.
관련 출원들의 상호 참조
본원은 다음의 공동 계류중인 출원들과 관련되며, 이로써 다음의 공동 계류중인 출원들 각각은 본 명세서에서 그 전체가 참조로 포함된다.
2004년 12월 1일자로 출원된 미국 특허출원 일련번호 제 11/001,774 호(서류 번호 제 9618 호); 및
2005년 9월 14일자로 출원된 미국 특허출원 일련번호 제 11/227,974 호(서류 번호 제 9618/P01 호).
본 발명은 반도체 소자 제조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 에피택셜 층 형성 동안에 형태를 제어하는 방법들에 관한 것이다.
보다 작은 트랜지스터들이 제조됨에 따라, 울트라 쉘로우(ultra shallow) 소오스/드레인 접합부들이 생산에 있어 더 큰 난제가 되고 있다. 일반적으로, 100 nm 이하(sub-100nm)의 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 소자들은 접합부 깊이가 30 nm 미만이 될 것을 요구한다. 종종, 실리콘-함유 물질들(예를 들어, Si, SiGe 및 SiC)의 에피층들(epilayers)을 접합부들 내에 형성하는데 선택적인 에피택셜 증착이 이용된다. 일반적으로, 선택적인 에피택셜 증착은 유전체 영역들 상에서의 성장 없이 실리콘 모우트(moat)들 상에서의 에피층들의 성장을 허용한다. 양극성 소자들(bipolar devices)의 베이스 층 증착, 콘택 플러그들(contact plugs), 상승된(elevated) 소오스/드레인들, 또는 소오스/드레인 연장부들과 같은 반도체 소자들 내에서 선택적인 에피택시가 이용될 수 있다.
일반적으로, 선택적인 에피택시 프로세스는 증착 반응 및 에칭 반응을 수반한다. 증착 및 에칭 반응들은 에피택셜 층에 대해서 그리고 다결정 층에 대해서 상대적으로 상이한 반응 레이트들로 동시에 발생된다. 증착 프로세스 동안에, 에피택셜 층이 단결정 표면 상에 형성되는 한편, 다결정 층은 이미 존재하는 다결정 층 및/또는 비정질 층과 같은 적어도 제 2 층 상에 증착된다. 그러나 증착된 다결정 층은 일반적으로 에피택셜 층보다 더 빠른 레이트로 에칭된다. 그에 따라, 에칭제 가스(etchant gas)의 농도를 변화시킴으로써, 순수한(net) 선택적인 프로세스가 에피택시 물질의 증착 및 다결정 물질의 제한된 증착 또는 다결정 물질의 비-증착을 초래한다. 예를 들어, 선택적인 에피택시 프로세스는 단결정 실리콘 표면 상에 실리콘-함유 물질의 에피층의 형성을 초래할 수 있는데 반해, 스페이서(spacer) 영역 상에는 어떤 증착물도 남아있지 않다.
실리콘-함유 물질들의 선택적인 에피택시 증착은 상승된 소오스/드레인 및 소오스/드레인 연장부 피쳐들의 형성 동안에, 예를 들어, 실리콘-함유 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor) 소자들의 형성 동안에 유용한 기술이 되었다. 리세스형(recessed) 소오스/드레인 피쳐를 만들기 위해 실리콘 표면을 에칭함으로써 그리고 그에 후속하여 에칭된 표면을 실리콘 게르마늄(SiGe) 물질과 같이 선택적으로 성장된 에피층으로 충진함으로써, 소오스/드레인 연장부 피쳐들(extension features)이 제조된다. 선택적인 에피택시는 인-시츄(in-situ) 도핑을 이용한 거의 완전한 도펀트 활성화를 허용하여, 사후 어닐링 프로세스가 생략되게 한다. 그에 따라, 접합부 깊이가 실리콘 에칭 및 선택적인 에피택시에 의해서 정확하게 규정될 수 있다. 다른 한편으로, 울트라 쉘로우 소오스/드레인 접합부는 증대된 직렬 저항을 불가피하게 초래한다. 또한, 실리사이드 형성 동안의 접합부 소모가 직렬 저항을 훨씬 더 증가시킨다. 접합부 소모를 보상하기 위해서, 상승된 소오스/드레인이 접합부 상에서 에피택셜하게 그리고 선택적으로 성장된다. 통상적으로, 상승된 소오스/드레인 층은 비-도핑된 실리콘이다.
그러나 현재의 선택적인 에피택시 프로세스들은 몇 가지 단점들을 가진다. 지금의 에피택시 프로세스들 동안에 선택도를 유지하기 위해서, 선구물질들의 화학적 농도들뿐만 아니라 반응 온도들도 증착 프로세스를 통해서 반드시 조절(regulate)되고 조정(adjust)되어야 한다. 만약, 충분하지 못한 실리콘 선구물질이 공급(administer)된다면, 에칭 반응이 우세할(dominate) 수 있고 전체 프로세스가 느려진다. 또한, 기판 피쳐들의 유해한 과도 에칭(over etching)이 일어날 수도 있다. 만약, 충분하지 못한 에칭제 선구물질이 공급된다면, 증착 반응이 우세할 수 있어서, 기판 표면에 걸쳐 단결정 및 다결정 물질들을 형성하기 위한 선택도를 감소시킨다. 또한, 현재의 선택적인 에피택시 프로세스들은 일반적으로 약 800℃, 1,000℃ 또는 더 높은 온도와 같은 높은 반응 온도를 필요로 한다. 그러한 높은 온도들은 열 예산(thermal budget) 고려사항들 및 있을 수 있는(possible) 기판 표면에 대한 제어되지 않는 질화 반응들로 인해 제조 프로세스 동안 바람직하지 못하다.
그에 따라, 선택적인 도펀트들과 함께 실리콘 및 실리콘-함유 화합물들을 선택적으로 그리고 에피택셜하게 증착하기 위한 프로세스를 가질 필요가 있다. 또한, 빠른 증착 레이트, 매끄러운 표면 형태를 갖고, 약 800℃ 또는 그 미만, 그리고 바람직하게는 약 700℃ 또는 그 미만과 같은 프로세스 온도를 유지하면서, 다양한 원소 농도들을 갖는 실리콘-함유 화합물들을 형성하기 위해, 그 프로세스는 변통성이 있어 한다(versatile).
본 발명의 제 1 태양은 기판상에 에피택셜 층을 선택적으로 형성하는 방법을 제공한다. 그 방법은 기판을 약 800℃ 미만의 온도로 가열하는 단계 및 선택적인 에피택셜 필름 형성 동안에 실란 및 디클로로실란 모두를 실리콘 소오스들로서 이용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 태양에서, 기판 상에 에피택셜 층을 선택적으로 형성하는 방법이 제공된다. 그 방법은 교호되는(alternated) 적어도 하나의 증착 단계 및 적어도 하나의 에칭 단계를 포함한다. 그 방법은 기판을 약 800℃ 미만의 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 증착 단계는 실란 및 디클로로실란 모두를 실리콘 소오스들로서 이용한다. 실리콘 소오스 가스들의 각각은 약 5 내지 50 Torr의 챔버 압력에서 약 10 sccm 내지 100 sccm의 레이트로 유입된다. 에칭 단계는 염화수소 및 염소 중 적어도 하나를 유입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 태양에서, 기판상에 에피택셜 층을 형성하는 방법이 제공된다. 그 방법은 (1) 기판을 약 800℃ 미만의 온도로 가열하는 단계; 및 (2) 선택적인 에피택셜 필름 형성 프로세스 동안에 실란 및 디클로로실란 모두를 실리콘 소오스들로서 이용함으로써 에피택셜 층을 형성하도록 기판 상에서 선택적인 에피택셜 필름 형성 프로세스를 실시하는 단계를 포함한다. 실란 대 디클로로실란의 비율은 1 보다 크다. 수많은 다른 태양들이 제공된다.
이하의 상세한 설명, 첨부된 청구항들 및 첨부 도면들로부터, 본 발명의 다른 피쳐들 및 태양들이 더욱 충분하게 자명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 에피택셜 필름을 형성하기 위한 제 1의 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따라 에피택셜 필름을 형성하기 위한 제 2의 예시적인 방법의 흐름도이다.
유전체 필름들로 패턴화된 실리콘 기판 상에서의 선택적인 에피택셜 성장 프로세스 동안에, 단-결정 반도체의 형성은 노출된 실리콘 표면들 상에서만 이루어진다(예를 들어, 유전체 표면들 상에서는 이루어지지 않는다). 선택적인 두께는 유전체 표면들 상에서 필름 성장 또는 핵형성의 개시에 앞서서 실리콘 표면들 상에서 얻어지는 최대 필름 두께로서 규정된다.
선택적인 에피택셜 성장 프로세스들은 동시적인 에칭-증착 프로세스들은 물론 교호적인 가스 공급 프로세스들을 포함할 수 있다. 동시적인 에칭-증착 프로세스에서, 에칭제 종(etchant species) 및 증착 종 양자는 동시에 유입된다. 이로써, 에피택셜 층의 형성 동안에 에피택셜 층이 동시에 증착되고 에칭된다.
2004년 12월 1일자로 출원된 미국 특허출원 일련번호 제 11/001,774 호(서류 번호 제 9618 호)는 기판 상에 에피택셜 층을 형성하기 위한 교호적인 가스 공급(AGS) 프로세스를 설명한다. AGS 프로세스 동안에, 에피택셜 증착 프로세스가 기판 상에서 실시되고, 그리고 이어서 에칭 프로세스가 기판 상에서 실시된다. 에칭 프로세스가 후속하는 에피택셜 증착 프로세스의 사이클은 원하는 두께의 에피택셜 층이 형성될 때까지 반복된다.
800℃ 미만의 증착 온도들에서의 선택적인 실리콘 에피택시를 위한 대안적인 선구물질은 실란(SiH4)이다. 그러한 더 낮은 온도들에서, SiH4 는 디클로로실란(DCS)보다 더 높은 성장 레이트를 갖는다. 그러나 본원 발명자들은 SiH4 -기반(based) 프로세스가 형태 문제들(예를 들어, 표면 조도(surface roughness) 또는 피팅(pitting))을 유발할 수도 있다는 것을 관찰하였다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예에서, SiH4의 이용과 관련하여 관찰된 형태학 문제들은 SiH4 및 DCS 모두를 이용함으로써(예를 들어, 필름 성장 동안에 SiH4와 DCS를 혼합함으로써) 감소 및/또는 제거될 수 있다. 이러한 접근법은 필름의 표면 상의 확산 메카니즘을 변화시켜서 보다 강력한(greater) 형태학적 제어를 허용하는 것으로 여겨진다.
일부 실시예들에서, 본 발명은 다른 선택적인 에피택셜 프로세스들과 이용될 수 있으나, 본 발명은 2004년 12월 1일자로 출원된 미국 특허출원 일련번호 제 11/001,774 호(서류 번호 제 9618 호)에 설명된 AGS 프로세스와 이용될 수 있다.
(예를 들어, AGS 프로세스 동안에) 실리콘 소오스로서 단지 SiH4 만을 갖는 선택적인 프로세스를 이용하여 형성된 실리콘 에피택셜 필름들은 거칠고 피팅된 표면들을 가지는 것으로 밝혀졌다. (예를 들어, AGS 프로세스 동안에) 실리콘 소오스들로서 SiH4 및 DCS 모두를 갖는 선택적인 프로세스를 이용하여 형성된 실리콘 에피택셜 필름들은 개선된 필름 형태, 예를 들어 개선된 표면 평활도(smoothness)(예를 들어, 피팅이 없는)를 가지는 것으로 밝혀졌다. 증착 후(post-deposition) 평활화(smoothing) 단계와 같은 다른 접근법들과 달리, SiH4 및 DCS의 이용은 추가적인 프로세스 단계들이 없이도 (예를 들어, 에피택셜 필름 형성 동안에) 필름 형태의 인-시츄 제어를 가능하게 한다.
일부 실시예들에서, 전술한 바와 같은 실리콘 소오스를 이용할 수 있는 프로세스의 일 예는 약 10 sccm 내지 약 100 sccm의 실란을 포함할 수 있다. 또한, 실리콘 소오스는 약 10 sccm 내지 약 100 sccm의 디클로로실란을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, AGS 프로세스에서의 증착 사이클 동안에, 약 2 내지 250 초의 증착 시간, 보다 바람직하게는 약 5 내지 10 초의 증착 시간, 그리고 약 700℃ 내지 약 750℃ 범위의 온도와 함께 약 5 Torr 내지 약 50 Torr 범위의 챔버 압력이 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 7:1, 10:1 등(SiH4 : DCS)과 같은, 1 보다 큰 SiH4 대 DCS의 비율이 이용될 수 있다. 증착 사이클 이후에, 예를 들어, 에칭제로서 약 50 sccm 내지 약 500 sccm의 염화 수소(HCl), 약 2 초 내지 250 초, 보다 바람직하게는 약 5 초 내지 10초의 증착 시간을 갖는 약 5 Torr 내지 약 100 Torr의 챔버 압력, 그리고 약 700℃ 내지 약 750℃ 범위의 온도로, 에칭제 프로세스가 이용될 수 있다. 에칭 사이클 이후에, 약 700℃ 내지 약 750℃ 범위의 온도에서 약 5 내지 약 50 Torr의 압력으로 약 10초 동안 퍼지 사이클이 실시될 수 있을 것이다. 다른 프로세스 시간들, 온도들 및/또는 유량들이 증착, 에칭 및/또는 퍼징 동안에 이용될 수 있다. 예를 들어, 2005년 9월 14일자로 출원된 미국 특허출원 일련번호 제 11/227,974 호(서류 번호 제 9618/P01 호)에 설명된 바와 같이, 염소(Cl2) 또는 Cl2 와 HCl의 조합이 각각의 에칭 단계 동안에 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 에피택셜 필름을 형성하기 위한 제 1 의 예시적인 방법(100)의 흐름도이다. 도 1을 참조하면, 단계(101)에서, 기판이 프로세스 챔버내로 로딩되고 약 800℃ 또는 그 미만의 온도로 가열된다. 일부 실시예들에서, 보다 낮은 온도 범위, 예를 들어, 750℃ 미만, 700℃ 미만 또는 650℃ 미만의 온도가 에피택셜 필름 형성 동안에 이용될 수 있다.
단계(102)에서, 기판 상에 에피택셜 필름을 형성하도록, 적절한 캐리어 가스 및/또는 도펀트(들)와 함께 실란 및 디클로로실란이 프로세스 챔버 내로 유입된다. 일부 실시예들에서, HCl, Cl2, HCl과 Cl2의 조합 등과 같은 하나 또는 그 초과의 에칭제 가스들이 실리콘 소오스 가스들로서 동시에(예를 들어, 동시적인 증착-에칭 프로세스 동안에) 유입될 수 있다. 다른 실시예들에서, 별개의 에칭제 단계가 증착 후에 (예를 들어, AGS 프로세스 동안에) 이용될 수 있다. 증착 및 에칭은 원하는 에피택셜 필름 두께가 얻어질 때까지 계속된다. 일부 실시예들에서, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 7:1, 10:1 등(SiH4 : DCS)과 같은, 1 보다 큰 SiH4 대 DCS의 비율이 이용될 수 있다. 다른 실리콘 소오스 비율들이 이용될 수도 있다.
도 2는 본 발명에 따른 에피택셜 필름을 형성하기 위한 제 2 의 예시적인 방법(200)의 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 단계(201)에서, 기판이 프로세스 챔버내로 로딩되고 약 800℃ 또는 그 미만의 온도로 가열된다. 일부 실시예들에서, 750℃ 미만, 700℃ 미만 또는 650℃ 미만과 같은 더욱 낮은 온도 범위가 에피택셜 필름 형성 동안에 이용될 수 있다.
단계(202)에서, 기판 상에 에피택셜 필름을 형성하도록, 적절한 캐리어 가스 및/또는 도펀트(들)와 함께 실란 및 디클로로실란이 프로세스 챔버내로 유입된다. 일부 실시예들에서, 약 10 sccm 내지 약 100 sccm의 디클로로실란이 이용될 수 있는 동안, 약 10 sccm 내지 약 100 sccm의 실란이 이용될 수 있다. 약 5 Torr 내지 약 50 Torr의 압력이 이용될 수 있다. 증착은 약 2 내지 250 초 동안, 보다 바람직하게는 약 5 내지 10 초 동안 실시될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 7:1, 10:1 등(SiH4 : DCS)과 같은, 1보다 큰 SiH4 대 DCS의 비율이 이용될 수 있다. 다른 유량들, 압력들, 온도들, 시간들 및/또는 SiH4 : DCS 비율들이 이용될 수 있다.
단계(203)에서, 단계(202) 동안에 증착된 물질을 에칭하도록, HCl 및/또는 Cl2 과 같은 에칭제 가스가 적절한 캐리어 가스와 함께 프로세스 챔버내로 유입된다. 예를 들어, 기판은 약 5 Torr 내지 약 100 Torr의 챔버 압력에서, 약 2 내지 250 초 동안, 보다 바람직하게는 약 5 내지 10 초 동안 에칭제로서 약 50 sccm 내지 약 500 sccm의 염화수소(HCl)를 이용하여 에칭될 수 있다. 다른 에칭제들, 유량들, 압력들 및/또는 시간들이 이용될 수 있다.
단계(204)에서, 에칭 사이클 이후에, 퍼지 사이클이 약 2 내지 250 초 동안, 보다 바람직하게는 약 5 내지 10 초 동안 실시될 수 있다. 다른 퍼지 시간들이 이용될 수 있다.
단계(205)에서, 원하는 에피택셜 필름 두께에 도달하였는지 여부에 대한 결정이 이루어진다. 만약 도달하였다면, 프로세스는 단계(206)에서 종료되고; 그렇지 않은 경우에, 기판 상에 추가적인 에피택셜 물질을 증착하기 위해서 프로세스는 단계(202)로 복귀된다.
전술한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 실시예들을 개시한다. 본 발명의 범주에 포함되는 전술한 장치 및 방법들에 대한 변경들은 당업자들에게 쉽게 자명할 것이다. 예를 들어, 750℃ 미만, 700℃ 미만, 또는 650℃ 미만과 같은 보다 낮은 온도 범위가 에피택셜 필름 형성 동안에 이용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 예시적인 실시예들과 관련하여 본 발명이 개시되었으나, 다른 실시예들도 다음의 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주내에 포함될 수 있음이 이해되어야 한다.
Claims (24)
- 에피택셜 층을 형성하는 방법으로서:기판을 제공하는 단계;상기 기판을 800℃ 미만의 온도로 가열하는 단계; 및선택적인 에피택셜 필름 형성 프로세스 동안에 실란 및 디클로로실란 모두를 실리콘 소오스로서 이용함으로써 상기 에피택셜 층을 형성하도록, 상기 기판 상에서 상기 선택적인 에피택셜 필름 형성 프로세스를 실시하는 단계를 포함하는,에피택셜 층 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판을 가열하는 단계는, 상기 기판을 750℃ 미만의 온도로 가열하는 단계를 포함하는,에피택셜 층 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판을 가열하는 단계는, 상기 기판을 700℃ 미만의 온도로 가열하는 단계를 포함하는,에피택셜 층 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 선택적인 에피택셜 필름 형성 프로세스를 실시하는 단계는:실란 및 디클로로실란을 유동시키는 단계; 및염화수소(HCl) 및 염소(Cl2) 중 하나 이상을 포함하는 에칭 가스를 유동시키는 단계를 포함하는,에피택셜 층 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 선택적인 에피택셜 필름 형성 프로세스를 실시하는 단계는 에칭 단계를 수반하는 증착 단계를 실시하는 단계를 포함하고,상기 증착 단계를 실시하는 단계는 실란의 유동 및 디클로로실란의 유동을 제공하는 단계를 포함하는,에피택셜 층 형성 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 증착 단계를 실시하는 단계는, 최대 10초 동안 실란 및 디클로로실란을 유동시키는 단계를 포함하는,에피택셜 층 형성 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 에칭 단계를 실시하는 단계는, 염화수소(HCl) 및 염소(Cl2) 중 하나 이상을 포함하는 에칭 가스를 유동시키는 단계를 포함하는,에피택셜 층 형성 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 에칭 단계는, 최대 10초 동안 에칭 가스를 유동시키는 단계를 포함하는,에피택셜 층 형성 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 에칭 단계에 후속하는 퍼징(purging) 단계를 더 포함하는,에피택셜 층 형성 방법.
- 에피택셜 층을 형성하는 방법으로서:기판을 제공하는 단계;상기 기판을 800℃ 미만의 온도로 가열하는 단계; 및하나 이상의 증착 단계와 하나 이상의 에칭 단계를 포함하는 선택적인 에피택셜 필름 형성 프로세스를 실시하는 단계를 포함하며,상기 증착 단계와 에칭 단계는 교호되며;상기 증착 단계는 실란 및 디클로로실란 각각을 5 내지 50 Torr의 증착 압력 압력에서 10 내지 100 sccm의 유량(flow rate)으로 유동시키는 단계를 포함하며; 그리고상기 에칭 단계는 염화수소 및 염소 중 하나 이상을 유동시키는 단계를 포함하는,에피택셜 층 형성 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 선택적인 에피택셜 필름 형성 프로세스는 상기 하나 이상의 에칭 단계에 후속하는 퍼징 단계를 더 포함하는,에피택셜 층 형성 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 기판을 가열하는 단계는, 상기 기판을 750℃ 미만의 온도로 가열하는 단계를 포함하는,에피택셜 층 형성 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 기판을 가열하는 단계는, 상기 기판을 700℃ 미만의 온도로 가열하는 단계를 포함하는,에피택셜 층 형성 방법.
- 에피택셜 층을 형성하는 방법으로서:기판을 제공하는 단계;상기 기판을 800℃ 미만의 온도로 가열하는 단계; 및선택적인 에피택셜 필름 형성 프로세스 동안에 실란 및 디클로로실란 모두를 실리콘 소오스로서 이용함으로써 상기 에피택셜 층을 형성하도록, 상기 기판 상에서 상기 선택적인 에피택셜 필름 형성 프로세스를 실시하는 단계를 포함하며,상기 실란 대 상기 디클로로실란의 비율이 1 보다 큰,에피택셜 층 형성 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 실란 대 상기 디클로로실란의 비율이 2 보다 큰,에피택셜 층 형성 방법.
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