KR20050061511A - 에피택셜층을 형성하는 방법 및 장치 - Google Patents

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필립페 메우니어-베일-라드
마티에우 알. 제이. 카이맥스
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 희(noble) 가스 중 하나 또는 질소를 캐리어 가스로서 사용하는, 화학 증착에 의해 규소 기재 상에 IV족 원소계 에피택셜층을 침착하는 방법에 관한 것이고, 또한 가스 주입구(14)와 가스 배출구(16), 및 챔버(12) 내에 규소 기재를 위치시키기 위한 수단(18)을 갖는 챔버(12)를 포함하는 화학 증착 장치(10)에 관한 것으로, 상기 장치는 주입구에 연결되고 캐리어 가스로서 질소 또는 희 가스를 제공하기 위해 배열된 가스 공급원을 추가로 포함한다.

Description

에피택셜층을 형성하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR FORMING EPITAXIAL LAYERS}
본 발명은 특히 화학 증착(CVD)에 의해 규소 기재 상에 에피택셜층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 디바이스의 제조 방법 및 이것의 장치에 관한 것이다.
규소 미세전자공학적 기술을 이용하여 디바이스에 대한 물질의 다양성을 확장시키기 위해, Si 기재 상에 에피택셜형으로 성장된 Si1-x-yGexCy(및 Si1-yCy) 결정과 같은 물질에 대해 많은 관심이 집중되어 왔다.
규소:탄소(Si1-yCy)는 예컨대 문헌[J. P. Liu and H. J. Osten, "Substitutional carbon incorporation during Si1-x-yGexCy growth on Si(100) by molecular-beam epitaxy: Dependence on germanium and carbon" Applied Physics Letters, Vol. 76, No.24, (2000), P.3546-48] 및 [H. J. Osten, "MBE growth and properties of supersaturated, carbon-containingsilicon/germanium alloys on Si(100)", Thin Solid Films, Vol.367, (2000), P.101-111]에서 논의된 신규 물질이고, 규소와 같은 다이아몬드 구조를 갖는다. 전형적으로, C 농도는 0 내지 5%로서, Si 중 C의 용해도 한계를 넘어선다. Si1-yCy에서, 모든 탄소 원자는 치환성이어야 하고, 규소 구조에서 규소 원자를 대신한다. 그러므로, 이런 물질의 연구에 대한 특별한 도전은 치환성 탄소를 규소에 도입하는 것이다. 주지된 바와 같이, Si 및 Ge 중의 C 원자의 평형 고체 용해도가 매우 작기 때문에, 수 원자% 이하의 치환성 C 농도를 갖는 고품질 Si1-x-yGexCy 결정을 성장시키는 것이 바람직할 수 있다. 치환성 탄소의 분율은 저온에서 증가한다. 탄소 원자가 격자 위치에 있지 않는 경우, 즉 치환성이 아닌 경우, 이들은 다양한 결함, 비제한적인 예로서 SiC 침전을 일으킬 수 있다. 이런 결함은 반도체 적용 및 에피택셜 성장에 적당하지 않다.
Si1-x-yGexCy 및 Si1-yCy 에피택셜층은 분자 빔 에피택시(MBE), 급속 열 화학 증착(RT-CVD), 저압 화학 증착(LP-CVD) 및 초고진공 화학 증착(UHV-CVD)와 같은 다양한 기법을 사용하여 Si(001) 기재 상에 성장될 수 있는 것으로 보여져 왔다. 후자는 문헌[B. Tillack "B. Heinemann, D. Knoll "Atomic layer doping of SiGe-fundamentals and device applications", Thin Solid Films, Vol. 369, (2000), p.189-194]; [Y. Kanzawa, K. Nozawa, T. Saitoh and M. Kubo, "Dependence of substitutional C incorporation on Ge content for Si1-x-yGexCy crystals grown by ultrahigh vacuum chemical vapor deposition", Applied Physics Letters, Vol. 77, No. 24, (2000), P. 3962-64] 및 [S. John. E. J. Quinomes, B. Ferguson, S. K Ray, B. Anantharan, S. Middlebrooks, C. B. Mullins, J. Ekerdt, J. Rawlings and S. K.Banerjee,"Properties of Si1-x-yGexCy epitaxial films grown by Ultrahigh Vacuum Chemical Vapor Deposition", Journal of The Electrochemical Society, Vol. 146, No. 12 (1999), P. 4611-4618]에 공지되어 있다. 특히 중요한 한 인자는 치환성 탄소와 간극성 탄소의 결합 사이의 관계로서, 이는 층의 전기적 및 광학적 성질에 영향을 준다. 탄소 치환도, 즉 결합된 치환성 탄소 원자의 분율, 및 결정 품질이 성장 조건에 의해 강하게 영향받는 것으로 여겨진다.
저온에서, 즉 일반적으로 600℃ 이하의 온도에서, 에피택셜층의 성장 속도는 침착 공정 도중 SiH4, Si2H6, SiH2Cl2, GeH4, H2와 같은 분자 가스의 분해로부터 비롯되는 표면 상의 수소 원자의 존재에 의해 제어되는데, 이 때 이것의 탈착 공정은 즉각적이지 않다. 수소압 및 온도의 함수로서의 규소에서의 평형 수소 커버리지(coverage)는 문헌[P. V. Schwartz and J. C. Sturm, "Oxygen incorporation during low temperature chemical vapor deposition growth of epitaxial silicon films", Journal of the Electrochemical Society, Vol. 141, No. 5, (1994), P. 1284-1290]에 논의된 바와 같이 랑무어 모델 흡착에 의해 모델링될 수 있다. 그러나, 에피택셜층의 성장에서, 수소가 현재 캐리어 가스로서 가장 우세하게 선택된다.
수소가 에피택시(epitaxy)에서 가장 중요한 역할을 한다는 것을 이해해야 하고, 이를 아래에서 논의한다. 모든 CVD 공정들은 상기와 같은 이유로 인해 캐리어 가스로서 수소를 사용한다.
저온에서 SiH4와 같은 가스 전구체로부터 CVD에 의해 Si가 성장될 때에, 수소는 표면을 페시베이션(passivation)시켜, 에피택시를 억제하는 오염물에 대해 표면을 불활성화시키는 것으로 알려져 있다. 또한, 수소는 헤테로-층에 대한 계면 단열화(abruptness) 및 성장 도중 표면 흡수 및 확산 감소에 의해 에피택시에 유리할 수 있다고 여겨진다. 또한, 다양한 도판트가 성장 전면 상에 흡수될 때에, 유사 거동이 발견되어 왔다. 이것으로 인해, 문헌[E. Finkman, F. Meyer and M. Mamor, "Short-range order and strain in SiGeC alloys probed by phonons", Journal of Applied Physics, Vol. 89, No. 5 (2001), p. 2580-2587]에 공지된 바와 같이, 실제로 캐리어 가스가 필요하지 않은 분자 빔 에피택시(MBE) 기법에서 수소를 이용하려고 시도된 이유가 설명된다.
또한, 수소 탈착에 대한 게르만(germane)의 효과가 문헌[M. Liehr, C. M. Greenlief, S. R. Kasi and M. Offenberg, "Kinetics of silicon epitaxy using SiH4 in a rapid thermal chemical vapor deposition reactor", Applied Physics Letters, Vol. 56, No. 7, (1990), P.629-631]에 공지되어 있다. 논의된 결과는 SiGe 성장 모델에 폭넓게 사용되고 있고, 게르만이 저온에서 규소의 성장 속도에 상당한 촉매적 효과가 있음이 보고되어 있다. 그 촉매적 효과는 성장 표면 상의 게르마늄 자리로부터 수소 탈착을 증가시켜, 성장 종들의 흡수를 증가시키고, 성장 속도를 증진시킨다. 이 문헌은, 저온 증기 상 에피택시에서 소량의 게르만 첨가가 규소의 유효 성장 속도를 두배 크기로 증가시킬 수 있다고 결론을 내린다. 촉매의 역할에 대한 정확한 메커니즘은 알려져 있지 않지만, 이런 효과는, 레이저, 플라즈마 또는 외적 성장 증진 기술 없이 저온에서 성장 속도를 GexSi1-x 필름에 대해 (100 Å/분)으로 수득할 수 있게 하기 때문에 매우 유리하다.
또한, 문헌[J. Vizoso, F. Martin, J. Sune and M. Nafria, "Hydrogen desorption in SiGe films: A diffusion limited process", Applied Physics Letters, Vol. 70, No. 24, (1997), p. 3287-89]에 논의된 바와 같이, 수소는 SiGe 에피택시에서 계면활성제로서 작용하여, SiGe의 거칠기(roughness) 또는 아일랜드 형성을 초래할 수 있는 3차원적 성장을 억제하는 것으로 알려져 있다.
따라서, 좋은 이유로, 수소를 캐리어 가스로서 선택하는 것이 고려되어 왔고, 일반적으로 수소는 에피택셜 공정에 사용되는 중요한 기체이다.
WO-A-01/14619는 탄화 규소 및/또는 탄화 규소 게르마늄의 에피택셜 성장을 개시하고, 이는 질소를 캐리어 가스로서 사용한다. 그러나, 이 문헌에 개시된 에피택셜 반응기는 극고온, 즉 1100 내지 1400℃의 범위에서 작동하도록 배열된다.
본 발명은, 상기 공지의 방법에 비해 여러 장점을 제공하는, CVD에 의해 규소 기재 상에 에피택셜층을 형성하는 방법의 제공에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 이런 화학 증착 장치의 제공에 관한 것이다.
본 발명의 한 양태에 따르면, 희(noble) 가스 중 하나 또는 질소를 캐리어 가스로서 사용하는 것을 포함하는, 화학 증착에 의해 규소 기재 상에 IV족 원소계 에피택셜층을 침착하는 단계를 포함하는 반도체 디바이스의 제조 방법이 제공된다.
특히, 이런 캐리어 가스는 에피-층의 품질 및 탄소 결합의 제어에 유용하다.
특히, 캐리어 가스로서 질소를 사용하는 것을 통해, 수소를 캐리어 가스로서 사용하는 공지의 Si 에피택시 공정과 비교 시에, 평탄한(smooth) 에피택셜 규소 층을 높은 성장 속도 및 낮은 성장 온도에서 수득할 수 있다.
청구항 제2항 내지 제6항의 특징은 본 발명에 따른 에피택셜 시스템의 일부를 형성할 수 있는 특정 IV족 원소를 보여 준다.
청구항 제7항 내지 제8항의 특징은 침착 속도를 추가로 유용하게 개선하고, 생산 비용을 제한하는 역할을 할 수 있다.
규소, 규소:탄소, 규소 게르마늄 및 규소 게르마늄 탄소의 저온 CVD 에피택시에 대한 캐리어 가스로서의 질소의 사용을 통해, 캐리어 가스로서 수소를 사용하는 공정에서의 본질적인 한계를 상당히 뛰어 넘는 공정의 범위를 증가시킬 수 있다. 캐리어 가스로서 질소를 사용하는 저온 에피택시 공정은, 캐리어 가스로서 수소를 사용하는 저온 에피택시 공정과 비교 시에 상이한 성장 메커니즘을 갖는다. 이는 보다 높은 품질의 물질 및 개선된 탄소 결합을 가능케 한다.
본 발명은, 특히 높은 성장 속도, 높은 탄소 치환도 및 낮은 생산 비용으로 도핑 또는 비도핑된 Si1-x-yGexCy 및 Si1-yCy 에피택셜층을 Si 기재 상에 침착시키기 위해 사용될 수 있다. 또한, 낮은 성장 온도 및 높은 성장 속도의 조합은 높은 Ge 농도를 갖는 변형된(strained) SiGe층의 정상부에서의 Si 캡 층과 같은 낮은 열적 버젯(budget)을 필요로 하는 용도에서 매력적이다.
본 발명은 오직 예시만을 목적으로 하는 첨부된 도면을 참고하여, 이후에서 추가로 기술된다.
도 1은 수소 대신 질소를 캐리어 가스로서 사용하는 경우에서, 성장 속도의 온도 의존성을 보여주는 그래프이다.
도 2는 웨이퍼 상의 두께 및 게르마늄 농도 균일도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 캐리어 가스로서 질소를 사용하는 이점을 보여주는 추가적 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따라 사용하기 위한 화학 증기 상 침착 장치를 보여주는 개략적 블록 다이어그램이다.
실험은 상업적 감압 화학 증착 반응기에서 실시되었고, 다음 내용은 SiGe 성장에 대한 기본 효과에 관한 것이다.
수소 및 질소를 캐리어 가스로서 사용한 온도의 함수로서의 SiGe의 성장 속도가 도 1에 도시된다. 질소에 대한 성장 조건은 다음과 같다:
압력=40Torr, N2=33slm, SiH4=5sccm, GeH4 =150sccm.
수소 트래이스(trace)에 대해서는 다음과 같다:
압력=40Torr, H2=33slm, SiH4=20sccm, GeH4 =150sccm.
이는, 수소를 캐리어 가스로서 사용한 SiGe의 성장 속도에 비해, 질소를 캐리어 가스로서 사용한 SiGe의 성장 속도가 저온에서 10배 증가될 수 있음을 명확하게 보여준다. 또한, 오직 규소만을 성장시킬 때에 유사한 효과가 관찰되었는데, 이 경우 캐리어 가스가 수소에서 질소로 전환된 때에 성장 속도가 6배 증가된다(575℃ 및 400sccm의 실레인 유동에서).
성장 속도에 대한 캐리어 가스 종의 효과를 크게 하기 위해, 동일한 일반 성장 조건(즉, 캐리어 가스 유동, 성장 온도 및 총 압력 등)이 사용되었다. 이는, 실제로 적용시에는 불허되는, 웨이퍼 상에서의 매우 불균일한 에피-층의 SiGe 두께 및 15% 범위의 Ge 농도를 초래한다.
반도체 산업에서, 에피택셜층의 두께 및 성분 농도의 균일성이 가장 중요하다. 이 점에서, 반응기의 설계 및 특히 웨이퍼 위치에 대한 가스 유동의 방향 및 크기는 결정적인 인자이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 평탄하고 균일한 SiGe(C) 에피-층은 캐리어 가스로서 질소의 사용 및 상이한 성장 파라미터의 조정을 통해 성장될 수 있다.
도 3은, 수소를 사용한 경우와 비교하여, 질소를 캐리어 가스로서 사용하는 장점을 추가로 도시한 것이다. 특히, 도 3은 저온 규소 에피택시로써 성취된 장점을 도시하고, 도시된 바와 같이 P=40Torr 및 N2=15slm의 성장 조건에 대해서, 평탄한 에피택셜 규소 층이 비교적 높은 성장 속도 및 낮은 성장 온도에서 성취될 수 있음을 보여준다. 따라서, 탄소 결합이 개선된 고품질의 물질이 산출될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따라 사용하기 위해 배열된 화학 증착 장치(10)를 도시한 것으로, 한 쪽 말단에는 가스 주입구(14)를, 다른 쪽 말단에는 가스 배출구(16)를 갖는 긴 챔버(12)를 포함한다. 챔버(12)는 규소 기재(20)가 위치하는 축받이 마운트(18)를 구비한다.
주입구(14)를 통해 챔버 내로 가스가 도입되고, 이로부터 배출구(16)를 통해 배출되는 방식으로 챔버(12) 내의 압력이 제어될 수 있다. 주입구(14)는 복수의 공급원으로부터 가스를 주입시키는 가스 패니폴드(22)와 연결된다. 예시적 예에서, 제 1 공급원(24)은 제 1 가스를 공급 라인(26)을 통해 가스 매니폴드(22)로 공급시키고, 제 2 가스 공급원(28)은 공급 라인(30)을 통해 가스 매니폴드(22)로 가스를 공급하도록 배열된다.
가스 공급원의 총 개수는 당연히 기재(20) 상에 형성되는 에피택셜층에 대해 요구되는 만큼 배열될 수 있다.
시험은 575℃의 성장 온도에서 실시되었다. 이 온도에서, 성장 속도는 실레인 유동에 따라서 물질 수송을 제어하거나, 확산을 제어하고, 적은 결함 밀도를 갖는 약 10nm/분의 성장 속도가 수득되었다. Si 전구체 가스로서의 SiH4 및 SiH2Cl2 가스의 조합물은 성장 온도에 따라서 대체될 수 있다. 550℃ 미만의 온도에서, 성장의 부산물로서 표면에서 생성된 수소 원자가 Si 표면을 페시베이션한 것으로 여겨진다.
Si 중에서의 낮은 탄소 고형물 용해도는 규소에서의 탄소 결합을 임계 공정으로 하는 것으로 알려져 있다.
캐리어 가스로서의 질소 및 실레인을 사용하여 550℃의 성장 온도에서 고품질의 규소 탄소 에피택셜층을 성장시킬 수 있음이 입증되었다.
평탄한 고품질의 물질이 본 발명에 따라 성장될 수 있다. 질소에 대한 성장 조건은 다음과 같다:
압력=40Torr, N2=33slm, SiH4=5sccm, GeH4 =150sccm.
수소에 대해서는 다음과 같다:
압력=20 내지 40Torr, H2=33slm, SiH4=20sccm, 및 GeH4 =150sccm.
이해되는 바와 같이, 캐리어 가스로서 질소의 사용을 통해, 고품질의 평탄한 규소 게르마늄 탄소 에피택셜층이 예컨대 게르마늄 농도를 20원자%로, 그리고 탄소 농도를 1.3% 이하로 성장되었다. 이런 예에 대한 성장 조건은 525℃의 침착 온도, 15slm의 질소 유동, 20sccm의 실레인(SiH4) 유동, 150sccm의 게르만(GeH4) 유동 및 0 내지 20sccm의 메틸-실레인(SiH3CH3) 유동을 포함했고; 그 결과는 질소를 캐리어 가스로서 사용 시에 본 발명의 공정의 이점을 명확하게 보여준다. 당연히, 치환성 탄소 농도는 성장 온도의 저하 및 마노-메틸-실레인 유동의 증가에 의해 증가될 수 있다.
본 발명은 상업적 CVD 반응기에서 Si 기재 상에 IV족 원소 Si, Ge, C계 에피택셜층을 침착하는 방법을 기술한 것으로, 상술된 바와 같이, 캐리어 가스로서 질소 또는 희 가스를 유용하게 사용하여, 수소를 캐리어 가스로서 사용하는 현재의 표준 공정과 비교 시에, 높은 치환성 탄소 함량을 갖는 고품질의 에피택셜 물질을 보다 적은 생산 비용으로 성장시킨다.

Claims (10)

  1. 희(noble) 가스 또는 질소를 캐리어 가스로서 사용하는 것을 포함하는, 화학 증착에 의해 규소 기재 상에 IV족 원소계 에피택셜층을 침착하는 단계를 포함하는 반도체 디바이스의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    규소, 게르마늄 및/또는 탄소계 에피택셜층을 형성하기 위해 사용되는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    에피택셜층이 Si1-yCy를 포함하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    에피택셜층이 SiGe 에피택셜층을 포함하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    에피택셜층이 Si1-x-yGexCy 에피택셜층을 포함하는 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    에피택셜층이 규소 에피택셜층을 포함하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    저온에서 실시되는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    약 600℃ 미만의 온도에서 실시되는 방법.
  9. 가스 주입구(14)와 가스 배출구(16), 및 챔버(12) 내에 규소 기재를 위치시키기 위한 수단(18)을 갖는 챔버(12)를 포함하는 화학 증착 장치(10)로서,
    상기 장치(10)는 주입구(14)에 연결되고, 캐리어 가스로서 질소 또는 희 가스를 제공하기 위해 배열된 가스 공급원(24)을 추가로 포함하는 화학 증착 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에서 청구된 방법에 따라 에피택셜층을 침착하기 위해 배열된 장치.
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