KR20150003787A - 에피택셜 게르마늄 주석 합금 표면을 준비하는 방법 - Google Patents

에피택셜 게르마늄 주석 합금 표면을 준비하는 방법 Download PDF

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Abstract

후속 퇴적을 위해 게르마늄 주석 또는 실리콘 게르마늄 주석 층들의 세정된 표면을 준비하는 방법이 제공된다. 노출된 게르마늄 주석 또는 실리콘 게르마늄 주석 층을 갖는 기판을 처리 챔버 내에 위치시키는 단계, 처리 챔버를 가열하는 단계, 및 열 또는 플라즈마 보조 에칭을 이용하여 기판의 표면을 에칭하기 위해 할로겐화물 가스를 처리 챔버 내로 유동시킨 다음, 산화물 및 오염물질이 실질적으로 없는 표면 상에 상부층을 퇴적하는 단계에 의해, 준비된 GeSn 또는 SiGeSn 층 상에 Ge, 도핑된 Ge, 다른 GeSn 또는 SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 또는 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속의 상부층이 퇴적될 수 있다. 방법들은 또한 희생 층의 배치 및 에칭, 급속 열 어닐링을 이용한 열 세정, 또는 질소 삼불화물 및 암모니아 가스의 플라즈마 내에서의 프로세스를 포함할 수 있다.

Description

에피택셜 게르마늄 주석 합금 표면을 준비하는 방법{METHOD OF EPITAXIAL GERMANIUM TIN ALLOY SURFACE PREPARATION}
여기에 설명되는 기술은 후속 퇴적을 위한 게르마늄 주석(GeSn) 또는 실리콘 게르마늄 주석(SiGeSn) 층들의 표면 준비(surface preparation)에 관한 것이다.
게르마늄은 CMOS 트랜지스터와 같은 반도체 응용을 위해 이용된 최초의 재료들 중 하나였다. 그러나, 게르마늄에 비해 실리콘이 대단히 풍부하기 때문에, CMOS 제조를 위해 선택되는 압도적인 반도체 재료는 실리콘이었다. 무어의 법칙(Moore's Law)에 따라 장치 기하형상이 감소함에 따라, 트랜지스터 컴포넌트들의 크기는, 더 작고 더 빠르고 더 적은 전력을 사용하며 더 적은 열을 발생시키는 장치들을 만들기 위해 노력하는 엔지니어들에게 도전과제를 제기한다. 예를 들어, 트랜지스터의 크기가 감소함에 따라, 트랜지스터의 채널 영역이 작아지고, 채널의 전자적 속성들의 실현가능성은 더 낮아지며, 더 큰 비저항과 더 높은 임계 전압을 갖게 된다.
소스/드레인 영역들 내에 삽입된 실리콘 게르마늄 스트레서들(silicon-germanium stressors)을 이용함으로써, 실리콘 채널 영역 내의 캐리어 이동도(carrier mobility)가 증가하며, 이는 실리콘의 고유 이동도(intrinsic mobility)를 증대시킨다. 그러나, 장래의 노드들을 위해서는, 훨씬 더 높은 이동도의 장치들이 필요하다.
pMOSFET을 위한 게르마늄과 같이, 실리콘보다 더 높은 이동도의 재료로의 전환이 제안되어 왔다. 그러나, 게르마늄에 스트레인(strain)이 가해지지 않는다면, 게르마늄의 이동도는 스트레인드 실리콘(strained silicon)보다 우수하지 않다. 최근, 소스 드레인 영역 상에 성장된 게르마늄 주석(GeSn)이 우수한 게르마늄 pMOSFET 채널을 만드는 데에 필수적인 스트레인을 갖는다는 것이 밝혀졌으며, 이는 게르마늄/GeSn 격자 부정합을 활용한다. GeSn 및 실리콘 게르마늄 주석(SiGeSn) 또한 Ge보다 훨씬 더 높은 이동도를 갖고, 따라서 그들은 잠재적으로는 채널 응용들에서 단독으로 이용될 수 있다.
그러나, GeSn 층의 형성 및 후속 처리 동안, 표면은 다른 불순물들에 의해 영향을 받거나 산화될 수 있고, 이는 임의의 상부층(overlayer)의 후속 퇴적에 영향을 준다. 상부층 재료는 Ge, 도핑된 Ge, GeSn 층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속을 포함할 수 있다. 실리콘 표면과 달리, 게르마늄 표면은 산화물 형성에 의해 효과적으로 패시베이션(passivate)되지 않는다. 대기 조건(atmospheric conditions) 하에서의 불안정한 게르마늄 산화물의 형성은 표면 내의 점 결함들을 야기하고, 이는 후속하여 퇴적되는 층들 내에 결함을 야기할 수 있다. 따라서, 후속하는 상부층 퇴적을 위해 GeSn 또는 SiGeSn의 표면을 준비하는 방법이 필요하다.
후속 퇴적을 위해 게르마늄 주석(GeSn) 또는 실리콘 게르마늄 주석(SiGeSn) 층들의 표면을 준비하는 방법이 제공된다. 하나 이상의 실시예에서, 노출된 GeSn 또는 SiGeSn 층을 갖는 기판을 처리 챔버 내에 위치시키는 단계, 처리 챔버를 제1 온도까지 가열하는 단계, 제1 온도에서 할로겐화물 가스와 같은 에칭 가스를 처리 챔버 내로 유동시키는 단계, 제1 온도에서 열 에칭(thermal etching) 또는 플라즈마 보조 에칭(plasma assisted etching)을 이용하여 기판의 표면을 에칭하는 단계, 세정된 표면의 최상부에 상부층(overlayer)을 퇴적하는 단계 - 상부층은 Ge, 도핑된 Ge, GeSn 층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속을 포함함 - 에 의해, 준비된 GeSn 또는 SiGeSn 층 상에 Ge, 도핑된 Ge, GeSn층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속의 층이 퇴적될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 게르마늄 주석(GeSn) 또는 실리콘 게르마늄 주석(SiGeSn) 층들의 표면을 준비하는 방법은, GeSn 또는 SiGeSn 층의 표면 상에 20Å 내지 40Å 두께일 수 있는 보호용 희생 캡 게르마늄 층(sacrificial protective cap germanium layer)을 퇴적하는 단계 - 게르마늄 층은 GeSn 또는 SiGeSn 층 형성 후에, 그리고 웨이퍼를 처리 챔버 밖으로 이송하기 전에 퇴적됨 - , 웨이퍼를 추가의 퇴적이 수행될 제2 처리 챔버로 이송하는 단계, 제2 처리 챔버를 제1 온도까지 가열하는 단계, 제1 온도에서 할로겐화물 가스를 제2 처리 챔버 내로 유동시키는 단계, 세정된 표면 최상부에 다른 층을 퇴적하기 전에 희생 게르마늄 층을 제거하고 세정된(clean) GeSn 또는 SiGeSn 표면을 노출시키기 위해, 제1 온도에서 열 에칭 또는 플라즈마 보조 에칭을 이용하여 기판의 표면을 에칭하는 단계를 포함할 수 있으며, 상부층은 Ge, 도핑된 Ge, GeSn 층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 게르마늄 주석(GeSn) 또는 실리콘 게르마늄 주석(SiGeSn) 층들의 표면을 준비하는 방법은, 노출된 GeSn 또는 SiGeSn 층을 갖는 기판을 처리 챔버 내에 위치시키는 단계, 일정한 압력을 유지하면서 H2를 챔버 내로 유동시키는 단계, H2의 유동을 유지하면서 챔버를 제1 온도까지 가열하는 단계 - 온도는 450℃보다 높고, 짧은 기간 동안 유지될 수 있음 - , 챔버에의 H2 유동을 중단하는 단계, 세정된 GeSn 또는 SiGeSn 표면의 최상부에 다른 층을 퇴적하기 전에, 챔버를 400℃ 미만일 수 있는 제2 온도까지 냉각하는 단계를 포함할 수 있고, 상부층은 Ge, 도핑된 Ge, GeSn 층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 세정된 GeSn 또는 SiGeSn 표면을 준비하는 방법은 처리 챔버 내에 기판을 위치시키는 단계 - 기판은 노출된 GeSn 또는 SiGeSn 층을 포함함 - , 처리 챔버를 제1 온도로 조절하는 단계, 염 혼합물(salt mixture)을 형성하기 위해 제1 온도에서 NF3 및 NH3 플라즈마 가스 혼합물을 처리 챔버 내로 유동시키는 단계 - 염 혼합물은 표면 오염물질들을 포함함 - , 염 혼합물을 승화시키기 위해 기판을 제2 온도까지 가열하는 단계, 세정된 기판을 진공이 유지되는 퇴적 챔버 내에 위치시키는 단계, 및 세정된 표면의 최상부에 상부층을 퇴적하는 단계를 포함할 수 있고, 상부층은 Ge, 도핑된 Ge, GeSn 층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속 중 하나를 포함한다.
할로겐화물 가스는 염소 또는 염화 수소를 포함할 수 있다. 도펀트는 붕소(B), 인(P), 또는 비소(As) 중 하나를 포함할 수 있다.
위에서 언급된 본 발명의 특징들이 상세하게 이해될 수 있도록, 위에 간략하게 요약된 본 발명의 더 구체적인 설명은 실시예들을 참조할 수 있으며, 그들 중 일부는 첨부 도면들에 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 동등한 효과의 다른 실시예들을 허용할 수 있으므로, 첨부 도면들은 본 발명의 전형적인 실시예들만을 도시하며, 따라서 그것의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점에 주목해야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 방법을 요약한 흐름도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 방법을 요약한 흐름도이다.
도 3은 추가의 실시예에 따른 방법을 요약한 흐름도이다.
도 4는 추가의 실시예에 따른 방법을 요약한 흐름도이다.
이해를 쉽게 하기 위해, 가능한 경우에는 도면들에 공통인 동일한 구성요소를 지칭하는 데에 동일한 참조 번호들이 이용되었다. 일 실시예에 개시된 구성요소들은 구체적인 언급 없이도 다른 실시예들에서 유리하게 이용될 수 있을 것으로 생각된다.
후속 퇴적을 위해 게르마늄 주석(GeSn) 또는 실리콘 게르마늄 주석(SiGeSn) 층들의 표면을 준비하는 방법이 제공된다. 방법들은 이하의 도면들을 참조하여 더 상세하게 설명된다.
도 1은 일 실시예에 따른 방법(100)을 요약한 흐름도이다. 반도체 기판은 단계(102)에서 처리 챔버 내에 위치된다. 반도체 기판은 스트레서 층, 또는 임의의 다른 기능의 상부층이 그 위에 형성될 임의의 반도체 재료일 수 있다. 일례에서, GeSn 또는 SiGeSn 층이 그 위에 형성된 실리콘 또는 게르마늄 기판이 이용될 수 있다. 반도체 기판은 GeSn 또는 SiGeSn 층 상에 형성된 산화물 또는 표면 오염물질들의 영역들을 가질 수 있는데, 그들은 진공 환경과 주변 환경 간에서의 이송 단계들에서 생성될 수 있다. 예를 들어, 소스/드레인 영역의 형성과 추가의 퇴적 이전의 마스킹의 제거 간에서의 이송 단계들 동안, 산화물이 형성될 수 있고 표면 오염물질들이 축적될 수 있다.
단계(104)에서, 처리 챔버는 제1 온도까지 가열된다. 제1 온도는 300℃ 내지 400℃일 수 있고, 이는 후속 단계들을 위해 GeSn 또는 SiGeSn 층을 준비하도록 선택된다. 온도 선택은 층의 두께, 및 선택된 온도에서 층이 머무를 시간의 양을 포함하는 다수의 요인에 의존한다.
GeSn 또는 SiGeSn 층들 및 증가된 온도에서 예상되는 주된 문제점은 GeSn 또는 SiGeSn 격자로부터의 Sn 분리(segregation)이다. 게르마늄 결정은 통상적으로 약 566pm의 단위 셀 치수를 갖는 입방체 구조를 갖는다. 각각의 게르마늄 원자는 약 125pm의 반경을 갖고, 주석 원자들은 약 145pm의 반경을 갖는다. 게르마늄 결정 매트릭스에 더 큰 금속 원자들을 첨가하면, 측면 게르마늄 원자들(lateral germanium atoms)에 단축 압축 응력(uniaxial compressive stress)을 가하고/거나 상부 게르마늄 원자들에 이축 인장 스트레인(biaxial tensile strain)을 가하는 더 큰 격자 크기가 야기된다. 그러한 스트레인은 국지적 전자들의 에너지를 증가시키고, 게르마늄의 밴드갭을 감소시켜서, 스트레인되지 않은 게르마늄(unstrained germanium)에 비해 더 높은 캐리어 이동도(carrier mobility)를 야기한다.
일 양태에서, 실리콘 또는 게르마늄 기판은 게르마늄 채널 층을 가질 수 있으며, 그에 인접하여 스트레서 층이 트랜지스터 게이트 구조물의 일부로서 형성된다. 이러한 경우에서의 GeSn 또는 SiGeSn 스트레서는 이웃하는 게르마늄 층에 단축 응력을 가한다. 다른 양태에서, 이축 인장 스트레인이 게르마늄 채널 층에 가해지도록, 게르마늄 채널 층이 스트레서 층 위에 퇴적된다. 그러나, 온도가 지나치게 높거나, 높은 온도에서 지나치게 오래 있는 경우, 주석이 게르마늄 결정 매트릭스로부터 부분적으로 또는 완전하게 분리될 수 있어, 밴드갭에 대한 응력 이익을 감소시킨다. 이와 같이, 특정 온도에서 소비되는 시간은 모든 단계들에 대하여 고려되어야 한다.
단계(106)에서, 제1 온도에서 에칭 가스가 처리 챔버 내로 유동된다. 에칭 가스는 할로겐화물 가스일 수 있다. 할로겐화물 가스는 염소 또는 염화 수소와 같은 가스일 수 있다. 그러나, 에칭 프로세스에 대해 임의의 할로겐화물 가스가 예상된다. 상술한 온도의 선택은 할로겐화물 가스의 선택에 의해서도 영향을 받을 수 있다. 염소로 표면 산화물 층 또는 오염물질들을 제거하기 위한 짧은 에칭을 위한 예시적인 온도는 300℃로 낮을 수 있다. 일 실시예에서 염화 수소를 이용할 때, 에칭 온도는 350℃ 내지 370℃로 낮을 수 있다. 에칭 가스는 예컨대 약 10 sccm 내지 약 300 sccm, 예컨대 약 50 sccm 내지 약 200 sccm, 예를 들어 약 100 sccm의 유량에서 챔버 내로 유동될 수 있다. 에칭 가스가 또한 캐리어 가스와 혼합되어, 처리 챔버 내에서의 원하는 공간 속도(space velocity) 및/또는 혼합 성능을 달성할 수 있다.
에칭 가스가 챔버 내에 존재하고 나면, 단계(108)에서 GeSn 또는 SiGeSn 층의 표면으로부터 표면 산화물 또는 오염물질들이 세정될 수 있다. 에칭 프로세스는 순수한 열 에칭 또는 플라즈마 보조 에칭 프로세스를 이용하여 행해질 수 있다. 플라즈마 보조 프로세스를 이용할 때, 에칭 온도들은 순수한 열 에칭 프로세스보다 낮을 수 있다. 예상할 수 있는 바와 같이, 플라즈마가 더 낮은 온도에서 수행될 수 있기 때문에, 프로세스는 Sn 분리가 발생하기 전의 더 긴 기간 동안 행해질 수 있다.
단계(110)에서, 세정된 GeSn 또는 SiGeSn 층의 표면 상에 상부층이 퇴적된다. 상부층은 Ge, 도핑된 Ge, GeSn 층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속으로 구성될 수 있다. 상부층으로서 이용가능한 절연체들은 반도체 응용에서 이용가능한 알려진 절연체들 전부의 목록을 포함하며, 예시적인 실시예들은 게르마늄 산화물 또는 실리콘 산화물을 포함한다. 상부층 내에서 이용가능한 금속들은 반도체 응용에서 이용가능한 알려진 금속들 전부의 목록을 포함하며, 예시적인 실시예들은 니켈 및 백금을 포함한다.
상부층은 화학적 기상 증착(CVD) 또는 물리적 기상 증착(PVD)과 같이, 설명된 층들을 퇴적하기 위해 본 기술분야에 알려진 임의의 기법에 의해 퇴적될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 게르마늄 산화물 및 실리콘 산화물은 CVD 프로세스에 의해 퇴적될 수 있다. 다른 실시예들에서, 니켈 또는 백금은 PVD 프로세스에 의해 컨택트들을 형성하도록 퇴적될 수 있다. 하나 이상의 CVD 프로세스들에서, 프리커서들은 질소 가스, 수소 가스, 또는 헬륨 또는 아르곤과 같은 희가스(noble gas), 또는 그들의 조합과 같은 비반응성 가스일 수 있는 불활성 가스(inert gas)와 혼합될 수 있다. 층 내에 포함될 수 있는 도펀트는 인, 붕소 또는 비소를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상부층은 종래의 CVD 프로세스들에 의해 퇴적될 수 있는 도핑된 게르마늄 층일 수 있다. 게르마늄 프리커서는 게르만(germane)(GeH4) 또는 고차 수소화물(higher hydrides)(GexH2x +2), 또는 그들의 조합과 같은 게르마늄 수소화물일 수 있다. 게르마늄 프리커서는 도펀트 소스 가스와 함께 전달될 수 있다. 도펀트 소스 가스는 디보란(diborane), 포스핀(phosphine), 아르신(arsine) 또는 그들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 처리 챔버 내에서의 원하는 공간 속도 및/또는 혼합 성능을 달성하기 위해, 도펀트는 질소 가스, 수소 가스, 또는 헬륨 또는 아르곤과 같은 희가스, 또는 그들의 조합과 같은 비반응성 가스일 수 있는 불활성 가스와 혼합될 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 방법(200)을 요약한 흐름도이다. 반도체 기판은 단계(202)에서 제1 처리 챔버 내에 위치된다. 앞에서 논의된 바와 같이, 반도체 기판은 스트레서 층이 그 위에 형성될 임의의 반도체 재료일 수 있다. 일례에서, GeSn 또는 SiGeSn 층이 그 위에 형성된 실리콘 또는 게르마늄 기판이 이용될 수 있다.
단계(204)에서, GeSn 또는 SiGeSn 층이 기판의 표면 상에 형성될 수 있다. GeSn 또는 SiGeSn 층은 MOCVD와 같은 본 기술분야에 알려진 임의의 방법에 의해 형성될 수 있다. 이 시점에서, GeSn 또는 SiGeSn 층의 오염을 방지하기 위해, 제1 처리 챔버는 밀봉된 채로 유지되어야 한다.
단계(206)에서, 보호용 희생 캡 게르마늄 층이 기판의 표면 상에 퇴적될 수 있다. 게르마늄 프리커서는 전형적으로 게르만(GeH4), 디게르만(digermane)(Ge2H6) 또는 고차 수소화물(GexH2x +2), 또는 그들의 조합과 같은 게르마늄 수소화물이다. 게르마늄 프리커서는 질소 가스, 수소 가스, 또는 헬륨 또는 아르곤과 같은 희가스, 또는 그들의 조합과 같은 비반응성 가스일 수 있는 불활성 가스와 혼합될 수 있다. 캐리어 가스 유량에 대한 게르마늄 프리커서 용적 유량의 비율은 챔버를 통한 가스 유동 속도를 제어하기 위해 이용될 수 있다. 비율은 요구되는 유동 속도에 따라, 약 1% 내지 약 99%의 임의의 비율일 수 있다.
단계(206)에서의 보효용 희생 캡 게르마늄 층은 처리 챔버 밀봉이 파괴되기 전에, 그리고 웨이퍼가 처리 챔버로부터 이송되기 전에 퇴적되어야 한다. 또한, 그것은 GeSn 또는 SiGeSn 층이 퇴적된 후에 동일 챔버 내에서 순차적으로 퇴적된다. GeSn 또는 SiGeSn 층은, 게르마늄 층이 GeSn 또는 SiGeSn 층의 표면 위에 퇴적될 때까지, 산소 또는 다른 가능한 오염물질들에 노출되지 않아야 한다는 것이 중요하다. 보호용 희생 캡 게르마늄 층은 GeSn 또는 SiGeSn 층의 표면의 오염 없이 현재의 처리 챔버의 개방(opening)을 허용하거나 챔버들 간에서 GeSn 또는 SiGeSn 층을 갖는 기판의 이송을 허용하는 배리어로서 작용할 수 있다.
이 단계에서의 보호용 희생 캡 게르마늄 층은 노출된 실리콘, 게르마늄, GeSn 또는 SiGeSn 층 또는 포토레지스트들 위에서와 같이, 노출된 표면들 전체에 걸쳐 퇴적될 수 있다. 보호용 희생 캡 게르마늄 층은 처리 챔버로부터의 이송 전에, GeSn 또는 SiGeSn 층 위의 보호용 코팅으로서 이용된다. 보호용 희생 캡 게르마늄 층은 비교적 얇을 수 있다. 일부 실시예들에서, 게르마늄 층은 20Å-100Å 두께, 예컨대 20Å-40Å 두께, 바람직한 실시예에서는 20Å 두께일 수 있다.
보호용 희생 캡 게르마늄 층은 위에서 나열된 프리커서들을 이용하는 CVD 프로세스에 의해 퇴적될 수 있다. 게르마늄 층의 성장은 높은 구조적 품질을 위해 일반적으로 에피택셜이다. 처리 챔버 내의 압력은 약 20 Torr 내지 약 200 Torr로, 예컨대 약 20 Torr 내지 약 80 Torr로, 예를 들어 약 40 Torr로 유지될 수 있다. 온도는 약 150℃ 내지 약 500℃, 예컨대 약 300℃ 내지 약 450℃, 예컨대 약 300℃이다. 일부 실시예들에서는, 압력이 약 20 Torr 미만일 수 있지만, 감소된 압력은 퇴적률도 감소시킨다. 이러한 조건들에서의 퇴적률은 약 50Å/min 내지 약 500Å/min이다.
단계(208)에서, 기판이 제2 처리 챔버로 이송될 수 있다. 이전 단계에서 GeSn 또는 SiGeSn 층 위에 퇴적된 게르마늄 층은 이송 동안 산화되고 오염될 것이지만, 그것은 GeSn 또는 SiGeSn 층의 산화 또는 다른 오염을 방지할 것이다.
단계(210)에서, 제2 처리 챔버는 제1 온도까지 가열된다. 제1 온도는 300℃ 내지 400℃일 수 있고, 이는 후속 단계들을 위해 GeSn 또는 SiGeSn 층을 준비하도록 선택된다. 온도 선택은 위에서 더 상세하게 설명된 바와 같이, 두께 및 시간과 같은 유사한 인자들에 의존한다.
단계(212)에서, 제1 온도에서 에칭 가스가 제2 처리 챔버 내로 유동된다. 에칭 가스는 할로겐화물 가스일 수 있다. 할로겐화물 가스는 염소 또는 염화 수소와 같은 가스일 수 있다. 그러나, 에칭 프로세스에 대해 임의의 할로겐화물 가스가 예상된다. 상술한 온도의 선택은 할로겐화물 가스의 선택에 의해서도 영향을 받을 수 있다. 염소로 표면 산화물 층 또는 오염물질들을 제거하기 위한 짧은 에칭을 위한 알려진 온도는 300℃로 낮을 수 있다. 일 실시예에서 염화 수소를 이용할 때, 에칭 온도는 350℃ 내지 370℃로 낮을 수 있다. 에칭 가스는 예컨대 약 10 sccm 내지 약 300 sccm, 예컨대 약 50 sccm 내지 약 200 sccm, 예를 들어 약 100 sccm의 유량에서 챔버 내로 유동될 수 있다. 에칭 가스가 또한 캐리어 가스와 혼합되어, 처리 챔버 내에서의 원하는 공간 속도 및/또는 혼합 성능을 달성할 수 있다.
에칭 가스가 챔버 내에 존재하고 나면, 단계(214)에서 GeSn 또는 SiGeSn 층의 표면으로부터 보호용 희생 캡 게르마늄 층이 에칭될 수 있다. 에칭 프로세스는 순수한 열 에칭 또는 플라즈마 보조 에칭 프로세스를 이용하여 행해질 수 있다. 플라즈마 보조 프로세스를 이용할 때, 에칭 온도들은 순수한 열 에칭 프로세스보다 낮을 수 있다. 예상할 수 있는 바와 같이, 플라즈마가 더 낮은 온도에서 수행될 수 있기 때문에, 프로세스는 GeSn 또는 SiGeSn으로부터의 주석 분리가 발생하기 전의 더 긴 기간 동안 행해질 수 있다. 본 실시예에서는, 보호용 희생 캡 게르마늄 층만이 이전 처리 단계들 이후에 대기 조건들에 노출되었고, 이는 GeSn 또는 SiGeSn 층 상의 산화물 형성 또는 오염물질을 방지한다. 따라서, 보호용 희생 캡 게르마늄 층을 제거함으로써, 새롭게 노출된 GeSn 또는 SiGeSn 층은 산화물 및 오염물질을 실질적으로 갖지 않고, 후속 단계들에서의 퇴적에 대해 준비된다.
단계(216)에서, 세정된 GeSn 또는 SiGeSn 층의 표면 상에 상부층이 퇴적된다. 앞에서 언급된 바와 같이, 상부층은 Ge, 도핑된 Ge, GeSn 층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속으로 구성될 수 있다. 상부층은 CVD 또는 PVD와 같이, 그러한 층들의 퇴적에 대해 본 기술분야에 알려져 있는 임의의 기법에 의해 퇴적될 수 있다. 도 1을 참조하여 설명된 것과 같은 상부층 퇴적을 위한 다른 파라미터들 및 예시적인 실시예들도 물론 여기에 적용가능하다. 간단히 하기 위해, 그들은 여기에 참조에 의해 포함된다.
도 3은 다른 실시예에 따른 방법(300)을 요약한 흐름도이다. 반도체 기판은 단계(302)에서 급속 열 처리 챔버 내에 위치된다. 앞에서 논의된 바와 같이, 반도체 기판은 스트레서 층, 또는 임의의 다른 기능의 층이 그 위에 형성될 임의의 반도체 재료일 수 있다. 일례에서, GeSn 또는 SiGeSn 층이 그 위에 형성되는 실리콘 또는 게르마늄 기판이 이용될 수 있다.
단계(304)에서 H2가 처리 챔버 내로 유동될 수 있다. H2의 유동은 일정한 압력에서 유지될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 압력은 20 torr 내지 200 torr로 유지될 수 있다.
단계(306)에서, H2 유동을 유지하면서 챔버가 제1 온도까지 가열될 수 있다. 챔버는 400℃보다 높은 온도까지 가열된다. 높은 온도들은 노출된 GeSn 또는 SiGeSn 표면 상의 표면 산화물 층 또는 오염물질들의 열 탈착(thermal desorption)을 야기할 수 있다. 앞에서와 같이, 가열 프로세스들 동안 GeSn 또는 SiGeSn 층의 Sn 분리를 방지하는 것이 고려되어야 한다. GeSn 또는 SiGeSn 층의 열적 안정성은 층의 두께, 최종 온도, 특정 온도에서 존재하는 시간(the time in the presence of a specific temperature), 및 대기를 포함하는 다수의 인자에 의해 제어된다. GeSn 또는 SiGeSn 층의 일 실시예는 500℃에서 15분 동안 안정되게 유지될 것으로 예상될 수 있다.
일정한 H2 유동은 높은 온도들의 존재 하에서 표면 산화물 및/또는 오염물질들의 열 탈착을 증가시킬 수 있다. 이론에 속박되는 것을 의도하지 않고서, H2의 일정한 유동은 적어도 2가지 메커니즘에 의해 표면 산화물들의 제거를 증대시킬 수 있다. 일 양태에서, H2는 표면 산화물들과 반응하여 휘발성 종들(volatile species)을 형성할 수 있으며, 다음으로, 그 휘발성 종들이 챔버로부터 제거될 수 있다. 다른 양태에서, 열 탈착은 이전에 탈착된 산화물 또는 오염물질 종들의 대기를 제거(purging)하고, 그에 의해 산화물 또는 오염물질 종들의 부분압을 감소시키는 것에 의해 도움을 받을 수 있다.
이러한 방법의 하나 이상의 실시예에서, 열 처리는 플래시 램프와 같은 UV 소스의 사용에 의해 도움을 받을 수 있다. RTP 리액터 내의 전형적인 종래의 전구들은 넓은 파장 광(broad wavelength light)을 생성한다. 이러한 광의 긴 파장은 생성되는 낮은 에너지를 나타낸다. UV 소스를 이용함으로써, 산화물은 급속 열 어닐링 처리만을 단독으로 이용하는 경우보다, 더 낮은 온도에서, 또는 더 짧은 시간 프레임에 걸쳐서 GeSn 또는 SiGeSn 층의 표면으로부터 탈착될 수 있다.
GeSn 또는 SiGeSn 층이 산화물 및 오염물질들을 실질적으로 갖지 않게 되면, 단계(308)에서, 대기 내로의 H2의 유동이 중단될 수 있다. GeSn 또는 SiGeSn 층은 열 탈착 후에 약간의 손실을 경험할 것으로 예상된다. 또한, 20Å 미만의 얇은 게르마늄 층이 450℃를 초과하는 온도와 같은 높은 온도에서의 열 처리에 의해 제거될 수 있다는 점을 고려하면, 여기에서의 기법들 간에 약간의 중첩이 있다.
H2 유동이 중단된 후, 단계(310)에서, 온도는 400℃ 미만으로 냉각될 수 있다. 급속 열 어닐링 프로세스들에서 이용되는 온도들은 나열된 최대 온도들보다 높을 수 있는데, 왜냐하면 그들은 매우 짧은 기간을 위한 것이기 때문이다. 그러한 것으로서, GeSn 또는 SiGeSn 결정 격자로부터의 주석의 분리를 방지하기 위해, 산화물 또는 오염물질 종들이 탈착되고 나서 최대한 빨리 온도가 하강되어야 한다.
단계(312)에서, 세정된 GeSn 또는 SiGeSn 층의 표면 상에 상부층이 퇴적된다. 앞에서 언급된 바와 같이, 상부층은 Ge, 도핑된 Ge, GeSn 층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속으로 구성될 수 있다. 상부층은 CVD 또는 PVD와 같이, 그러한 층들의 퇴적에 대해 본 기술분야에 알려져 있는 임의의 기법에 의해 퇴적될 수 있다. 도 1을 참조하여 설명된 것과 같은 상부층 퇴적을 위한 다른 파라미터들 및 예시적인 실시예들도 물론 여기에 적용가능하다. 간단히 하기 위해, 그들은 여기에 참조에 의해 포함된다.
도 4는 다른 실시예에 따른 방법(400)을 요약한 흐름도이다. 반도체 기판은 단계(402)에서 처리 챔버 내에 위치된다. 처리 챔버는 캘리포니아 주 산타클라라의 Applied Materials, Inc.로부터 입수가능한 SiCoNi 챔버와 같은 일체형 건식 세정 챔버(integrated dry clean chamber)일 수 있다. 앞에서 논의된 바와 같이, 반도체 기판은 스트레서 층, 또는 임의의 다른 기능의 층이 그 위에 형성될 임의의 반도체 재료일 수 있다. 일례에서, GeSn 또는 SiGeSn 층이 그 위에 형성되는 실리콘 또는 게르마늄 기판이 이용될 수 있다.
단계(404)에서, 처리 챔버는 제1 온도까지 가열된다. 제1 온도는 65℃ 미만일 수 있고, 바람직한 실시예에서는 약 20℃ 내지 60℃이다.
다음으로, 단계(406)에서 제1 온도에서 플라즈마 가스 혼합물을 형성하기 위해, 암모니아 및 질소 삼불화물 가스가 챔버 내에 도입된다. 세정 프로세스 동안 생성되는 휘발성 성분들을 제거하는 데에 진공이 이로울 것이므로, 가스들은 진공 하에서 도입되어야 한다. 챔버 내로 도입되는 각각의 가스의 양은 변경가능하고, 예를 들어 제거될 산화물 층의 두께, 세정되는 기판의 기하형상, 플라즈마의 용적 용량, 처리 챔버의 용적 용량, 그리고 처리 챔버에 연결된 진공 시스템의 능력을 수용하도록 조절될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 암모니아 대 질소 삼불화물(ammonia to nitrogen trifluoride)의 몰 비율(molar ratio)이 적어도 1:1인 가스 혼합물을 제공하기 위해 가스들이 첨가된다. 다른 양태에서, 가스 혼합물의 몰 비율은 적어도 약 3:1의 몰 비율이다(암모니아 대 질소 삼불화물). 바람직하게, 가스들은 5:1(암모니아 대 질소 삼불화물) 내지 30:1의 몰 비율에서 챔버 내에 도입된다.
다음으로, 가스 혼합물은 DC 또는 RF 전원을 이용하여 처리 챔버 내부에서 플라즈마로 변환될 수 있다. 예시적인 실시예들은 가스 혼합물을 점화하여 플라즈마를 생성하기 위해, RF 전원을 이용하여 약 5 와트 내지 약 600 와트의 RF 전력을 제공하는 것을 포함한다. 바람직한 실시예들은 100 와트 미만의 RF 전력을 이용하는 것을 포함한다. 플라즈마 에너지는 암모니아 및 질소 삼불화물 가스들을, 기체 상의 고반응성 암모니아 불화물(ammonia fluoride)(NH4F) 화합물 및/또는 암모늄 수소 불화물(ammonium hydrogen fluoride)(NH4F.HF)을 형성하도록 결합하는 반응성 종들로 분해한다. NH4F 및 NH4F.HF는 실리콘 산화물과 반응하여 암모늄 헥사플루오로실리케이트(ammonium hexafluorosilicate) (NH4)2SiF6, SiF6, NH3 및 H2O를 형성하고; 게르마늄 산화물과 반응하여 암모늄 헥사플루오로게르마네이트(ammonium hexafluorogermanate) (NH4)2GeF6, GeF6, NH3 및 H2O를 형성할 것으로 생각된다. NH3 및 H2O는 반응 온도 및 압력에서 기체상이며, 처리 챔버로부터 제거되어, GeSn 또는 SiGeSn 층의 산화물 없는 표면 상에 잔류하는 (NH4)2SiF6의 얇은 막을 남긴다.
다음으로, 단계(408)에서, 처리 챔버는 제2 온도까지 가열될 수 있다. 제2 온도는 80℃보다 큰 온도일 수 있고, 바람직한 실시예에서는 80℃ 내지 150℃이다. 80℃보다 높은 온도에서, (NH4)2SiF6 또는 (NH4)2GeF6의 얇은 막은 분해되거나 승화하여 휘발성 SiF4, NH3 및 HF 생성물로 될 수 있다. 휘발성 성분들은 기체상으로 된 후에 챔버로부터 제거되어 세정된 표면만을 남길 수 있다.
단계(410)에서, 세정된 GeSn 또는 SiGeSn 표면을 갖는 기판은 진공 또는 불활성 기체의 존재 하에서 퇴적 챔버 내로 이송될 수 있다. 불활성 가스는 질소, 아르곤, 헬륨을 포함하는 모든 불활성 가스들의 목록으로부터 선택될 수 있다. 챔버 내의 환경은 이송 동안 어떠한 추가의 표면 오염물질도 축적되지 않을 것을 보장하도록 유지될 수 있다. 퇴적 챔버는 앞에서 설명된 상부층들 중 하나를 퇴적하기 위해 이용될 수 있는 임의의 챔버일 수 있다.
단계(412)에서, 세정된 GeSn 또는 SiGeSn 층의 표면 상에 상부층이 퇴적된다. 앞에서 언급된 바와 같이, 상부층은 Ge, 도핑된 Ge, GeSn 층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속으로 구성될 수 있다. 상부층은 CVD 또는 PVD와 같이, 그러한 층들의 퇴적에 대해 본 기술분야에 알려져 있는 임의의 기법에 의해 퇴적될 수 있다. 도 1을 참조하여 설명된 것과 같은 상부층 퇴적을 위한 다른 파라미터들 및 예시적인 실시예들도 물론 여기에 적용가능하다. 간단히 하기 위해, 그들은 여기에 참조에 의해 포함된다.
후속 퇴적을 위해 GeSn 또는 SiGeSn 층들의 세정된 표면을 준비하는 방법이 제공된다. 노출된 GeSn 또는 SiGeSn 층을 갖는 기판을 처리 챔버 내에 위치시키는 단계, 처리 챔버를 가열하는 단계, 및 열 또는 플라즈마 보조 에칭을 이용하여 기판의 표면을 에칭하기 위해 할로겐화물 가스를 처리 챔버 내로 유동시킨 다음, 산화물 및 오염물질을 실질적으로 갖지 않는 표면 상에 상부층을 퇴적하는 단계에 의해, 준비된 GeSn 또는 SiGeSn 층 상에 Ge, 도핑된 Ge, 다른 GeSn 또는 SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 또는 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속의 상부층이 퇴적될 수 있다. 다른 실시예들에서, GeSn 또는 SiGeSn 층의 세정된 표면을 준비하는 방법은 상부층의 후속 퇴적과 함께 희생층의 배치 및 에칭을 또한 포함할 수 있다. 추가의 실시예들에서, GeSn 또는 SiGeSn 층의 세정된 표면을 준비하는 방법은 급속 열 어닐링을 이용하는 열 탈착을 또한 포함할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, GeSn 또는 SiGeSn 층의 세정된 표면을 준비하는 방법은 처리 챔버 내로 NF3 및 NH3 플라즈마 가스 혼합물을 유동시켜, 표면 산화물 및 오염물질들을 포함하는 염 혼합물을 형성하고, 염을 승화시키는 것을 또한 포함할 수 있다. 표면 산화물 및 오염물질의 제거는 후속하여 퇴적되는 층들의 막 품질, 및 상부층과 GeSn 또는 SiGeSn 층 간의 계면의 품질을 보장한다. 그에 의해, 이러한 예비 퇴적 처리(pre-deposition processing)는 후속 처리에서 더 낮은 생성물 손실(product loss)을 야기한다.
상술한 것은 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 실시예들 및 추가의 실시예들은 그것의 기본 범위로부터 벗어나지 않고서 만들어질 수 있다.

Claims (15)

  1. 세정된 GeSn 또는 SiGeSn 표면을 준비하는 방법으로서,
    처리 챔버 내에 기판을 위치시키는 단계 - 상기 기판은 노출된 GeSn 또는 SiGeSn 층을 포함함 - ;
    상기 처리 챔버를 제1 온도까지 가열하는 단계;
    상기 제1 온도에서 에칭 가스를 상기 처리 챔버 내로 유동시키는 단계 - 상기 에칭 가스는 할로겐화물 가스를 포함함 - ;
    세정된 표면을 생성하기 위해, 상기 제1 온도에서 열 에칭(thermal etching) 또는 플라즈마 보조 에칭(plasma assisted etching)을 이용하여 상기 기판의 표면을 에칭하는 단계; 및
    상기 세정된 표면의 최상부에 상부층(overlayer)을 퇴적하는 단계 - 상기 상부층은 Ge, 도핑된 Ge, GeSn 층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속 중 하나를 포함함 -
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 온도는 300℃ 내지 400℃인, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 할로겐화물 가스는 염소 또는 염화 수소인, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 도펀트(dopant)는 인(P), 붕소(B), 또는 비소(As) 중 하나를 포함하는, 방법.
  5. 세정된 GeSn 또는 SiGeSn 표면을 준비하는 방법으로서,
    제1 처리 챔버 내에 기판을 위치시키는 단계 - 상기 기판은 보효용 희생 Ge 캡(sacrificial protective Ge cap)을 갖는 GeSn 또는 SiGeSn 층을 포함하고, 상기 보호용 희생 Ge 캡은 GeSn 또는 SiGeSn 형성 후에, 산소 또는 오염물질에의 노출 전에 형성됨 - ;
    상기 기판을 제2 처리 챔버로 이송하는 단계;
    상기 제2 처리 챔버를 제1 온도까지 가열하는 단계;
    상기 제1 온도에서 에칭 가스를 상기 제2 처리 챔버 내로 유동시키는 단계 - 상기 에칭 가스는 할로겐화물 가스를 포함함 - ;
    세정된 GeSn 또는 SiGeSn 층을 노출시키기 위해, 상기 제1 온도에서 열 에칭 또는 플라즈마 보조 에칭을 이용하여 상기 희생 캡을 에칭하는 단계; 및
    세정된 표면의 최상부에 상부층을 퇴적하는 단계 - 상기 상부층은 Ge, 도핑된 Ge, GeSn 층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속 중 하나를 포함함 -
    를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 보호용 희생 Ge 캡은 20Å 내지 40Å 두께인, 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 온도는 300℃ 내지 400℃인, 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 할로겐화물 가스는 염소 또는 염화 수소인, 방법.
  9. 세정된 GeSn 또는 SiGeSn 표면을 준비하는 방법으로서,
    처리 챔버 내에 기판을 위치시키는 단계 - 상기 기판은 노출된 GeSn 또는 SiGeSn 층을 포함함 - ;
    일정한 압력을 유지하면서 H2를 상기 챔버 내로 유동시키는 단계;
    세정된 표면을 생성하기 위해 H2의 유동을 유지하면서 상기 챔버를 제1 온도까지 가열하는 단계 - 상기 온도는 450℃보다 높고, 1분보다 짧은 기간 동안 유지됨 - ;
    상기 챔버를 400℃ 미만의 온도까지 냉각하는 단계; 및
    상기 세정된 표면의 최상부에 상부층을 퇴적하는 단계 - 상기 상부층은 Ge, 도핑된 Ge, GeSn 층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속 중 하나를 포함함 -
    를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 온도는 450℃ 내지 650℃인, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 도펀트는 인(P), 붕소(B), 또는 비소(As) 중 하나를 포함하는, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제1 온도까지 가열하는 동안 UV 광을 인가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 세정된 GeSn 또는 SiGeSn 표면을 준비하는 방법으로서,
    처리 챔버 내에 기판을 위치시키는 단계 - 상기 기판은 하나 이상의 표면 오염물질을 갖는 노출된 GeSn 또는 SiGeSn 층을 포함함 - ;
    상기 처리 챔버를 제1 온도로 조절하는 단계;
    염 혼합물(salt mixture)을 형성하기 위해 상기 제1 온도에서 NF3 및 NH3 플라즈마 가스 혼합물을 상기 처리 챔버 내로 유동시키는 단계 - 상기 염 혼합물은 상기 표면 오염물질을 포함함 - ;
    상기 기판을 제2 온도까지 가열하여 상기 염 혼합물을 승화(sublimate)시키고, 세정된 표면을 생성하는 단계;
    세정된 기판을 진공이 유지되는 퇴적 챔버 내에 위치시키는 단계; 및
    상기 세정된 표면의 최상부에 상부층을 퇴적하는 단계 - 상기 상부층은 Ge, 도핑된 Ge, GeSn 층, SiGeSn 층, 도핑된 GeSn 층, 도핑된 SiGeSn 층, 절연체 또는 금속 중 하나를 포함함 -
    를 포함하는 방법.
  14. 제15항에 있어서, 상기 제1 온도는 20℃ 내지 60℃이고, 상기 제2 온도는 80℃ 내지 150℃인, 방법.
  15. 제15항에 있어서, 도펀트는 인(P), 붕소(B), 또는 비소(As) 중 하나를 포함하는, 방법.
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