TW200421459A - Method and apparatus for forming epitaxial layers - Google Patents
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Description
200421459 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種製造一半導體元件的方法，特定言之 ，其包含藉由化學汽相沈積（Chemical Vap〇r DepQsiti()n ; CVD)方法纟石夕基板上形成一磊晶層的步驟，以及關於為 此之一裝置。 【先前技術】 為了擴展用於採_微電子技術的元件之材料種類，諸 如在石夕⑻基板上蟲晶生長的以及晶體 的材料引起很大興趣。 石夕.石厌⑸卜乂）係一新材料’例如，J p Li_H| 〇s㈣ 的响文「Sih-yG^Cy在石夕（Si) 1〇〇上生長期間藉由分子束蟲 晶的替代型碳併入：依賴於鍺和碳」（應用物理學刊（AppUed Physics Letters)第 ％卷，第 μ (2〇〇〇)號第 3546至 3州頁） ，以及H.J. 〇sten的論文「矽（1〇〇)上的過飽和含碳矽/鍺合 金的MBE生長及特性」（「薄膜工程」學術期刊（丁恤 FUms)第367(2_)卷，第⑻]⑽）中對之進行了討論， 而且其具有像矽一樣的一鑽石結構。通常，碳⑹的濃度在 〇和5%之間，即，恰好超過CU中的溶解限度。在^|乂 中，所有的碳原子應係替代型的，並在該矽結構中替代一y 石夕原子。因此’該種材料之盡其所用所面臨的一特別挑戰 係要將替代型的碳引入石夕。如所指出的，c原子在_Ge 中的平衡固溶度極小，因此，需要生長出替代型。農度達到 數個百分比之高品質Si. π q⑽ ,.. 87567 200421459 碳之比例提高。如果該等碳原子並非處於一晶格位置，即 如果它們並非替代型的，則其可引起各種缺陷，例如但不 僅限於Sic沈殿。該等缺陷不適於半導體應用及磊晶生長。 顯示出’藉由各種技術’諸如分子束蠢晶（M〇iecuiar Beam Epitaxy ; MBE)、快速熱化學汽相沈積（Rapid Thermal
Chemical Vapor Deposition ; RT-CVD)、低壓化學汽相沈積 (Low Pressure Chemical Vapor Deposition ; LP-CVD)以及超 南真工化學相沈積（Ultra High Vacuum Chemical Vapor
Deposition; UHV-CVD)，Sii_x_yGexCy 與 Sii.yCy蠢晶層可在 一石夕（001)基板上生長。後者已知係來自於，B TiUack，，B Heinemann，D. Knoll的論文「摻雜SiGe的原子層—基本原理 與元件應用」「薄膜工程」學術期刊（Thin Solid Films)第369 (2000)卷’第 189 至 194 頁）；Y. Kanzawa，K. Nozawa，Τ· Saitoh 與Μ· Kubo的論文「對於藉由超高真空化學汽相沈積生長的 Sii-x-yGexCy晶體替代型C併入對鍺含量之依賴性」（應用物 理學刊第77卷，第24 (2000)號，第3962至3964頁）以及S. John. E. J· Quinomes，B· Ferguson，S. K Ray，B. Anantharan ，S· Middlebrooks，C. Β· Mullins，J· Ekerdt，J· Rawlings 及S. K. Banerjee的論文「藉由超高真空化學汽相沈積生長 的Sii.x.yGexCy蠢晶膜之特性」電子化學界期刊（j〇urnai 〇f
The Electrochemical Society)第 146卷，第 12 (1999)號，第 46 11至46 1 8頁。一特別的重要因數係替代型及填隙型碳併 入之間的關係’其對該層之電子及光學特性產生影響。一 般認為碳的替代型，即替代型的併入碳原子之比例，以及 87567 200421459 該晶體品質，受生長條件的強烈影響。 在低溫下’即一般在〜600〇c以下，磊晶層的生長率受到 表面上存在的氫原子的控制，其係由於諸如SiH4、Si7H6、 SiH'l2、GeH4、Η:的分子氣體在該沈積過程中分解，而其 脫附過程並非立即進行。如P· V· Sehwa_ ;· c. sturm的論 文「磊晶矽膜的低溫化學汽相沈積生長期間的氧併入」（電 子化學界期刊第14丨卷，第5 (1994)號，第1284至129〇頁）中 所述，藉由Langmuid^型吸附，可將矽上之均衡氫覆蓋與 氫壓力和溫度的函數關係模型化。但是，對於磊晶層的2 長，氫作為目前的載體氣體之選擇，係非常具有主導性的 應明白，如以下之討論，氫在磊晶中的作用很關鍵。由 於上述原因，所有CVD程序均將氫用作載體氣體。 需注意的是，在低溫下藉由CVD自諸如以％的一氣體前 導中生長Si時，氫鈍化該表面，使其對防止磊晶的污染物 反應遲鈍。另外，相信因其有助於異化層之介面粗化以及 減少在生長期間的表面吸附與擴散，氫可有利於磊晶。當 各種摻雜物吸附於該生長前緣上時，也已發現類似的行為 。這也解釋了其中的原因，如E· Finkman，F. Meyer與M.
Mamor的論文「聲子探測的SiGeC合金之短程有序排列及應 ’菱」（應用物理學刊第89卷’第5 (2001)號，第2580至2587 頁）中所知，其多次嘗試在事實上不需要載體氣體的分子束 磊晶（Molecular Beam Epitaxy ; MBE)技術中採用氮。 進一步，自 Μ· Liehr，C. Μ· Greenlief，S· R. Kasi 與 Μ
Offenberg的論文「在快速熱化學汽相沈積反應器中使用 87567 200421459
Sih的矽磊晶動力學」應用物理學刊第56卷，第7(199〇)號 ，第629至63 1頁）已知鍺對氫脫附的作用。所討論之結果廣 泛用於該SiGe生長模型，並報告鍺對低溫下矽生長率具有 巨大的催化效應。該催化效應增加了自該生長表面上的鍺 位置之該氫脫附，使得該生長物的吸附增加，由此引起生 長率增*。本文得出結冑，在低溫汽相磊晶中，添加小量 的鍺能將矽的有效生長率提高二個等級大小。儘管不瞭解 造成該催化的確切機制，但該效應是非常有利的，因為其 使得不使用雷射、電漿或其他特異的生長增強技術而能在 低溫下獲得該GexSi1-x薄膜的生長率（丨〇〇A/min)。 同樣已知，氫在SiGe磊晶中作為一表面活性劑起作用， 抑制可導致粗糙或產生SiGe的島狀形成物（j. viz〇s〇, f· Martin，J.Sun^M.Nafria的論文薄膜中的氫脫附： 一擴散限制程序」（應用物理學刊第7〇卷，第24 U 99乃號， 第3287至3289頁中對之作了討論）的三維生長。 因此有充分的理由，將氫視為載體氣體之選擇，而且 一般作為用於該磊晶程序的一重要氣體。 WO-A-01/14619揭示了碳化石夕及/或碳化石夕錯的蟲晶生長 並將氮用作-載體氣體。但是，本文中揭示的屋晶反應 心配置用·於在超南溫度下，即η⑼至範圍内運作。 【發明内容】 本發明致力於提供一種利用CVD在一石夕基板上形成系晶 層的方法’該方法也提供了勝過該等已知方法之優勢。 本I月亦致力於提供該化學汽相沈積裝置。 87567 200421459 依據本發明之一方面，提供了一種製造一半導體元件之 方去，其包含的步驟藉由化學汽相沈積，將一基於第iv族 几素的磊晶層沈積於一矽基板上，以及包含採用氮或該等 惰性氣體之一作為一載體氣體。 特疋§之，該等載體氣體方便用於控制該磊晶層及該碳 併入之品質。 特定5之，藉由將氮用作一載體氣體，與已知的採用氫 作為-載體氣體的Si蟲晶程序相比較，有可能以較高生長 率以及較低的生長溫度獲得平滑磊晶矽層。 如申請專利範圍第2至6項之特徵確認、了依據本發明能形 成一磊晶系統之部分的特定第N族元素。 如申請專利範圍第7與8項之特徵進一步有利地提高該沈 積率，並可用於限制生產成本。 藉由將氮用作石夕、石夕：碳、石夕鍺及石夕鍺碳的低溫cvd蟲 晶的-載體氣體，有可能突破將氫用作載體氣體的程序中 固有的限制而極大地增大其製程範圍。將氮作為載體氣體 的該低溫磊晶程序與將氫作為載體氣體的該低溫磊晶程序 相比較’具有一不同的生長機制。這產生較高品質的材料 並改善了碳併入。 本發明特別可用於以高生長率、高碳替代率以及低生產 成本，在Si基板上沈積摻雜的或未摻雜與 Si^yCy磊晶層。低生長溫度與高生長率的結合，對於諸如 在具有一高Ge濃度的一應變SiGe層頂端上之Si罩層之類的 需要低熱預算之應用，也是有吸引力的。 87567 . 1Π. 200421459 【實施方式】 實驗係藉由一商用減壓化學汽相沈積反應器進行，以下 係關於對該SiGe生長的基本效應。 圖1中顯示，將氫及氮用作一載體氣體，siGe生長率與溫 度的函數關係。對於氮，生長條件為，壓力=4〇 T〇rr，Npw slm ’ SiH4=5 seem，GeH4=150 sccm。對於氫，壓力為4〇 T〇rr ，H2 = 33 slm，SiH4=20 seem，GeH4=150 seem。 這清楚地顯示，與將氫用作載體氣體的SiGe之生長率相 比較，將氮用作載體氣體的SiGe之生長率在一低溫下可提 高一因數10。當僅生長矽時亦觀察到一類似的效果，在該 情况下，將該載體氣體從氫切換為氮時，該生長率增大一 因數6(在575°C溫度下，並具有一 4〇〇sccm的矽烷流量）。 已採用同樣的一般生長條件，即，載體氣體流量，生長 溫度及總壓力等，以突出該載體氣體種類對生長率產生的 &響吾然需注思，貫務中這會導致晶圓上方的該等磊晶 層之SiGe厚度及Ge濃度相當不均勻，在15%的範圍内，這 對於實際應用來說是不能接受的。 在半導體X業中，$晶層厚度及組成物濃度的均句度是 至關重要的。纟這方面，言亥反應器的設計尤其是該氣體流 相對於該等晶圓位置的方向與大小，是一決定性的因素。 如圖2中說明，將氮作為載體氣體，並藉由調整不同的生長 芩數，可生長出平滑均勻的SiGe 磊晶層。 圖3進一步說明與氫相比較，採用氮作為一載體氣體的優 點。圖3特別說明了採用低溫石夕蠢晶所獲得的優點，對於所 87567 -11 - 200421459 說明的P = 40 T〇rr盘μ =1 5 slm的且a 2 Slm的生長條件，可以相對較高生 長率以及較低的生長溫度獲得平滑的蟲晶石夕層。因此，可 生產出改善碳併入的高品質材料。 見在回到圖4 ’其中說明了依據本發明配置使用的化學汽 相沈積裝置10，其包含在-端具有-氣體輸入淳Η，而在 對立一端具有-氣體輸出埠16的-延長室!2。言亥室容納 一基座架18，一矽基板2〇位於該基座架上。 氣體藉由該輸人埠14引人室，而藉由該輸出埠16從中掏 取’可利用該方式來控制該室12内㈣力。該輸人璋14與 «歧管22相通，纟自複數個來來源的氣體饋人該氣體歧 管内。在所說明的例子中，說明了一第一來源24，其藉由 該饋送線26向該氣體歧管22饋送一第一氣體，以及一第二 氣體來源28，其在所說明的例子中配置為’藉由一饋送線 3〇將氣體饋入該氣體歧管22内。 氣體來源之總數當然可按照在該基板20上將形成的磊晶 層之相關要求配置。 在5 75°C的生長溫度下實施測試。在此溫度下，該生長率 看來像是經控制的批量傳輸或經控制的限制擴散，視該矽 烷流量以及10 nm/min左右的生長率而定，並獲得_小密度 之缺陷。作為Si前導氣體的SiH4與siH2Cl2的組合，可係一 視該生長溫度而定之選擇。對於低於550。(：的溫度，則將作 為該生長之一副產品在該表面產生的氫原子視為鈍化該石夕 表面。 已知Si内的低碳固溶度使矽内的碳併入成為一關鍵程序。 87567 -12- 200421459 經證明，有可能將矽烷及氮用作一載體氣體，而在一 5 5 0 C的生長溫度下生長高品質的矽碳磊晶層。 依據本發明，可生長平滑且高品質的材料。對於氮，生 長條件為 ’ P=40 Torr，N2=33 slm，SiH4=5 seem，GeH4=150 SCCm ;對於氫，該等條件為P=20至40 Tern，H2 = 33 slm， SiH4=20 sccm以及 GeH4=15〇 sccm。 口此應明白，藉由將氮用作一載體氣體，則生長出鍺濃 度百分比等級為2〇及碳濃度達到13%的一高品質的平滑矽 錯碳蠢晶層。該例子的生長條件包括一52YC的沈積溫度、 一 15 slm的氮流量、一2〇 sccm的矽烷（3出4)流量、一 15〇 seem的鍺（GeH4)流量以及介於〇與2〇 SCCm之間的甲基石夕烧 (SiHsCH3)流量；而該等結果清楚地說明，當採用氮作為一 載體氣體時本發明程序之益處。當然，可藉由降低該生長 溫度及增加該單甲基石夕烧（Mano-Methyl-Silane)流量以提高 該替代型碳的濃度。 本發明說明在一商用CVD反應器内，將基於第Iv族元素 Si、Ge、C的磊晶層沈積於一 Si基板上的方法，以及，如所 指出的，有利地採用氮或一惰性氣體作為一載體氣體，以 生長具有高替代型碳含量的高品質磊晶材料，且舆將 < 用 作載體氣蹲的目前標準程序相比較，生產成本較低。 【圖式簡單說明】 以上已參考隨附的圖式並透過實例，進一步說明本發明。 圖1以一圖表說明，將氮替代氫用作載體氣體時，該生長 率對溫度的依賴性； 87567 200421459 圖2係表示該晶圓之上的厚度及鍺濃度均勻性之圖表； 圖3係說明採用氮作為一載體氣體的益處之進一步圖表； 以及 圖4係說明依據本發明使用一化學汽相沈積裝置的示意 性方塊圖。 【圖式代表符號說明】 10 化學汽相沈積裝置 12 室 14 氣體輸入槔 16 氣體輸出槔 18 構件（基座架） 20 矽基板 22 氣體歧管 24 第一氣體來源 26 饋送線 28 第二氣體來源 30 饋送線 14 87567
Claims (1)
- 200421459 拾、申請專利範圍： 1. 一種製造一半導體元件之方 <方法，其包含之步驟藉由化學 汽相沈積，將一基於箆τ v A 一 、弟IV知疋素的磊晶層沈積於一矽基 板上，以及包括採用_十 2. 氣或一 h性氣體作為一載體氣體。 如申請專利範圍第丨項之太、土 ^ ^ 、之方法，其係用於形成一基於矽、 鍺及/或碳的磊晶層。 3. 如申請專利範圍第2項之古、、土 , 、之方去，其中該磊晶層包含Sii.yCy。 4·如申請專利範圍第2項之太、土 ^ ^ 貝之方法，其中該磊晶層包含一 SiGe 磊晶層。 其中該磊晶層包含 5·如申請專利範圍第2項之方法 Si卜x-yGexCy。 6·如申，月專利乾圍第2項之方法，其中該蟲晶層包含一石夕蠢 晶層。 7. 8. 如申請專利範圍中任一頊 , — 貝之方法，其係在一低溫下實施。 如申請專利範圍第7項之古、上 ^ 貝之方法，其係在一約低於600oC的 溫度下貫施。 9.種包3 一至(12)的化學汽相沈積裝置。〇)，該室具有一 氣體輸人埠（14)與一氣體輸出埠（16)，以及用於在該室（12) 内安哀矽基板（20)的構件（18)，該裝置（1〇)進一步包括 乱體來.源（24) ’其連接至該輸人埠（14)並配置用以提供 氮或惰性氣體作為一載體氣體。 10·如申凊專利範圍第9項之裝置，其係配置為如申請專利範 圍第2至8項中任一項之方法沈積一磊晶層。 87567
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