TW201310502A - 磊晶沉積製程的預清洗方法及其應用 - Google Patents

Abstract

一種磊晶結構的製作方法，包括下述步驟：首先使用含氮(N)及氟(F)原子的反應氣體與存在於基材表面的一殘留物反應，以形成固體化合物。然後進行退火(anneal)製程，以使該固體化合物昇華。再於基材之表面進行一半導體沉積製程

Description

磊晶沉積製程的預清洗方法及其應用

本發明是有關於一種半導體元件的製作方法，且特別是有關於一種使用於磊晶沉積製程的預清洗方法及其應用方式。

磊晶層的沉積步驟，例如磊晶矽層的沉積，是製作為半導體電子元件，的重要製程之一。隨著半導體特徵尺寸的降低，如何提供磊晶層製程一個具有良好表面特性的起始表面，例如提供一種沒有矽氧化物或矽碳化物殘留的表面，已成為一個日益重要的課題。

目前，幾乎所有的磊晶沉積製程都需要進行預清洗製程，以移除殘留於製程表面的氧化矽。習知的預清洗製程，一般係採用氫氟酸(HF)水溶液或氫氟酸氣體，來去除殘留於製程表面的的氧化矽。其中，使用氫氟酸(HF)水溶液清洗之後，通常需要額外進行一個高溫(反應溫度約800℃)去氫烘烤(hydrogen bake)步驟，藉以完全去除殘留於製程表面的氧化矽。然而，高溫不僅容易導致製程表面損傷，也會使原本已摻雜在基材中的摻雜離子，發生進一步的擴散，導致元件的摻雜輪廓(dopant profile)變形，進而影響元件的關鍵尺寸及效能。另外，若將磊晶沉積製程應用於浮層源極/汲極(raised source/drain)電晶體的製備時，使用氫氟酸進行表面處理，常會引發間隙壁的側蝕(undercut)，造成漏電流的發生。使用氫氟酸氣體雖然可避免上述問題，但清除效果較差。

因此有需要提供磊晶沉積製程一種新式的預清洗方法，以解決習知清洗方式容易導致製程表面損傷以及影響製程良率或元件效能的問題。

有鑑於此，本發明的目的之一，就是在提供一種磊晶結構的製作方法，其包括下述步驟：首先使用含氮(N)及氟(F)原子的反應氣體，與存在於基材之表面的含氧殘留物反應，以形成固體化合物。之後再進行退火(anneal)製程，以使固體化合物昇華。再於基材之表面進行一半導體沉積製程。

在本發明之一實施例中，含氮及氟原子的反應氣體包括氣態氨(NH₃)及三氟化氮(NF₃)。在本發明之一實施例中，含氧殘留物包括二氧化矽。在本發明之一實施例中，形成固體化合物的步驟，係在實質為30℃或室溫的反應溫度中進行。在本發明之一實施例中，退火製程的退火溫度，實質大於100℃。在本發明之一實施例中，基材為一種矽基材。

在本發明之一實施例中，此一半導體沉積製程是物理氣象沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)製程或化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)製程。在本發明之一實施例中，此一半導體沉積製程，可於基材之表面形成矽鍺(SiGe)層、碳化矽(SiC)層或碳化矽鍺(SiGeC)層。在本發明之一實施例中，預清洗製程是在原位(in-situ)或不破真空的情形下進行。

在本發明之一實施例中，在使用含氮及氟原子的反應氣體，與存在於基材之表面的含氧殘留物反應之前，更包括：對基材的表面行加熱步驟；並將含氮及氟原子的反應氣體解離成反應性電漿。根據上述實施例，本發明係提出一種採用氣態氨及三氟化氮的混合氣體，來對磊晶沉積製程的基材表面進行預清洗的方法。可用以取代習知的氫氟酸處理，以移除基材表面的含氧殘留物。由於，上述實施例所提供的預清洗方法，並不需要進行氫氟酸處理，也不需要額外的高溫烘烤處理。因此，並不會引發間隙壁側蝕，而造成漏電流的發生，也不會影響元件的特徵尺寸與效能。另外，由於預清洗製程可在不破真空的環境下進行或原位進行，更可縮短製程的站點時間及成本。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

本發明的目的就是在提供一種應用於磊晶沉積製程的新式預清洗方法，以解決習知清洗方式，容易導致製程表面損傷以及影響元件特徵尺寸或效能的問題。為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一製作具有矽鍺磊晶結構的電晶體100的方法，做較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照圖1A至圖1C，圖1A至圖1C係根據本發明一實施例所繪示的電晶體100的製程剖面示意圖。其中，電晶體100的形成，包括採用磊晶沉積及源極/汲極植入製程的方式，在矽基材101中形成矽鍺源極/汲極102。但值得注意的是，以下的實施例僅係用以說明本發明的技術特徵，並非用以限制本發明的範圍。任何使用磊晶沉積製程所製作的其他磊晶結構，例如碳化矽磊晶層、碳化矽鍺磊晶層或其他類似結構，亦有本發明之預清洗方法的適用。

電晶體100的製程步驟包括，先在矽基材101上形成閘極103，其中閘極103包含形成於矽基材101表面101a的閘介電層103a、閘電極103b及閘極間隙壁103c(如圖1A所示)。然後，沿著該閘極間隙壁103c，在矽基材101中形成由矽基材101表面101a向下延伸的凹室104。接著，再對凹室104的底部104a及側壁104b，進行預清洗製程105(如圖1B所示)。

後續，進行一個半導體沉積製程106，例如物理氣相沉積或化學氣相沉積製程，於凹室104之中形成矽鍺源極/汲極102，並由底部104a向上延伸超過矽基材101表面101a。完成如圖1C所示的電晶體100。

在本實施例之中，半導體沉積製程106包含，先在操作度實質介於550℃至850℃的氫氛圍下，進行預烘烤程序。之後，再以超真空化學氣相沉積(Ultra-Vacuum Chemical Vapor Deposition，UVCVD)或電漿加強式化學氣相沉積，在含有矽甲烷(SiH₄)以及鍺烷(GeH₄)的反應氣氛中進行複數回合的選擇性磊晶成長程序，藉以在凹室104之中形成矽鍺源極/汲極102。

在本發明的一些實施例中，上述預清洗製程105和半導體沉積製程106係在相同反應槽中進行。但在本發明的另一些實施例中，預清洗製程105和半導體沉積製程106可以在相同機台不破真空的環境中完成。

請參照圖2，圖2係繪示根據本發明的一較佳實施例所繪示的一種用來製做圖1A至圖1C所示之電晶體100的多室製程系統(multiple-chamber processing system)20的部份結構俯視示意圖。其中，多槽製程系統20具有多個反應室的製程系統。例如多室製程系統20包含蝕刻反應室201和202以及進行其他製程的反應室，例如物理濺鍍及/或化學沈積室203及204。

製程中，多室製程系統20可保持密閉，以維持特定的真空度。矽基材101，較佳為矽晶圓，則可藉由機械手臂205和206，由一個反應室轉移至另一個反應室之中，來進行不同的製程處理。因此，在本發明的一些實施例之中，前述的預清洗製程105和半導體沉積製程106可以在相同反應室201中原位進行；亦可在不破真空的條件下，在不同的反應室，例如蝕刻反應室201和物理濺鍍及/或化學沈積室203中進行。由於多槽製程系統20係已為習知，故其結構與操作基轉不在此贅述。

請參照圖3A至圖3C，圖3A至圖3C係根據本發明的一較佳實施例，所繪示的預清洗製程105機台及實施步驟示意圖。在本實施例之中，預清洗製程105係一種在單一反應室中進行的乾式清洗製程。

預清洗製程105包括下述步驟：首先，將矽基材101置於蝕刻反應室201中。再使用遠端電漿源(remote plasma source)，將含氮及氟原子的反應氣體解離成電漿301，輸送至蝕刻反應室201中，與存在於矽基材101之表面101a接觸。在本實施例之中，含氮及氟原子的反應氣體較佳包含氣態氨及三氟化氮。

如圖3A所示，矽基材101被置於溫度約為30℃或室溫的基座304上，或選擇性地用頂桿(lift pin)305將晶圓(矽基材101)舉起，使矽基材101之表面101a移動到靠近加熱裝置306，例如具有加熱功能的噴頭(shower head)，進行預加熱。較佳是將矽基材101的溫度控實質制在35℃。而由氣態氨及三氟化氮的混合氣體所解離而成的反應性電漿301，係由具有高頻能量源的電漿噴嘴303導入蝕刻反應槽201中)，在被氣體導引盤(gas plate)308分散後，直接對矽基材101之表面101a進行蝕刻。

如方程式1所示，氣態氨及三氟化氮的混合氣體，經離子化之後，會轉變成氟化氨(NH₄F)和氟化氫氨(NH₄F‧HF)電漿：

NF₃+NH₃→NH₄F+NH₄F.HF

　(方程式1)

而氟化氫氨會與存在於矽基材101之表面101a的氧化殘留物302，例如二氧化矽反應，形成固體化合物307。在本實施例之中，固體化合物307為六氟矽氨((NH₄)₂SiF₆)固體化合物307(如圖3B及方程式2所示)。

NH₄F+NH₄F.HF+SIO₂→(NH₄)₂SiF_6(SOLID)+H₂O

　(方程式2)

由於這種矽酸鹽固體化合物307，可以在70℃以上的環境中昇華。因此藉由退火溫度實為100℃的退火製程，即可將固體化合物307由矽基材101之表面101a移除。在本實施例之中，係採用原位退火製程，來將固體化合物307由矽基材101之表面101a移除。如圖3C所示，使用頂桿(lift pin)305將晶圓(矽基材101)舉起，使矽基材101之表面101a移動到靠近加熱裝置306的位置，矽基材101之表面101a在很短的時間內即被加熱到100℃以上，使六氟矽氨分解為氣態的四氟化矽(SiF₄)和氣態氨(如方程式3所示)，並被抽風系統(未繪示)所移除。

(NH₄)₂SiF_6(SOLID)→SiF_4(g)+NH_3(g)

　(方程式3)

由於，預清洗製程105，乃是採用氣態氨及三氟化氮混合氣體所生成的低功率電漿來蝕刻矽基材101表面101a，藉以移除殘餘在基材表面的氧化殘留物302。其屬於一種乾式清洗方式，並不需要進行氫氟酸處理，故並不會損壞矽基材101表面101a，更不會在閘極間隙壁103c下方產生側蝕，造成漏電流的發生。而且後續所進行的退火步驟，其操作溫度亦實質在於100℃左右，並不會如昔知的高溫去氫烘烤步驟，直接影響矽基材101內部離子掺質的擴散輪廓(diffusion profile)。故而可在不影響元件特徵尺寸及效能的前提下，達到習知氫氟酸清洗製程的效果。根據上述實施例，本發明係提出一種採用氣態氨及三氟化氮的混合氣體，來對磊晶沉積製程的基材表面進行預清洗的方法。可用以取代習知的氫氟酸處理，以移除基材表面的含氧殘留物。由於，上述實施例所提供的預清洗方法，並不需要進行氫氟酸處理，也不需要額外的高溫烘烤處理。因此，並不會引發間隙壁側蝕，而造成漏電流的發生，也不會影響元件的特徵尺寸與效能。另外，由於預清洗製程可在不破真空的環境下進行或原位進行，更可縮短製程的站點時間及成本。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．電晶體

101．．．矽基材

101a．．．矽基材表面

102．．．矽鍺源極/汲極

103．．．閘極

103a．．．閘介電層

103b．．．閘電極

103c．．．閘極間隙壁

104．．．凹室

104a．．．凹室的底部

104b．．．凹室的側壁

105．．．預清洗製程

106．．．半導體沉積製程

20．．．多槽製程系統

201．．．蝕刻反應槽

202．．．蝕刻反應槽

203．．．物理濺鍍及/或化學沈積室

204．．．物理濺鍍及/或化學沈積室

205．．．機械手臂

206．．．機械手臂

301．．．反應氣體

302．．．氧化殘留物

303．．．交流電電漿噴嘴

304．．．基座

305．．．頂桿

306．．．加熱裝置

307．．．固體化合物

308．．．氣體導引盤

圖1A至圖1C係根據本發明一實施例所繪示的電晶體的製程剖面示意圖。

圖2係繪示根據本發明的一較佳實施例所繪示的一種用來製做圖1A至圖1C所示之電晶體的多室製程系統的部份結構俯視示意圖。

圖3A至圖3C係根據本發明的一較佳實施例，所繪示的預清洗製程機台及實施步驟示意圖。

101．．．矽基材

101a．．．矽基材表面

201．．．蝕刻反應槽

301．．．反應氣體

302．．．氧化殘留物

303．．．交流電電漿噴嘴

304．．．基座

305．．．頂桿

306．．．加熱裝置

308．．．氣體導引盤

Claims (10)

1. 一種磊晶結構的製作方法，包括：使用一含氮(N)及氟(F)原子的反應氣體，與存在於一基材之一表面的含氧殘留物反應，以形成一固體化合物；進行一退火製程，以使該固體化合物昇華；以及於該基材之該表面進行一半導體沉積製程。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶結構的製作方法，其中該含氮及氟原子的反應氣體，包括氣態氨(NH₃)及三氟化氮(NF₃)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶沉積方法，其中該含氧殘留物包括二氧化矽。
4. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶結構的製作方法，其中形成該固體化合物的步驟，係在實質為30℃或室溫的一反應溫度中進行。
5. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶結構的製作方法，其中該退火製程具有實質大於100℃的一退火溫度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶沉積方法，其中該基材係一矽基材。
7. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶結構的製作方法，其中該半導體沉積製程係一物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)製程，或一化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)製程。
8. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶沉積方法，其中該半導體沉積製程，可於該基材之該表面形成一矽鍺(SiGe)層、一碳化矽(SiC)層或一碳化矽鍺(SiGeC)層。
9. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶結構的製作方法，其中該預清洗製程係在原位(in-situ)或不破真空的情形下進行。
10. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶結構的製作方法，其中在使用該含氮(N)及氟(F)原子的反應氣體，與存在於該基材之該表面的含氧殘留物反應之前，更包括：對該基材的該表面行一加熱步驟；以及將該含氮及氟原子的反應氣體，解離成一反應性電漿。