TW202425095A - 用於增強磊晶成核及潤濕的表面改質劑 - Google Patents

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喬伊 瑪格提斯
約翰 托勒
尚恩 湯瑪士
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美商應用材料股份有限公司
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提供了一種形成半導體元件的方法。在一些實施方式中，該方法包括將基板定位到處理腔室中，基板具有暴露的非結晶表面和暴露的結晶表面。該方法還包括將處理腔室加熱到用於沉積的溫度。該方法還包括將預處理氣體注入處理腔室。預處理氣體包括用於降低暴露的非結晶表面和暴露的結晶表面之間的界面能的分子。該方法還包括向處理腔室中注入沉積氣體，以在暴露的結晶表面上選擇性地生長n型摻雜磊晶矽層。

Description

用於增強磊晶成核及潤濕的表面改質劑
本揭示案之實施例大體上係關於一種用於形成半導體元件的方法。更特定而言，本申請係關於用於形成水平環繞式閘極（horizontal gate-all-around; hGAA）元件結構的磊晶沉積方法。
電子工業正經歷著對更小和更快的電子元件的不斷增長的需求，這些電子元件同時能夠支援更多日益複雜和精密的功能。因此，半導體工業中存在製造低成本、高效能和低功耗積體電路（integrated circuit; IC）的持續趨勢。這些目標在很大程度上是藉由縮小半導體IC尺寸（例如，最小特徵尺寸）從而提高生產效率和降低相關成本來實現的。然而，這種小型化給半導體製造製程帶來了更大的複雜性。因此，實現半導體IC和元件的持續進步需要半導體製造製程和技術的類似進步。
最近，引入了多閘極元件，以藉由增加閘極-通道耦合、減少截止狀態電流和減少短通道效應（short-channel effect; SCE）來改善閘極控制。一種此類多閘極元件是環繞式閘極電晶體（GAA）。在GAA元件中，通道區的所有側表面都經閘電極包圍，這允許通道區中更充分的耗盡，並且由於更陡的亞閾值電流擺動和更小的汲極引發能帶降低（drain induced barrier lowering; DIBL）而導致更小的短通道效應。
隨著電晶體尺寸縮小到更小的技術節點，需要進一步改進GAA的設計和製造。
本揭示案之實施例大體上係關於一種用於形成半導體元件的方法。更特定而言，本申請係關於用於形成水平環繞式閘極（hGAA）元件結構的磊晶沉積方法。
在至少一個態樣中，提供了一種形成半導體元件的方法。該方法包括將基板定位到處理腔室中，該基板具有暴露的非結晶表面和暴露的結晶表面。該方法還包括將處理腔室加熱到用於沉積的溫度。該方法還包括將預處理氣體注入處理腔室。預處理氣體包括經配置成降低暴露的非結晶表面和暴露的結晶表面之間的界面能的分子。該方法還包括向處理腔室中注入沉積氣體，以在暴露的結晶表面上選擇性地生長n型摻雜磊晶矽層。
實施例可以包括以下的一個或多個。該分子是V族氯化物。該分子選自由PCl 3、AsCl 3和SbCl 3組成的群組。注入預處理氣體和注入沉積氣體至少部分重疊。在注入沉積氣體之前完成注入預處理氣體。注入預處理氣體和注入沉積氣體按順序重複複數次。該方法還包括將基板暴露於乾式蝕刻劑以從基板表面移除污染物。暴露的非結晶表面包括氧化矽、氮化矽、碳氮化矽、氧碳化矽、碳氮氧化矽或其組合。乾式蝕刻包括將基板暴露於H 2、NF 3、NH 3和電漿副產物。複數個暴露的矽層具有＜110＞結構。沉積溫度為攝氏400度或更高。在約1托至約760托範圍內的壓力下進行注入預處理氣體。
在另一態樣中，提供了一種形成半導體元件的方法。該方法包括將基板定位到處理腔室中。該基板具有在其上形成的多材料層，該多材料層包括在複數個Si 1-xGe x層上的複數個暴露的介電表面和複數個暴露的矽層。該方法還包括將處理腔室加熱到用於沉積的溫度。該方法還包括將預處理氣體注入處理腔室，其中預處理氣體包括分子，該分子經配置成降低複數個暴露的介電表面和複數個暴露的矽層之間的界面能。該方法還包括向處理腔室中注入沉積氣體，以在暴露的矽層上選擇性地生長n型摻雜磊晶矽層。
實施例可以包括以下的一個或多個。暴露的介電表面包括氧化矽、氮化矽、碳氮化矽、碳氧化矽、碳氮氧化矽或其組合。該分子是V族氯化物。該分子選自由PCl 3、AsCl 3和SbCl 3組成的群組。注入預處理氣體和注入沉積氣體至少部分重疊。
在又一態樣中，提供了一種形成半導體元件的方法。該方法包括將基板定位到清潔腔室中，基板上形成多材料層，多材料層包括安置在複數個Si 1-xGe x層的外表面上的複數個介電表面和複數個矽層，複數個Si 1-xGe x層與複數個矽層交替佈置。該方法還包括將基板暴露於乾式蝕刻劑以從基板表面移除污染物。該方法還包括將基板定位到處理腔室中。該方法還包括將處理腔室加熱到用於沉積的溫度。該方法還包括將預處理氣體注入處理腔室，其中預處理氣體包括經配置成降低介電表面和矽表面之間的界面能的分子。該方法還包括向處理腔室中注入沉積氣體，以在暴露的矽表面上選擇性地生長n型摻雜磊晶矽層。
實施例可以包括以下的一個或多個。該分子是V族氯化物。注入預處理氣體和注入沉積氣體按順序重複複數次。暴露的介電表面包括氧化矽、氮化矽、碳氮化矽、碳氧化矽、碳氮氧化矽或其組合。
在另一態樣中，非暫時性電腦可讀媒體具有儲存於其上的指令，當由處理器執行時，指令將製程執行上述設備和/或方法的操作。
本揭示案之實施例大體上係關於一種用於形成半導體元件的方法。更特定而言，本申請係關於用於形成水平環繞式閘極（hGAA）元件結構的磊晶沉積方法。
隨著電晶體元件的特徵尺寸繼續縮小以實現更大的電路密度和更高的效能，需要改進電晶體元件結構以改善靜電耦合並減少諸如寄生電容和截止狀態洩漏的負面影響。電晶體元件結構的實例包括平面結構、鰭狀場效應電晶體（fin field effect transistor; FinFET）結構和水平環繞式閘極（hGAA）結構。hGAA元件結構包括以堆疊配置懸挂並由源極/汲極區域連接的一些晶格匹配通道。
形成奈米片型構架上的源極/汲極材料的磊晶矽層的磊晶生長通常在(110)側壁矽表面上開始，並且必須橫向向外並在相鄰的矽間隔物上生長。在某些製程條件下，磊晶層抵抗側壁矽表面上的成核和間隔物的過度生長。例如，含有過量HCl的製程條件會對間隔物起到「過度選擇性」的作用，使得源極/汲極空腔的持續填充導致孔隙形成。目前的技術最佳化製程條件，或是選擇特定的矽前驅物來增強磊晶材料的潤濕和橫向過度生長。然而，這些當前的技術改變了磊晶製程，以影響期望的結果。改變製程以適應成核和過度生長會損害其他變數，如選擇性、處理量和層結構。
另外，磊晶矽層的選擇性生長引入了與磊晶矽層的鋸齒狀生長形態和磊晶矽層的生長程度相關聯的挑戰。因此，需要一種方法來改善磊晶矽層的生長形態和磊晶矽層的生長程度。
本文描述了形成磊晶矽層的方法，該磊晶矽層可用作半導體元件結構（例如hGAA元件結構）內的例如n通道金屬氧化物半導體（n-channel metal oxide semiconductor; NMOS）或p通道金屬氧化物半導體（p-channel metal oxide semiconductor; PMOS）磊晶矽層。磊晶矽層可以在hGAA元件結構上生長成成形的結構，例如類金剛石頂部結構，以根據基板上的hGAA半導體元件的需要形成源極/汲極區域和源極/汲極延伸區域。
所描述的方法包括使用表面改質劑，其增強磊晶成核和潤濕。用表面改質劑預添加到生長表面可有助於磊晶層成核的初始階段和介電潤濕和過度生長的後期階段。表面改質劑用於是降低生長的半導體和介電表面之間的界面能，從而促進了間隔物從矽通道區域的後期過度生長。表面改質劑可以包括表面活性劑分子。在引入沉積氣體之前，可以將表面改質劑預注入處理腔室。表面改質劑可以與沉積氣體按順序脈衝。可活化用於n型磊晶生長的介電表面的表面改質劑包括V族氯化物、三級丁基胂（TBAs）、三乙基銻（TESb）、三乙基胂（TEAs）、電漿氨（NH 3）、電漿氫（H）和電漿氘（D）。用於n型磊晶生長的合適的V族氯化物的實例包括氯化磷，例如PCl 3，氯化砷，例如AsCl 3，和氯化銻，例如SbCl 3。可活化用於p型磊晶生長的介電表面的表面改質劑包括V族氯化物、三乙基鎵（TEGa）、三乙基銦（TEIn）、三乙基鋁（TEAl）、電漿氨（NH 3）、電漿氫（H）和電漿氘（D）。用於p型磊晶生長的合適的V族氯化物的實例包括氯化鋁，例如AlCl 3、氯化鎵，例如GaCl 3和氯化銦，例如InCl 3。
表面改質劑可作為預處理氣體供應。預處理氣體可注入處理腔室並吸附在暴露的介電表面和暴露的矽表面上。化學改變介電表面和矽表面，使得表面對形成磊晶層的沉積氣體更有反應性。
預處理氣體用於在磊晶層形成時連續蝕刻磊晶層，並在磊晶層沉積到超晶格結構上時改善磊晶層的過度生長。磊晶層選擇性地僅形成在超晶格結構相對於氧化物或非結晶表面的結晶部分上。在某些製程條件下，磊晶層在結晶層上抵抗成核，並過度生長間隔物。例如，含有過量HCl的製程條件會對間隔物起到「過度選擇性」作用，使得磊晶矽層空腔的持續填充導致孔隙形成。使用預處理氣體，磊晶層的生長形態不那麼參差不齊，孔隙減少。
這種改善磊晶層生長形態的方法不需要改變磊晶製程。改變製程以適應成核和過度生長會損害其他製程變數，如選擇性、處理量和層結構。此外，預定量或順序定量允許生長製程參數與成核和過度生長問題去耦。
第1圖示出了根據一個實施例的hGAA結構100的示意性等距視圖。hGAA結構100包括具有交替的第一層106和第二層108的多材料層105，第二層108中形成有在hGAA結構100中使用的間隔物110。hGAA結構100利用多材料層105作為源極114a、汲極114b和閘極結構112之間的奈米線（例如，通道）。源極/汲極114a、114b由根據方法300形成的磊晶矽層115a、115b形成。如第1圖中所示的多材料層105的橫截面圖所示，形成在每個第二層108的底部（例如，或端部）的間隔物110有助於管理第二層108和源極/汲極114a、114b之間的介面，從而降低寄生電容並保持最小的元件洩漏。
hGAA結構100包括安置在基板102的頂表面103上的多材料層105，例如安置在基板102上的可選材料層104的頂部。在其中可選材料層104不存在的實施例中，多材料層105直接形成在基板102上。
基板102可以是諸如結晶矽（例如，Si＜100＞或Si＜111＞）、氧化矽、應變矽、矽鍺、鍺、摻雜或未摻雜多晶矽、摻雜或未摻雜矽晶圓和圖案化或非圖案化晶圓絕緣體上矽（silicon on insulator; SOI）、摻碳的氧化矽、氮化矽、摻雜矽、鍺、砷化鎵、玻璃或藍寶石的材料。基板102可以具有各種尺寸，例如200 mm、300 mm、450 mm或其他直徑，並且是矩形或方形面板。除非另有說明，否則所描述的實例是在具有200 mm直徑、300 mm直徑或450 mm直徑的基板上進行的。
在一個實例中，可選材料層104是絕緣材料。絕緣材料的合適實例可以包括氧化矽材料、氮化矽材料、氧氮化矽材料或任何合適的絕緣材料。或者，可選材料層104可以是任何合適的材料，視需要包括導電材料或非導電材料。多材料層105包括至少一對層，每對層包括第一層106和第二層108。儘管第1圖中描述的實例示出了四對和第一層106蓋，但每對包括第一層106和第二層108（交替對，每對包括第一層106和第二層108）。附加的第一層蓋106安置為多材料層105的頂部。對的數量可以基於不同的製程需要而變化，需要額外的或不需要額外的第一層106或第二層108。在一個實施例中，每個第一層106的厚度可以在約20Å和約200Å之間，例如約50Å，並且每個第二層108的厚度可以在約20Å和約200Å之間，例如約50Å。多材料層105可以具有約10Å和約5000 Å之間，例如約40Å和約4000Å之間的總厚度。
第一層106是結晶材料層，例如單晶矽層、多晶矽層或單結晶矽層。使用磊晶沉積製程形成第一層106。或者，第一層106是摻雜矽層，包括p型摻雜矽層或n型摻雜層。合適的p型摻雜劑包括B摻雜劑、Al摻雜劑、Ga摻雜劑、In摻雜劑等。合適的n型摻雜劑包括N摻雜劑、P摻雜劑、As摻雜劑、Sb摻雜劑等。在又一實例中，第一層106是III-V族材料，例如GaAs層。
第二層108是非結晶材料層。在一些實施例中，第二層108是含Ge層，例如SiGe層、Ge層或其他合適的層。或者，第二層108是摻雜矽層，包括p型摻雜矽層或n型摻雜層。在又一實例中，第二層108是III-V族材料，例如GaAs層。在又一實例中，第一層106是矽層，並且第二層108是在金屬材料的外表面上具有高k材料塗層的金屬材料。高k材料的合適實例包括二氧化鉿（HfO 2）、二氧化鋯（ZrO 2）、矽酸氧化鉿（HfSiO 4）、氧化鋁鉿（HfAlO）、矽酸氧化鋯（ZrSiO 4）、二氧化鉭（TaO 2）、氧化鋁、摻鋁的二氧化鉿、鉍鍶鈦（bismuth strontium titanium; BST）或鉑鋯鈦（platinum zirconium titanium; PZT）等。在一個特定實施例中，塗層是二氧化鉿（HfO 2）層。在一些實施例中，第二層108是與閘極結構112相似的材料，以圍繞第一層106形成包繞閘極。
間隔物110中的每一個鄰近第二層108的端部形成，並且可以被認為是第二層108的一部分。間隔物110是介電間隔物、氣隙或介電間隔物和氣隙的組合。間隔物110可以具有任何已知的形狀。在一些實施例中，間隔物可以是新月形、三角形、正方形、矩形、不規則形狀等。間隔物110可以藉由使用蝕刻前驅物蝕刻掉每個第二層108的一部分來形成，以在每個第二層非結晶層的端部形成凹槽。間隔物110形成在鄰近每個第二層108的凹槽中。在沉積間隔物110之前，襯墊層（未示出）可以另外沉積在凹槽內。間隔物110由介電材料形成，並將形成為第一層106的每個奈米線或奈米片分開。在一些實施例中，間隔物110經選擇為可以降低hGAA奈米線結構中閘極和源極/汲極114a、114b之間的寄生電容的含矽材料，例如低K材料。含矽材料或低K材料可以是氮化矽、氧化矽、氮氧化矽、碳化矽、氧碳化矽、碳氮化矽、摻雜矽層或其他合適的材料，例如可從應用材料獲得的Black Diamond ®材料。
在一個實施例中，間隔物110是低k材料（例如，介電常數小於4）或含有氧化矽/氮化矽/碳化矽的材料。在其他實施例中，間隔物110是氣隙。
閘極結構112安置在多材料層105的上方和周圍。根據一個實施例，閘極結構112包括閘電極層，並且還可以包括閘極介電層、閘極間隔物和遮罩層。閘極結構112的閘電極層包括多晶矽層或覆蓋有多晶矽層的金屬層。閘電極層可以包括金屬氮化物（例如氮化鈦（TiN）、氮化鉭（TaN）或氮化鉬（MoN x））、金屬碳化物（例如碳化鉭（TaC）或碳化鉿（HfC））、金屬碳氮化物（例如TaCN）、金屬氧化物（例如氧化鉬（MoO x））、金屬氧氮化物（例如氧氮化鉬（MoO xN y））、金屬矽化物（例如矽化鎳）或其組合。閘電極層安置在多材料層105的頂部和周圍。
閘極介電層可以視情況安置在閘電極層的下方和多材料層105的下方。可選的閘極介電層可以包括氧化矽（SiO 2），其可以藉由第一層106和/或第二層108中的一個或多個的熱氧化或者藉由任何合適的沉積製程形成。用於形成閘極介電層的合適材料包括氧化矽、氮化矽、氮氧化物、金屬氧化物如氧化鉿（HfO 2）、氧化鉿鋯（HfZrO x）、氧化鉿矽（HfSiO 2）、氧化鉿鈦（HfTiO x）、氧化鉿鋁（HfAlO x）及其組合和其中的多層。閘極間隔物形成在閘電極層的側壁上。每個閘極間隔物包括氮化物部分和/或氧化物部分。遮罩層形成在閘電極層的頂部，並且可以包括氮化矽。
描述了在hGAA結構100上形成源極/汲極114a、114b的磊晶矽層115a、115b的組成和形成。
第2A~2C圖是對應於方法300的各個階段的GAA結構的一部分的橫截面圖。第3圖是根據一個實施例的處理基板的方法300的流程圖。方法300可用於在具有所需材料的基板上形成用於水平環繞式閘極（hGAA）半導體元件結構的奈米線結構和磊晶矽層。參考第2A~2C圖，提供了在製造的不同階段的環繞式閘極結構的橫截面圖來說明第3圖的方法。雖然第2A~2C圖是關於方法300描述的，應當理解，第2A~2C圖揭示的結構不限於方法300，而是可以作為獨立於方法300的結構單獨存在。類似地，儘管關於第2A~2C圖描述了方法300，應當理解，方法300不限於第2A~2C圖揭示的結構。但是可以獨立於第2A~2C圖中揭示的結構。
第2A~2C圖根據一個實施例示出第1圖的hGAA結構100的形成的示意性橫截面圖。hGAA結構100是使用第3圖的方法300形成的。所描述的hGAA結構100是n通道金屬氧化物半導體（NMOS）元件。因此，hGAA結構100內的摻雜劑是n型摻雜劑，例如磷、砷、銻或上述的任意組合。根據一個實施例，摻雜劑包括磷（P）。
源極/汲極114a、114b由磊晶矽層115a、115b形成。磊晶矽層115a、115b可以是n型摻雜的磊晶矽層。磊晶矽層115a、115b可以由含矽材料、摻雜矽材料、複合矽材料或不含矽材料形成。例如，磊晶矽層115a、115b可以是矽、摻磷的矽、矽鍺材料、鍺或其他類似材料。
關於第2A描述的多材料層105和閘極結構112形成在基板102和可選材料層104上。在開始方法300之前，hGAA結構100類似於第2A中的結構。 多材料層105和閘極結構112的組合可以經描述為膜堆疊。使用複數個沉積操作形成多材料層105，以形成複數個交替的第一層106和第二層108。回蝕第二層108的一部分，並且形成間隔物110。
閘極結構112圍繞多材料層105形成。在一些實施例中，閘極結構112的閘電極層是與多材料層105內的每個第二層108的材料相似的材料。閘極結構112和第二層108圍繞第一層106中的每一層形成包繞閘極。第一層106充當安置在包繞閘極內的奈米線或奈米片。在形成源極/汲極114a、114b的磊晶矽層115a、115b之後，第一層106用作磊晶矽層之間的通道。
在形成膜堆疊之後，形成源極/汲極114a、114b的磊晶矽層115a、115b在如第3圖所示的方法300期間形成。
在一個實施例中，方法300包括操作310。操作310包括將基板暴露於遠端電漿乾式蝕刻製程。在一個實施例中，操作310可以是遠端電漿輔助乾式蝕刻製程，其涉及將基板同時暴露於H 2、NF 3和NH 3電漿副產物。氫和氟物種的遠端電漿激發允許無電漿損傷的基板處理。蝕刻在很大程度上是共形的，並且對氧化矽層有選擇性，但是不管矽是無定形的、結晶的還是多晶的，都不容易蝕刻矽。在一個實例中，操作310的遠端電漿乾式蝕刻處理是SiCoNi ®蝕刻處理，其可以在SiCoNi腔室中進行，該SiCoNi腔室可從加利福尼亞州聖克拉拉市的應用材料公司獲得。操作310可以在預清潔腔室，例如，如第5圖所示的清潔腔室516中執行。
在操作320，方法300包括將基板載入處理腔室。處理腔室可以是磊晶沉積腔室，例如，如第4圖所示的處理腔室400。處理腔室400可以定位在叢集工具上，例如叢集工具501，作為處理腔室，例如複數個處理腔室502、503、516、518中的至少一個，如第5圖所示。
在操作330，方法300包括使處理腔室達到沉積溫度。在一個實施例中，沉積溫度可以在200℃到800℃的範圍內。在另一個實施例中，沉積溫度可以在400℃到800℃的範圍內。在又一個實施例中，沉積溫度可以在600℃到700℃的範圍內。在又一個實施例中，沉積溫度為攝氏400度或更高。可以調節處理腔室中的壓力，使得反應區域壓力在約1托至約760托的範圍內，或者在約1托至約600托的範圍內，或者在約100托至約500托的範圍內，或者在約200托至約400托的範圍內。
在操作340處，方法300還包括將預處理氣體注入處理腔室並在暴露的介電表面（例如，非結晶表面）和暴露的Si表面（例如，結晶表面）上吸附。在另一個實施例中，操作340包括將預處理氣體注入處理腔室，並在暴露的非結晶表面和暴露的結晶表面上吸附。預處理氣體可用於n型磊晶生長或p型磊晶生長。預處理氣體包括分子或表面改質劑，該分子或表面改質劑經配置成降低暴露的介電表面和暴露的矽表面之間的界面能，從而在操作350期間促進介電表面從矽表面的過度生長。該分子或表面改質劑也可充當暴露表面上的蝕刻劑。在一些實施例中，對於n-型磊晶生長，分子可以是V族氯化物、三級丁基胂（TBAs）、三乙基銻（TESb）、三乙基胂（TEAs）、電漿氨（NH 3）、電漿氫（H）和/或電漿氘（D）。用於n型磊晶生長的合適的V族氯化物包括氯化磷、氯化砷和氯化銻。在具有n型磊晶生長的一些實施例中，分子是PCl 3、AsCl 3或SbCl 3。在一些實施例中，對於p型磊晶生長，分子可以是V族氯化物、三乙基鎵（TEGa）、三乙基銦（TEIn）、三乙基鋁（TEAl）、電漿氨（NH 3）、電漿氫（H）和/或電漿氘（D）。用於p型磊晶生長的合適的V族氯化物包括氯化鎵、氯化鋁和氯化銦。在具有p型磊晶生長的一些實施例中，分子是GaCl 3、AlCl 3或InCl 3。
在一些實施例中，預處理氣體伴隨有載氣。可以使用任何合適的載氣。載氣可以是惰性氣體。載氣可以選自H 2、N 2、氬、氦或其組合。
在一些實施例中，暴露的非結晶表面（例如，介電表面）包括氧化矽（SiO）、二氧化矽（SiO 2）、氮化矽（SiN）、碳氮化矽（SiCN）、氧碳化矽（SiOC）、氧碳氮化矽（SiOCN）或其組合。
在一個或多個實施例中，碳氮化矽膜具有式SiC yN z，其中y和z都大於零。在一個或多個實施例中，氧碳化矽膜具有式SiO xC y，其中x和y都大於零。在一個或多個實施例中，氧碳氮化矽具有式SiO xC yN z，其中x、y和z都大於零。在一個或多個實施例中，氧化矽膜具有式SiO x，其中x大於零，例如SiO或SiO 2。在一個或多個實施例中，氮化矽膜具有式Si vN z，其中v和z大於零，例如Si 3N 4。
在一些實施例中，執行操作340約10秒至約120秒的時間範圍，或者約10秒至約60秒的時間範圍。在其他實施例中，執行操作340的時間範圍從約20秒到約40秒。操作340可以在200托至400托的壓力範圍內操作。操作340中的預處理氣體的流速可以在1sccm至約1000sccm的範圍內。在其他實施例中，操作340中預處理氣體的流速可以在10sccm至100sccm的範圍內。在操作340期間載氣的流速可以在約5slm至約30slm的範圍內。
在操作350期間，將沉積氣體混合物引入處理腔室以生長形成源極/汲極114a、114b的磊晶矽層115a、115b。在至少一種實施方式中，沉積氣體混合物包括矽源氣體和n型摻雜劑。可以使用任何合適的矽源氣體。合適的矽源氣體的實例包括矽烷和氯矽烷，例如二矽烷（Si 2H 6）、四矽烷（Si 4H 10）、三氯矽烷（Cl 3SiH）、六氯二矽烷（Si 2Cl 6）、四氯矽烷（SiCl 4）、五氯二矽烷（Cl 5Si 2H）、八氯三矽烷（Cl 8Si 3）或其組合。可以使用任何合適的n型摻雜劑。在至少一種實施方式中，n型摻雜劑前驅物是含磷前驅物、銻前驅物或其組合。合適的銻前驅物的實例包括銻、三氯化銻、四氯化銻、五氯化銻、三苯基銻、三氫化銻、三氧化二銻、五氧化二銻、三氟化銻、三溴化銻、三碘化銻、三溴化銻、三碘化銻、五氟化銻、三乙基銻和三甲基銻中的一種或組合。合適的含磷前驅物的實例包括膦、三甲基膦、二甲基膦、三乙基膦、二乙基膦、三級丁基膦或其組合。可以使用任何合適的p型摻雜劑。例如GeH 4、B 2H 6、BCl 3或其組合。
在用於n型沉積的一些實施例中，沉積氣體混合物包括DCS/PH 3、TCS/PH 3、DCS/AsH 3、Si 2H 6/PH 3、Si 2H 6/PH 3、Si 4H 10/PH 3或其組合。
在用於p型沉積的一些實施例中，沉積氣體混合物包括DCS/GeH 4/B 2H 6、SiH4/GeH 4/B 2H 6、SiH 4/GeH 4/BCl 3、Si 2H 6/GeH 4/B 2H 6或其組合。
在操作350執行的磊晶沉積製程可以從多材料層105的第一層106生長磊晶矽層115a、115b，如第2B圖所示。由於該實例中的第一層106由諸如矽的結晶材料製造，故操作350的磊晶沉積製程可以從第一層106的側壁206而不是從間隔物110（例如，矽介電層）生長。
然後可以連續生長磊晶矽層115a、115b，形成成形結構，例如類金剛石頂部結構，以形成基板102上的水平環繞式閘極（hGAA）半導體元件所需的源極/汲極區域和源極/汲極延伸區域。由於在操作350執行的磊晶生長製程可以提供選擇性沉積製程，以主要在作為矽材料的第一層106的側壁206的頂部以及在也是矽材料的基板102（當不存在可選材料層104時）上形成磊晶矽層115a、115b，因此可以靠近間隔物110的側壁210形成間隙（例如，孔隙、空間或氣隙）。矽材料對由間隔物110形成的介電材料是惰性的。因此，在磊晶沉積製程期間，實現選擇性沉積製程，以主要沉積第一層106的側壁206頂部的磊晶矽層115a、115b，因為矽材料對由間隔物110形成的介電材料大多是惰性的。如果存在，則形成在間隔物110的側壁210頂部的間隙隨後可用於形成作為奈米線間隔物的一部分（與間隔物110一起），用於基板上的水平環繞式閘極（hGAA）半導體元件的奈米線結構。
形成源極/汲極114a、114b的磊晶矽層115a、115b可以從沉積在基板102上的每個第一層106生長，並且每個第一層106位於多材料層205內，如第2B圖所示。磊晶矽層115a、115b可以具有從約1奈米到約10奈米的厚度範圍。在所示的實施例中，磊晶矽層115a、115b沉積在由諸如Si的結晶材料製造的第一層106和基板102的暴露部分上，並且磊晶矽層115a、115b不沉積在由介電材料製造的閘極結構112或間隔物110上。可以調節處理腔室中的壓力，使得反應區域壓力在約1至約760托的範圍內，或在約1托至約600托的範圍內，或在約100托至約300托的範圍內，或在約200托至約300托的範圍內。在一些實施例中，載氣（例如氮氣）可以以大約1至40 SLM（標準公升/分鐘）的流速流入處理腔室。
操作350中使用的沉積氣體混合物包括含矽前驅物，例如氯矽烷前驅物。合適的氯矽烷前驅物包括二氯矽烷（dichlorosilane; DCS）、三氯矽烷（trichlorosilane; TCS）或其組合。含矽前驅物可以與摻雜氣體共流，摻雜氣體例如，n型摻雜氣體或p型摻雜氣體。
在操作350中使用的沉積氣體混合物可以進一步包括摻雜劑氣體，例如n型摻雜劑或p型摻雜劑。在一些實施例中，n型摻雜劑可以是磷（P）、砷（As）、銻（Sb），並且在鎵砷（GaAs）中可以是：硫（S）、硒（Se）、錫（Sn）、矽（Si）和碳（C）。p型摻雜劑包括但不限於硼（B）。示例性摻雜劑氣體可以包括諸如BH 3的含硼氣體或諸如PH 3或AsH 3的含磷或含砷氣體，其中氣相中雜質的濃度決定其在磊晶矽層115a、115b中的濃度。根據示例性實施例，磊晶矽層115a、115b由原位摻雜（即在生長期間）磊晶材料形成，例如原位摻雜磊晶Si、摻碳的矽（Si：C）和/或SiGe。在操作350中使用原位摻雜製程僅僅是一個實例。例如，可以使用非原位製程將摻雜劑引入磊晶矽層115a、115b。也可以利用其他摻雜技術將摻雜劑結合到磊晶矽層115a、115b中。摻雜劑技術包括但不限於離子佈置、氣相摻雜、電漿摻雜、電漿浸沒離子佈置、叢集摻雜、浸入摻雜、液相摻雜、固相摻雜、原位磊晶生長或這些技術的任何合適組合。
沉積氣體混合物還可以包括載氣。可以使用任何合適的載氣。載氣可以是惰性氣體。例如，沉積氣體可以進一步包含H 2、N 2、氬、氦或其組合。
在一些實施例中，操作340和操作350完全重疊。在其他實施例中，操作340和操作350部分重疊。在其他實施例中，操作340和操作350不重疊。
在一些實施例中，操作340和操作350僅執行一次。在其他實施例中，操作350僅執行一次，並且操作340執行兩次-第一次在操作350之前，而第二次在操作350之後。在其他實施例中，複數次執行操作340和操作350。
磊晶矽層115a、115b中的過度生長量和均勻性可以藉由改變處理條件來控制，例如預處理氣體的分壓、預處理氣體中的分子比、處理溫度、操作340和操作350的重複次數和/或層厚度。
在一些實施例中，經由操作340，在第一處理腔室中執行磊晶矽層115a、115b的預處理，且經由操作350，在第二處理腔室中執行磊晶矽層115a、115b上的氣體沉積。在其他實施例中，磊晶矽層115a、115b的預處理和磊晶矽層115a、115b的沉積在一個腔室中進行。
第4圖是示例性處理腔室400的示意性側面橫截面圖，其可用於實施本揭示案中討論的沉積處理的各種實施例。腔室400可用於執行化學氣相沉積，例如磊晶沉積製程，但腔室400可用於蝕刻或其他製程。腔室400包括由耐處理材料製成的外殼結構402，例如鋁或不銹鋼。外殼結構402封閉處理腔室400的各種功能元件，例如石英腔室404，其包括上腔室406和下腔室408，其中包含處理容積410。由塗佈有矽材料（例如碳化矽）的陶瓷材料或石墨材料製成的基板支撐件412用於在石英腔室404內接收基板414。基板支撐件412包括耦合到基板支撐組件464的提升機構472和旋轉機構474。提升機構472可用於沿中心軸線「A」移動基板支撐件412。旋轉機構474可用於圍繞中心軸線「A」旋轉基板支撐件412。來自前驅物反應物材料的反應性物種經施加到基板414的處理表面416，並且隨後可以從處理表面416移除副產物。
基板414和/或處理容積410的加熱由能量源提供，該能量源可以是輻射源或熱源。輻射源可以包括UV、IR和可見光頻率燈、雷射和發光二極體，或者它們的任何組合。熱源可以是雷射、發光二極體和白熾燈，或者它們的組合。在第4圖所示的一個實施例中，能量源是使用燈的輻射源，例如上燈模組418A和/或下燈模組418B。在一個實施例中，如第4圖所示，水平安裝燈模組418A、418B。在一個實例中，上燈模組418A和下燈模組418B是紅外燈。來自燈模組418A和418B的輻射行進穿過上腔室406的上石英窗口420，並穿過下腔室408的下石英窗口422。若需要，用於上腔室406的冷卻氣體經由入口424進入，並經由出口426排出。
反應性物種藉由氣體分配組件428提供給石英腔室404，並且藉由排氣組件430從處理容積410移除處理副產物，排氣組件430通常與真空源（未示出）連通。前驅物反應物材料以及用於腔室400的稀釋劑、淨化和排氣氣體可以經由氣體分配組件428進入，並經由排氣組件430排出。處理腔室400包括多個襯墊432A~432G。襯墊432A~432G將處理容積410屏蔽隔離圍繞處理容積410的金屬壁434。在一個實施例中，襯墊432A~432G包括製程套件，該製程套件覆蓋可以與處理體積410連通或以其他方式暴露於處理體積410的所有金屬部件。
下襯墊432A安置在下腔室408中。上襯墊432B至少部分地安置在下腔室408中，並且鄰近下襯墊432A。排氣插入襯墊組件432C安置在上襯墊432B附近。在第4圖中，排氣插入襯墊432D鄰近排氣插入襯墊組件432C安置，並且可以替換上襯墊432B的一部分以便於安裝。注入器襯墊432E示出在處理容積410的與排氣插入襯墊組件432C和排氣襯墊432D相對的一側上。注入器襯墊432E經配置為歧管，以向處理容積410提供一種或多種流體，例如氣體或氣體的電漿。一種或多種流體藉由注入插入襯墊組件432F提供給注入器襯墊432E。擋板襯墊432G耦合到注入插入襯墊組件432F。擋板襯墊432G耦合到第一氣源435A和第二氣源435B，並向注入插入襯墊組件432F和形成在注入器襯墊432E中的氣體出口436A和436B提供氣體。
在一個實施例中，一種或多種氣體從第一氣體源435A、第二氣體源435B和第三氣體源435C經由擋板襯墊432G、注入插入襯墊組件432F以及經由形成在注入器襯墊432E中的一個或多個氣體出口436A和436B提供到處理容積410。形成在注入器襯墊432E中的一個或多個氣體出口436A和436B耦合到配置為成角度/層狀流路徑433A或433B的出口。如下文將更詳細討論的，一個或多個氣體出口436A相對於平行於基板表面的軸線「A」成不同的角度，以調節基板上的膜均勻性。氣體出口436A和436B經配置成提供具有不同參數（例如速度、密度或組成）的單個或多個氣流。
在採用多個氣體出口436A和436B的一個實施例中，氣體出口436A和436B可以沿著氣體分配組件428（例如，注入器襯墊432E）的圓周的一部分以基本線性佈置分佈，以提供足夠寬的氣流，從而基本覆蓋基板的直徑。例如，氣體出口436A和436B中的每一個可以儘可能地佈置成至少一個線性組，以提供大體上對應於基板直徑的氣流。從氣體出口436A出來的氣體沿著流動路徑433B流動，該流動路徑433B大體上相對於軸線A'（基本上垂直於腔室400的縱向軸線A'）成一定角度，並且與從氣體出口436B出來的氣體混合。氣體或氣體混合物沿著流路433A、433B流過基板的整個表面，並沿著排氣流路433C進入排氣襯墊432D中的氣室437。氣室437耦合到排氣泵或真空泵（未示出）。在一個實施例中，氣室437耦合到歧管439，歧管439在基本上平行於縱向軸線A'的方向上引導排氣流路433C。至少注入插入襯墊組件432F可以穿過注入蓋429安置並由注入蓋429部分支撐。
第5圖是根據一個實施例的用於處理基板的系統500的示意圖。系統500可用於進行第3圖所示的方法300的操作。系統500包括叢集工具501。系統500的叢集工具501包括耦合到一個或多個移送腔室504和510的一個或多個處理腔室502、503、516、518（示出了複數個處理腔室502、503、516、518）。
第一移送腔室504耦合到一個或多個磊晶腔室502。第一移送腔室504具有中央安置的移送機器人515，用於在磊晶腔室502、蝕刻腔室503和複數個傳遞站506之間移送基板。第一移送腔室504經由傳遞站506耦合到第二移送腔室510，第二移送腔室510耦合到用於清潔基板的清潔腔室516和退火腔室518。第二移送腔室510具有中央安置的移送機器人514，用於在一組裝載閘腔室512和清潔腔室516之間移送基板。工廠介面520藉由裝載閘腔室512連接到第二移送腔室510。工廠介面520耦合到裝載閘腔室512相對側的一個或多個艙盒530。艙盒530通常是可從安置有叢集工具501的清潔腔室進入的前開式晶圓移送盒（front opening unified pod; FOUP）。
在該操作的一個實施例中，可以首先將基板移送到預清潔基板的清潔腔室516。然後將基板轉移到一個或多個蝕刻腔室503，其中基板暴露於原子氫自由基以蝕刻基板並從基板移除結核，如操作310所述。然後將基板移送到一個或多個處理腔室502，以選擇性地在基板上生長磊晶層，如操作340和350所述。然後，基板可以移送到退火腔室518，在退火腔室518中，形成在基板上的磊晶層經退火到退火溫度。
第一移送腔室504和第二移送腔室510在操作期間保持在真空下，使得移送機器人514和515在真空下在所有處理腔室、裝載閘腔室512和傳遞站506之間移送基板。在真空下轉移基板有助於減少污染的機會，提高所沉積磊晶膜的品質，並在重複注入預處理氣體和引入沉積氣體操作140和150之前提供可選預清潔製程。本揭示案設想系統500中所示的一個或多個腔室可以不被聚集到叢集工具501中。例如，系統500中的蝕刻腔室503和/或退火腔室518中的一個或兩個可以與具有清潔腔室516和磊晶腔室502的叢集工具501分離（不聚集）。當帶回基板（從單獨的蝕刻腔室和單獨的退火腔室）以重複磊晶操作時，存在清潔腔室516的使用，除非叢集工具501能夠接收凈化的FOUP或便攜式真空站以在基板經移送出和移送到叢集工具501中時最小化污染。
在第5圖所示的實施例中，清潔腔室516、磊晶腔室502、蝕刻腔室503和退火腔室518彼此不同。在可以與其他實施例結合的一個實施例中，處理腔室502和503的每個處理腔室是單個處理腔室，其中執行操作310、320、330、340、350、重複操作340和重複操作350中的每一個。
系統500包括非暫時性電腦可讀媒體550，其經配置為控制叢集工具501的操作。非暫時性電腦可讀媒體550耦合到艙盒530、工廠介面520、裝載閘腔室512、第二移送腔室510、移送機器人514、清潔腔室516、磊晶腔室502、第一移送腔室504、移送機器人515、蝕刻腔室503和退火腔室518以控制其操作。非暫時性電腦可讀媒體550包括指令，該等指令在執行時使清潔腔室516、磊晶腔室502、蝕刻腔室503和退火腔室518進行方法300的操作。在可以與其他實施例結合的一個實施例中，非暫時性電腦可讀媒體550是包括指令的控制器。
雖然前述針對本揭示案之實施例，但是可以在不脫離其基本範圍的情況下設計本揭示案之其他和進一步的實施例，並且其範圍由下文的請求項決定。
100:水平環繞式閘極結構 102:基板 103:頂表面 104:可選材料層 105:多材料層 106:第一層 108:第二層 110:間隔物 112:閘極結構 114a:汲極 114b:汲極 115a:磊晶矽層 115b:磊晶矽層 206:側壁 210:側壁 300:方法 310:操作 320:操作 330:操作 340:操作 350:操作 400:腔室 402:外殼結構 404:石英腔室 406:上腔室 408:下腔室 410:處理容積 412:基板支撐件 414:基板 416:處理表面 418A:燈模組 418B:燈模組 420:上石英窗口 422:下石英窗口 424:入口 426:出口 428:氣體分配組件 429:注入蓋 430:排氣組件 432A:下襯墊 432B:上襯墊 432C:排氣流路 432D:排氣襯墊 432E:注入器襯墊 432F:注入插入襯墊組件 432G:擋板襯墊 433A:流路 433B:流路 433C:排氣流路 434:金屬壁 435A:第一氣體源 435B:第二氣體源 435C:第三氣體源 436A:氣體出口 436B:氣體出口 437:氣室 439:歧管 464:基板支撐組件 472:提升機構 474:旋轉機構 500:系統 501:叢集工具 502:磊晶腔室 503:蝕刻腔室 504:第一移送腔室 506:傳遞站 510:第二移送腔室 512:裝載閘腔室 514:移送機器人 515:移送機器人 516:清潔腔室 518:退火腔室 520:工廠介面 530:艙盒 550:非暫時性電腦可讀媒體 A':軸線 A'':軸線 X:軸 Y:軸 Z:軸
為了能夠詳細理解本揭示案之上述特徵的方式，可以藉由參考實施例來具有以上簡要總結的本揭示案之更具體的描述，其中一些實施例在附圖中示出。然而，要注意的是，附圖僅示出了本揭示案之典型實施例，因此不被認為是對其範圍的限制，因為本揭示案可以允許其他同樣有效的實施例。
第1圖示出了根據本揭示案之一個實施例的水平環繞式閘極（hGAA）結構的示意性等距視圖。
第2A~2C圖根據本揭示案之一個實施例示出了形成第1圖的hGAA結構的各個階段的示意性橫截面圖。
第3圖示出了根據本揭示案之一個實施例的形成半導體元件的方法的流程圖。
第4圖示出了根據本揭示案之一個實施例的示例性處理腔室的示意性側面橫截面圖。
第5圖示出了根據本揭示案之一個實施例的用於處理基板的系統的示意性俯視圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100:水平環繞式閘極結構
102:基板
103:頂表面
104:可選材料層
105:多材料層
106:第一層
108:第二層
110:間隔物
112:閘極結構
114a:汲極
114b:汲極
206:側壁
210:側壁

Claims (20)

  1. 一種形成一半導體元件的方法，包括以下步驟： 將一基板定位到一處理腔室中，該基板具有一暴露的非結晶表面和一暴露的結晶表面； 將該處理腔室加熱到用於沉積的一溫度； 將一預處理氣體注入該處理腔室，其中該預處理氣體包括經配置成降低該暴露的非結晶表面和該暴露的結晶表面之間的界面能的一分子；以及 將一沉積氣體注入該處理腔室，以在該暴露的結晶表面上選擇性地生長一n型摻雜磊晶矽層。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該分子是一V族氯化物。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該分子選自由PCl 3、AsCl 3和SbCl 3組成的一群組。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該注入一預處理氣體之步驟和該注入一沉積氣體之步驟至少部分重疊。
  5. 如請求項1所述之方法，其中在該注入一沉積氣體之步驟之前完成該注入一預處理氣體之步驟。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該注入一預處理氣體之步驟和該注入一沉積氣體之步驟按順序重複複數次。
  7. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：將該基板暴露於一乾式蝕刻劑以從該基板的一表面移除污染物。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該暴露的非結晶表面包括氧化矽、氮化矽、碳氮化矽、碳氧化矽、碳氮化矽或其一組合。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該乾式蝕刻包括以下步驟：將該基板暴露於H 2、NF 3、NH 3和電漿副產物。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該複數個暴露的矽層具有＜110＞結構。
  11. 如請求項1所述之方法，其中用於沉積的該溫度為攝氏400度或更高。
  12. 如請求項1所述之方法，其中在約1托至約760托一範圍內的一壓力下進行該注入一預處理氣體之步驟。
  13. 一種形成一半導體元件的方法，包括以下步驟： 將一基板定位到一處理腔室中，該基板具有形成在其上的一多材料層，該多材料層包括複數個Si 1-xGe x層上的複數個暴露的介電表面和複數個暴露的矽層； 將該處理腔室加熱到用於沉積的一溫度； 將一預處理氣體注入該處理腔室，其中該預處理氣體包括經配置成降低該複數個暴露的介電表面和該複數個暴露的矽層之間的界面能的一分子；以及 將一沉積氣體注入該處理腔室，以在該暴露的矽層上選擇性地生長一n型摻雜磊晶矽層。
  14. 如請求項13所述之方法，其中該暴露的介電表面包括SiC yN z，其中y大於或等於零且z大於零。
  15. 如請求項13所述之方法，其中該分子是一V族氯化物。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該分子選自由PCl 3、AsCl 3和SbCl 3組成的一群組。
  17. 一種形成一半導體元件的方法，包括以下步驟： 將一基板定位到一清潔腔室中，該基板上具有形成於其上的一多材料層，該多材料層包括安置在複數個Si 1-xGe x層的外表面上的複數個介電表面和複數個矽層，該複數個Si 1-xGe x層與該複數個矽層以一交替圖案佈置； 將該基板暴露於一乾式蝕刻劑以從該基板的一表面移除污染物； 將該基板定位到一處理腔室中； 將該處理腔室加熱到用於沉積的一溫度； 將一預處理氣體注入該處理腔室，其中該預處理氣體包括經配置成降低該介電表面和該矽表面之間的界面能的一分子；以及 將一沉積氣體注入該處理腔室，以在該暴露的矽表面上選擇性地生長一n型摻雜磊晶矽層。
  18. 如請求項17所述之方法，其中該分子是一V族氯化物。
  19. 如請求項17所述之方法，其中該注入一預處理氣體之步驟和該注入一沉積氣體之步驟按順序重複複數次。
  20. 如請求項17所述之方法，其中該暴露的介電表面包括氧化矽、氮化矽、碳氮化矽、碳氧化矽、碳氮氧化矽或其一組合。
TW112141031A 2022-10-26 2023-10-26 用於增強磊晶成核及潤濕的表面改質劑 TW202425095A (zh)

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