TW487957B - Selective epitaxial growth method in semiconductor device - Google Patents

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Jung-Min Ha
Si-Young Choi
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Description

487957 A7 五、發明說明（/ ) 本申請案係依賴於韓國專利申請案第2⑻0-46680案之 優先權上，其係於2000年8月11日申請，在此該案之全 部內部係倂入以做爲參考之用。 發明之領域 本發明係相關於製造一半導體元件內之方法，且尤其 是，相關於在一半導體元件內一選擇性磊晶成長之方法。 相關先前技術之說明 由於積體電路元件已變成愈來愈高度積體化且包括更 細的幾何形狀，線寬及連接線之間隔也同樣被減少。因此 ，一自我對準技術已被要求以達到解決一對準誤差的問題 〇 選擇性磊晶成長技術已被建議爲其可做爲具有自我對 準技術之一種。該選擇性磊晶成長技術係主要用來做爲在 一半導體基底之一預定區域上成長一半導體層比如矽層或 者鍺層。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 日本公開專利公報第4139819號揭露一選擇性成長一 矽層之方法，該方法_藉由在一其內載有一半導體基底之 一腔內被交替地且重複地注入二矽烷(Si2H6)氣體及氯(CIO氣 體。在此，該二矽烷氣體係被用來爲一來源氣體，且該氯 氣體係被用來做爲一蝕刻氣體以除去在一絕緣層上的矽原 子核。 根據該日本公開專利公報第4139819號，在進行該氯 氣體注入時，氯原子會被吸附在該矽基底上的該成長矽層 之一表面上。所以，該矽會就被氯原子所保護。因此最終 3 、 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 487957 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _______—------------ 五、發明說明（上） 結果，縱使在一後續步驟中注入該砂來源氣體’該砍層是 成長非常緩慢地。 發明槪要 < 因此，本發明之一目的係提供一選擇性嘉晶成長的方 法，該方法係能夠改善一成長之選擇性，同時也改善一成 長速率。 本發明之另一目的係提供一選擇性嘉晶成長的方法’ 該方法係能夠除去因該蝕刻氣體造成之缺陷。 本發明之尙有另一目的提供一選擇性磊晶成長的方法 ，該方法係能夠藉由原先的方法而容易地調整雜質之摻雜 濃度。 < 這些目的及特點能夠藉由在一半導體元件之製造中的 選擇性磊晶成長方法來予以提供。此方法包括在一腔內載 入一半導體基底，其具有在該半導體基底之一預定區域上 的一絕緣層圖案且重複地實施至少兩次的成長製程，在該 成長製程中每一成長製程包括依序地注入一來源氣體，一 蝕刻氣體及一還原氣澤之三步驟。該絕緣層圖案可以對應 於該半導體基底之一預定區域處之一隔離層。而且，該絕 緣層可以更包括一蓋帽層及一間隔物以分別if覆蓋一閘極 之一頂表面及^一側壁。 在經載入該半導體基底至該腔內後，該腔使用一真空 啷筒而被抽真空且該半導體基底在一預先設定的溫度被加 熱。所以，該腔之內部空間係維持在一低壓，該低壓係小 於大氣壓力。然後，該來源氣體被注入該腔內。在此，該 4 ——ilr------fi (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· *線_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） " 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 487957 A7 B7 五、發明說明（$ ) 來源氣體包括一用於成長一半導體層之氣體。例如’該來 源氣體包括一矽來源氣體，一鍺來源氣體或是前述二者之 組合氣體。在此時候，該來源氣體係在該腔中之熱能量加 以分解，因而產生矽原子核，鍺原子核或是矽鍺(Si-Ge)原 子核。因此，在該半導體基底之表面處該矽原子核，鍺原 子核或是矽鍺(Si-Ge)原子核係以懸浮鍵相互連結。最終的 結果，一半導體層便形成在半導體基底之全部表面上。 在形成該半導體層之後，該來源氣體的注入便被停止 且該蝕刻氣體，例如：氯氣體，便被注入該腔內。該蝕刻 氣體會和該半導體層之原子起反應而且反應後之副產物氣 體化合物會自該腔排出而離開。因此，在該絕緣層圖案上 之該半導體層係選擇性地被除去。在相反的方面，形成在 該曝露出的半導體基底上之半導體層則仍然是存在的。這 是因爲該絕緣層圖案之表面處的吸收係數係與該暴露之半 導體基底的吸收係數並不相同。同時，在進行該蝕刻氣體 之注入時，存在於該曝露的半導體基底上之該半導體層可 以被該蝕刻氣體之原〒所保護住。那也就是說，該蝕刻氣 體之原子可以和該半導體層之原子相連結。 在經停止該蝕刻氣體之注入後，該還原氣體比如氫氣 體係被注入該腔的內部。該還原氣體會和該保護層之原子 起反應。因此，該保護層得以去除。最終結果，在一後續 步驟中進行該來源氣體之注入時，一新的半導體層可以容 易地成長在該前一半導體層之上。 而且，在進行含有注入該來源氣體，該蝕刻氣體及該 5 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
訂-----^----·線U 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 487957 A7 B7 五、發明說明（心） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 還原氣體之所有製程中的至少一個製程時，一摻雜物氣體 可以額外地注入該腔內部。因此’吾人便容易地分別控制 該各半導體層之摻雜濃度。最終結果，吾人所欲得之沿該 全部各半導體層的深度之摻雜縱剖面圖係屬可能的。該摻 雜氣體可以是一磷化氫(PH3)氣體·，一二硼院（B2H6)氣體或 是一砷化氫(AsH〇氣體。 圖式簡單說明 當閱讀下面特別實施例之詳細描述並係—合下面附圖 式時，該目前之本發明的其他特點將會更快地被理解到， 該圖式其中： 圖1爲根據本發明之用於解說一選擇性磊晶成長的方 法之一時間圖表。 圖2爲根據本發明之用於解說一選擇性磊晶成長的方 法之一製程的流程方塊圖。 較佳實施例詳細說明 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 現在本發明在此以後參考該上述附圖式時更完全地被 描述，在此附圖式中卒發明之較佳實施例係被以顯示於其 中。然而，本發明可以以不同形式之實施例表現且本發明 不應該被推定爲受限於前面所述之實施例。而是’這些實 施例係被提供以便使得本發明所揭露的可完全經由該實施 例，而得以讓熟悉該行業者完全淸礎本發明之範疇。 請參考圖1及圖2,在一半導體基底上形成一絕緣層 圖案，因而曝露出該半導體基底之一預先設定區域。該具 有絕緣層圖案之半導體基底係被載入一磊晶裝置（1)之一反 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 487957 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（t ) 應腔的內部。分配在一控制器之一第一寄存器中之”N”値係 被初始化至”0”，且分配在該控制器之一第二寄存器之”K” 値係被設定爲製程週期(3)之一預先設定値。此，該”N” 値指示出該製程之週期的數目，該製程乃係確實在該反應 腔中執行。在另一方面，該”K”値指示出該週期之所必要的 數目，此數目係由操作者所要求的。在該腔內部的空氣接 著藉由該真空啷筒加以抽成真空。在此時候，該腔內部的 壓力最好是控制到1(Τ8托耳或是更低(5)。然後，該半導體 基底被加熱至一預先設定的溫度，比如；450°C至800°C(7) 〇 在第一工作週期T1中，例如：8秒至12‘秒(9)，一來 源氣體係被注入該包括被加熱之半導體基底的腔內部。所 以，該來源氣體被熱能量加以分解。自該來源氣體中被分 解的原子係連結至該曝露的半導體基底以及該絕緣層圖案 之懸浮鍵。因此，在該基底之全部表面上形成一薄的半導 體層。例如，若在下述情況即矽烷（SiHO氣體，二矽烷 (SuHO氣體且一矽基底係用來做爲該半導體基底，則矽原 子會吸附在該具有絕緣層圖案之該矽基底的全部表面上。 因此’ 一薄的矽層便形成在該基底之全部表面上。在此時 候’在該曝露的矽基底上所成長之矽層具有和該矽基底相 同之晶格方向。 該來源氣體之選擇依照在該即將形成的半導體層來決 定的。例如，砂來源氣體係用來做爲以形成一矽層之來源 氣體’及鍺來源氣體係用來做爲以形成一鍺層之來源氣體 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-----'·----.線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 487957 A7 B7 五、發明說明（b ) 。而且，該來源氣體可以包括該矽來源氣體和該鍺來源氣 體以使得形成一鍺一矽(Ge-Si)層。該矽來源氣體可以包括 矽烷（SiH〇氣體，二矽烷（SuHO氣體或是二氯矽烷（SiH2Ch) 氣體，且該鍺來源氣體包括GeHU氣體。而且，一化合物半 導體層可以藉由使用除了上述之來源氣體外的其他來源氣 體而形成的。 經過停止該來源氣體之注入後，在第二工作週期（T2) ，例如：6秒至15秒（11)，一蝕刻氣體係被注入該腔內部 。該鈾刻氣體係包括一氣體，其係和在該絕緣層圖案上之 半導體層的原子起高度反應。也就是說，該蝕刻氣體最好 是氯氣體。例如，假如在下述之情況即該半導體層係一矽 層時，在該絕緣圖案上之此一矽層會和該氯氣體起反應， 因而產生一副產物氣體化合物比如一 SiCU氣體。若在下述 情況即該半導層係一鍺層時，就不像上述情況，在該絕緣 層圖案上之鍺層和該氯氣體起反應，因而產生一副產物(氣 體化合物)比如一 GeCU氣體。該氣體化合物會自該腔中加 予排出。最終的結果，在該絕緣層上之半導體層便可選擇 性地被去除。 相反地，該蝕刻氣體並不會和在該曝露的半導體基底 上之半導體層反應而產生一揮發性氣體化合物比如SK：14氣 體或是GeCL·氣體。反而，該蝕刻性氣體之原子會吸附在 該曝露的半導體基底上之半導體層的表面上，因而在該半 導體層上形成一保護層。這是因爲該半導層之原子間的結 合能量比起該蝕刻氣體與該半導體層間之反應能量而言係 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) f 訂-----r----•線- 487957 A7 B7 五、發明說明（7 ) ^ 非常強大。只要該保護層一旦形成，縱使在一後續製程步 驟中注入該來源氣體，在前一半導體層上的一新半導體層 之成長速率將變成非常緩慢或是根本不會成長一新的半導 體層。換句話說，要得到在整個基底上之一均勻成長速率 係困難的。最終的結果，假如有保護層出現之情況下，則 該半導體層之表面粗糙度以及該半導體層之表面矩形狀溝 槽係很顯著地增加。該溝槽係由於該保護層之局部出現而 造成的。 4 經過停止該蝕刻氣體之注入後，在第三工作週期（τ3) ，例如：6秒至15秒（13)，將一還原氣體引入該腔內部。 最好是，該還原氣體係一氫氣體。該氫氣體係容易地與該 保護層（氯層)起反應。因此，氯化氫(HC1)將被產生，因而 除去在該半導體層上之保護層。 經過停止該還原氣體之注入後，該”Ν”値便被增加 ”1”(15)。該被增加之”Ν”値將和該”Κ”値相比較（17)。注入 該來源氣體，該蝕刻氣體及該還原氣體之步_(9，11，13) 係被重複地實施直到該”Ν”値等於該”Κ”値爲止，因而形成 一具有一所需厚度之半導體層。 在此同時，在進行該第一至第三工作週期CL·，Τ2，Τ3) 之至少一步驟時，一摻雜物氣體可以被額外地注入該腔內 部。譬如，該半導體能夠藉由在第一工作週期(Τ!)時引入該 腔內部之該摻雜物氣體而被雜質摻入，如圖1中所描畫。 該摻雜物氣體可以包括一磷化氫（PPL)氣體，二硼烷(Β2Η6) 氣體或是砷化氫(AsH〇氣體。因此，形成一在原位置之被 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------·線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 487957 A7 B7 五、發明說明（） 摻雜半導體層係屬可能的。而且，形成該在原位置之具有 一所需摻雜縱剖面的被摻雜半導體層也很容易，其係藉由 當進行每一製程週期時適當地控制該摻雜物氣體之流速。 下面舉一例子予以說明，如上所述根據本發明之一實 施例，一矽層可以選擇性地被成長在一半導體基底之一預 先設定區域之上。而且，爲了和本發明相比較起見，一傳 統矽層係被選擇性地成長在另一半導體基底之一預先設定 區域之上。在此，在一單晶矽基底之一預先設定區域處在 該半導體基底上提供有形成一隔離層的方式而提供該半導 體基底可定義一主動區域並在該半導體基底上提供有藉由 形成橫過該主動區域之複數個閘極圖案的方式。該隔離層 係使用一溝槽隔離技術及以一二氧化矽所形成的，且該閘 極圖案係藉由連續地將一被摻雜之複晶矽層，一矽化鎢層 及一高溫度氧化層，這些層係依序地重疊上去圖案化而形 的。而且，一由氮化矽構成之間隔物係形成在該閘極圖案 之側壁上。最終結果，該隔離層，該閘極圖案，及該間隔 物曝露該半導體基底之一部份比如一源/汲極區域。 在經載入該基底進入該腔內部後，在該腔內部之壓力 被調整至2X1CT8托耳。然後，該基底被加熱700°C的溫度 。之後，當做一矽來源氣體之二矽烷(SutL·)係以lOsccm(每 一分鐘之標準立方公分)的流速且爲期10秒而被引入該腔 內部。接著，當做一蝕刻氣體之氯氣體係以lsccm之流速 爲期12秒被引入該腔內部。然後，當做一還原氣體之氫氣 係以25sccm之流速爲期12秒被引入該腔內部。然而，這 10 ———ll·------0--------訂-----——線 41 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 487957 A7 B7 五、發明說明（） 個還原氣體並未供應至該傳統的技術。在該本發明之情況 中，該來源氣體注入製程，該蝕刻氣體注入製程及該還原 氣體注入製程係被重複地且依序地實施並爲期30個週期。 而且，在該傳統的技術情況中，該來源氣體注入製程及該 飩刻氣體注入製程係被重複地且依序地實施並爲期30個週 期。 由於上述實驗的結果，根據本發明之該矽層的成長速 率係較該傳統技術之成長速率爲快。更詳細說明之，在本 發明之情況中，在一晶胞陣列區域中之該源極/汲極區域上 的成長砂層之厚度爲2060埃(angstrom)，而耳在一具有非 常低的圖案密度之週邊電路區的源極/汲極區域上的成長矽 層之厚度爲2600埃。在相反之方面，在該傳統技術情況中 ，在一晶胞陣列區域中之該源極/汲極區域上的成長矽層之 厚度爲1650埃，而且在一週邊電路區域的源極/汲極區域 上之成長砂層厚度爲2000埃。 而且，根據本發明，該矽層之表面粗糙度的均方根 (Root Mean Square，RMS)値爲10埃，且該傳統矽層之表 面粗糙度的均方根値(RMS)爲21.7埃。而且，根據本發明 該矽層該溝槽密度(每一長度之個數)爲1.4個/微米至1.8個 /微米，且該傳統矽層之溝槽密度（每一長度之個數）爲2.4 個/微米至3.0個/微米。 如上面所述，根據本發明，要大幅改善該成長速率， 該表面粗糙度及該磊晶層之溝槽密度係可能的且可藉由依 序地引入該來源氣體’該蝕刻氣體及該還原氣體進入該腔 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --III-----------—1 .丨 I I ------ί^· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 487957 A7 ___Β7 _ 五、發明說明（,。） 內部而達成。而且，要得到該磊晶製程之良好的成長選擇 性亦屬可能的。 雖然本發明以參考該較佳實施例及這些實施列的實驗 結果而被特別地揭露及描，吾人應知道熟悉本行業者據此 所做之形式上及內容上的各種變化仍不脫離本發明之精神 及本發明之範疇。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 487957 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種選擇性磊晶成長之方法，其包括下列步驟： 在一半導體基底上形成一絕緣層圖案，該絕緣層圖案 曝露該半導體基底之一預先設定區域； < 載入該具有絕緣層圖案之半導體基底進入一反應腔之 內部； 在第一個工作週期引入一來源氣體進入該腔內部以形 成在該曝露出的半導體基底和該絕緣層圖案上之一半導體 層； 在第二個工作週期引入一蝕刻氣體進入該腔內部以選 擇性地除去在該絕緣層圖案上之該半導體層；及 在第三個工作週期引入一還原氣體進入鼕腔內部以除 去附著在該半導體層之表面上的蝕刻氣體之原子，引入該 來源氣體，該蝕刻氣體及該還原氣體之步驟係重複地被實 施至少二週期。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其更包括在進 行引入該來源氣體的步驟之前，增加一調整該腔內壓力至 KT8托耳或更低之步驟。 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其更包括在進 行引入該來源氣體的步驟之前，增加一加熱半導體基底 至450°C到80(TC範圍的溫度之步驟。 4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該半導體 層係一政層。 5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該來源氣 體係一砂來源氣體。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
    本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 487957 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 ' B8 C8 D8 六、申請專利範圍 6.如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該來源氣 體係一矽烷(SiH〇氣體，一二矽烷(SiH6)氣體或是一二氯矽 烷(SiH2Ch)氣體。 … 7.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該半導層 係一鍺層。 8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該來源氣 體係一鍺來源氣體。 9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該鍺來源 氣體係-GeH4氣體。 10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該半導層 係一鍺砂(Ge-Si)層。 11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該來源 氣體包括一砂來源氣體及一鍺來源氣體。 12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一個 工作週期係在8秒至12秒之範圍內。 13. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該蝕刻氣 體係一氯(C1)氣體。 14. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二個 工作週期係在6秒至15秒之範圍內。 15. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該還原氣 體係一氫氣體。 16. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第三個 工作週期係在6秒至15秒之範圍內。 17. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其更包括引入 2 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 487957 A8 B8 C8 D8 力、申請專利範圍 一摻雜物氣體進入該腔內部之步驟，該步驟爲引入該來源 氣體，該蝕刻氣體及該還原氣體之三步驟中至少一步驟。 18.如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該摻雜 物氣體爲一磷化氫(PH3)氣體，一二硼烷（B2H6)氣體或是一 砷化氫(AsH〇氣體。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）
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