TWI520227B - 高產率循環磊晶沈積與蝕刻方法 - Google Patents

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Description

高產率循環磊晶沈積與蝕刻方法 【相關申請案的交互參照】
本申請案是有關於於2006年9月28日提申之美國申請案第11/536,463號，且其公開為第2007/0287272號。
本申請案是有關於一種含矽材料之磊晶沈積的方法，且特別是，本申請案是有關於循環磊晶沈積與蝕刻的方法。
半導體處理通常用於積體電路之製造(其需要特別嚴格的品質需求)以及多種其他領域中。在形成積體電路時，磊晶層往往需要在選定的位置中，如場隔離區域(field isolation region)中的主動區台(active area mesa)，或甚至更具體言之在經界定之源極以及汲極區上。雖然非磊晶材料(其可為非晶形或多晶的)可在毯覆式沈積(blanket deposition)之後自場隔離區域上選擇性移除，但通常認為較有效的是同時提供化學氣相沈積(CVD)以及蝕刻化學劑，且調諧條件以在絕緣區域上產生零淨沈積(zero net deposition)且在暴露之半導體窗上產生淨磊晶沈積(net epitaxial deposition)。此過程，稱為“選擇”磊晶沈積，利用典型半導體沈積過程在絕緣體(諸如氧化矽或氮化矽)上之緩慢晶核形成。此選擇磊晶沈積亦利用非晶以及多晶材料對蝕刻劑之本質上較大的感受性(susceptibility)(與磊晶層對相同蝕刻劑之感受性相比)。
磊晶層之選擇形成通常涉及與載體氣體一起的含矽前 驅物以及蝕刻劑之使用。氫氣(H2)為最普遍的載體氣體之一。氫氣為有用的載體氣體，因為它能具備高純度以及與矽沈積相容。此外，它通常能作為還原劑以形成H2O，以及從基板或腔室中移除任何氧污染物。據此，就自身或與其他載體氣體結合而言，氫氣仍然是最廣泛使用的載體氣體之一。
所沈積半導體材料的理想屬性之一為材料中的應變(strain)。半導體材料(諸如矽、鍺以及矽鍺合金)之電學性質藉由材料經受應變之程度被影響。舉例而言，矽在拉伸應變下展現增強之電子遷移率(electron mobility)，以及矽鍺在壓縮應變下展現增強之電洞遷移率(hole mobility)。在多種半導體處理應用中，增強半導體材料之效能之方法具有顯著的重要性且具有潛在的應用。
用於在含矽以及含鍺之材料中誘發應變之多種方法已聚焦於利用各種結晶材料(crystalline material)之間的晶格常數(lattice constant)的差異。舉例而言，結晶鍺之晶格常數為5.65Å，結晶矽之晶格常數為5.431Å，且金剛石碳之晶格常數為3.567Å。異質磊晶涉及將特定結晶材料之薄層沈積於一不同之結晶材料上，使得所沈積層採用下方晶體材料之晶格常數。舉例而言，藉由使用此方法，應變矽鍺層可藉由異質磊晶沈積於單晶矽基板上而形成。因為鍺原子稍大於矽原子，且所沈積異質磊晶矽鍺約束於其下方之矽的較小晶格常數，所以矽鍺經受壓縮應變，且經受壓縮應變之程度隨鍺含量而變。通常，矽鍺層之帶隙(band gap)隨異質磊晶的矽鍺中之鍺含量增加而自純矽的1.12eV單調地降低至純鍺的0.67eV。在另一方法中，拉伸應變可藉由將矽層異質磊晶沈積於鬆弛的矽鍺層上而形成於薄的單晶矽層中。在此實例中，異質磊晶沈積之矽經受應變，因為其晶格常數約束於其下方鬆弛的矽鍺之較大晶格常數。拉伸應變異質磊晶之矽通常展現增加之電子遷移率。在此方法中，應變一般在製造元件(例如電晶體)前在基板位準(substrate level)處展開。
在這些實例中，藉由將晶格結構中之矽原子用其他原子替換而將應變引入於單晶含矽材料中。此技術通常稱作取代摻雜。舉例而言，在單晶矽之晶格結構中用鍺原子取代矽原子中之一些在所得取代摻雜之單晶矽材料中產生壓縮應變，這是因為鍺原子大於其所替換之矽原子。可能藉由用碳進行取代摻雜而將拉伸應變引入於單晶矽中，這是因為碳原子小於其所替換之矽原子。不同於取代雜質，非取代雜質將不誘發應變。
根據本發明之態樣，提供選擇性沈積之方法。
在一實施例中，提供一種在單晶半導體表面上選擇性形成含矽材料之方法。提供包括絕緣表面以及單晶半導體表面的基板。含矽材料可藉由流動含矽源蒸氣以及惰性載體氣體且不流動H2而沈積在絕緣表面以及單晶半導體表面上。含矽材料可藉由流動蝕刻劑而自絕緣表面上選擇性移除，且同時保持惰性載體氣體的持續流動而不流動H2。 含矽材料之沈積以及選擇移除形成一循環，其可重複兩或多次，直至達成含矽材料的所要厚度。
在一實施例中，提供一種在凹區(recess)中選擇性形成含矽材料之方法。提供包括凹區以及相鄰絕緣表面的基板至化學氣相沈積腔室中。藉由以恆定流動速率流動三矽烷(trisilane)以及惰性載體氣體，磊晶材料沈積於凹區上，以及非磊晶材料沈積於相鄰絕緣表面上。非磊晶材料之部分藉由流動蝕刻劑且同時保持惰性載體氣體的持續流動而自絕緣表面上選擇性移除。沈積以及選擇性移除的製程形成循環，其可重複直至達成沈積於凹區中之含矽材料的所要厚度。
在一實施例中，提供一種在凹區中選擇性形成摻碳含矽材料之方法。提供包括相鄰於絕緣體的凹區的基板至化學氣相沈積腔室中。引入含矽源蒸氣、含碳源蒸氣以及惰性載體氣體，以在凹區及絕緣體上沈積摻碳含矽材料，其中以第一流動速率引入惰性載體氣體。當降低惰性載體氣體之流動速率時，可中斷含矽源蒸氣以及含碳源蒸氣之流動。當惰性載體氣體保持在降低的流動速率時，可提供蝕刻劑以自絕緣體蝕刻材料。沈積以及蝕刻的製程形成循環，其可重複直至達成在凹區中之材料的所要厚度。
在一實施例中，提供一種具有凹區以及相鄰絕緣表面的半導體基板至化學氣相沈積腔室中。可流動含矽源蒸氣以及惰性載體氣體至腔室中，以在凹區以及相鄰絕緣表面上沈積含矽材料。藉由流動惰性載體氣體與HCl以及GeH4 且不需流動H2，含矽材料之部分可自絕緣表面上選擇性移除。沈積以及選擇性移除的製程形成循環，其可重複直至含矽材料的所要厚度沈積於所述凹區中。
本文提供的是循環使用沈積以及回蝕刻製程之改良選擇性製程的方法。在一些實施例中，在沈積期間，使用矽源前驅物以在半導體結構上沈積材料。此沈積後接續有用於移除半導體結構之區域的蝕刻製程。在沈積製程、蝕刻製程或兩者期間使用惰性載體氣體。
除使用惰性載體氣體之外，亦可在一些實施例中使用氫氣(H2)作為載體氣體。然而，發現當使用氫氣提供許多好處時氫氣亦呈現出一些困難處。舉例而言，在低溫下之沈積期間，由於末端氫化(hydrogen termination)，氫可抑制有效的分解以及前驅物之表面吸附，導致降低沈積速率，並最終降低產率。另外，為達到均勻的薄膜沈積以及適當的蝕刻速率，申請人已發現氫載體氣體流量應在特定的蝕刻製程期間減少，特別是使用HCl的蝕刻製程。在一些實施例中，氫載體氣體流量應該是從蝕刻製程中完全地不存在，而事實上，是從使用沈積以及蝕刻的循環之全部選擇性形成過程中完全不存在，特別是在蝕刻採用Cl2時。
在一些實施例中，沈積製程為毯覆式(blanket)，而在其他實施例中，沈積製程為選擇性的。在選擇性沈積中，矽源前驅物與蝕刻劑一併使用，以在半導體結構上沈積材料。在一些實施例中，可在沈積製程期間提供少量之蝕刻 化學物，因此雖然是毯覆式，使得沈積可被認為是部分選擇，因為每一沈積可仍在隔離區域上具有一些淨沈積。因此，具有矽源前驅物之蝕刻劑的添加導致沈積完全地選擇或部分選擇。此選擇沈積後接續有用於自半導體結構之區域移除沈積材料的蝕刻製程。在選擇性沈積製程、蝕刻製程或兩者期間使用惰性載體氣體。在一些實施例中，氫氣從循環的至少某些時期缺席(例如，在選擇性沈積以及蝕刻階段期間)。在較佳實施例中，氫氣從使用選擇性沈積以及蝕刻的循環之全部選擇製程中完全地缺席。
所述選擇性磊晶形成之方法可用於沈積各種經取代性摻雜的含矽材料。根據本申請案之實施例，可沈積以取代性碳摻雜的含矽材料。在一些實施例中，藉由執行交替的毯覆式沈積階段(在相對高的速率下使用三矽烷(Si3H8)或另一矽源以及作為碳源的含碳氣體或蒸氣)與蝕刻階段(選擇性移除非磊晶或高度缺陷的磊晶半導體沈積物)，摻碳含矽材料將會沈積。在其他實施例中，沈積階段可為選擇性或部分選擇性。沈積狀態的(as-deposited)取代性碳摻雜之程度可介於約70%至90%或更高，其表達為依據在矽內的碳摻雜劑(取代性以及非取代性)總量的取代性碳摻雜劑之重量百分比。當所述實施例可包含碳摻雜的矽之特定範例時，熟習此技藝者應理解，本文中描述之方法具有其膜層之選擇性形成為所需的多種半導體應用之應用。
術語“含矽材料”以及類似術語在本文中用以指代多種含矽材料，包括但不限於：矽(包括結晶矽)、摻碳矽 (Si：C)、矽鍺、摻碳矽鍺(SiGe：C)以及矽錫(SiSn)或矽鍺錫(SiGeSn)。如本文所使用，“摻碳矽”、“Si：C”、“矽鍺”、“摻碳矽鍺”、“SiGe：C”以及類似術語指代包括以各種比例之所指示化學元素以及視情況少量其他元素的材料。舉例而言，“矽鍺”為包括矽、鍺以及視情況其他元素(例如，諸如碳以及電活性摻雜劑之摻雜劑)的材料。諸如“Si：C”以及“SiGe：C”之簡寫術語本身並非化學計量之化學式，且因此並不限於包括特定比率之所指示元素之材料。此外，諸如Si：C以及SiGe：C之術語並不意欲排除其他摻雜劑(例如，P、As或B)之存在，以及摻碳矽材料包括在術語Si：C以及術語Si：C：P中。除非另有所述，否則在含矽薄膜中的摻雜劑(諸如碳、鍺或其他電活性摻雜劑之摻雜劑)之百分比在本文中用依據整個薄膜主要部分之原子百分比表示。
可能藉由x射線繞射來量測經摻雜的含矽材料之垂直晶格間距且接著藉由在單晶矽與單晶碳(金剛石)之間執行線性內插來應用魏加式定律(Vegard’s Law)或藉由應用Kelires/Berti處理，來確定取代性摻雜於含矽材料中的碳之量。舉例而言，可能藉由x射線繞射來量測經摻雜的矽之垂直晶格間距且接著藉由應用魏加式定律，來確定取代性摻雜的碳之量。可能藉由二次離子質譜法(secondary ion mass spectrometry，SIMS)來確定在經摻雜的矽中的總碳含量。或者，Kelires/Berti關係之應用傾向於計算較低含量(例如，藉由魏加式定律量測的3.8%C大約相當於使用 Kelires/Berti關係所量測的2.6%C)。可能藉由自總碳含量減去取代性碳含量，來確定非取代性碳含量。可能以類似方式來確定取代性摻雜於其他含矽材料中之其他元素的量。在一些實施例中，晶相可藉由x射線繞射以及藉由拉塞福背向散射光譜術(Rutherford backscattering apectroscopy，RBS)的化學計量來確定。在較佳實施例中，使用拉曼(Raman)以及傅里葉變換紅外光(FT-IR)光譜術以確定取代性摻雜於含矽材料中的碳之量。
“基板”(在此術語用於本文中時)指代其上需要沈積之工件或暴露至一或多種沈積氣體之表面。舉例而言，在某些實施例中，基板為單晶矽晶圓、半導體覆絕緣層(semiconductor-on-insulator,SOI)基板或磊晶矽表面、矽鍺表面或沈積於晶圓上之III-V族材料。工件並不限於晶圓，但亦包括玻璃、塑膠或半導體處理中所使用之其他基板。“混合基板”為具有兩個或兩個以上的不同類型之表面之基板。舉例而言，在某些應用中，混合基板包括具有第一表面形態之第一表面以及具有第二表面形態之第二表面。在某些實施例中，將摻碳含矽層選擇性地形成於單晶半導體材料上，同時最小化(且更佳地避免)在鄰近介電質或絕緣體上之沈積。介電材料之範例包括二氧化矽(其包括低介電常數形式，諸如，碳摻雜矽氧化物或氟摻雜矽氧化物)、氮化矽、金屬氧化物以及金屬矽酸鹽。術語“磊晶的”、“磊晶地”、“異質磊晶的”、“異質磊晶地”以及類似術語在本文中用以指按以下方式將含結晶矽材料 沈積至結晶基板上：所沈積層採用或遵循基板之晶格常數，至少直至達到異質磊晶層之臨界厚度。當所沈積層之組成物與基板之組成物不同時，通常將磊晶沈積視為異質磊晶。
即使表面由相同元素製成，若表面之形態(結晶性)不同，則表面亦可視為不同。本文中描述之製程可用於將含矽薄膜沈積於各種各樣的基板上，但尤其可用於具有混合表面形態之混合基板上。此混合基板包括具有第一表面形態之第一表面以及具有第二表面形態之第二表面。在本文中，“表面形態”是指基板表面之結晶結構。非晶與結晶為不同形態之範例。多晶形態是由有序晶體之無序排列組成之結晶結構，且因此具有中等有序度(degree of order)。多晶材料中之原子在每一晶體中是有序的，但晶體自身關於彼此缺少長程順序(long-range order)。單晶形態是具有高度的長程順序之結晶結構。磊晶薄膜的特徵在於與基板(薄膜生長於其上，通常為單晶的)相同的晶體結構以及定向。這些材料中之原子排列於持續相對長的距離(按原子標度)之晶格狀結構中。非晶形態是具有低有序度之非結晶結構，因為原子沒有明確的週期性排列。其他形態包括微結晶以及非晶材料與結晶材料之混合物。“非磊晶”因此包括非晶、多晶、微晶以及其混合物。如本文中所使用，“單晶”或“磊晶”是用以描述通常用於電晶體製造之非常大的晶體結構，其具有可容許數目個缺陷。膜層之結晶性通常沿著自非晶變成多晶至單晶的連續 區(continuum)；晶體結構往往被視為單晶或磊晶，而不管低密度缺陷。混合基板之具體範例包括(但不限於)單晶/多晶、單晶/非晶、磊晶/多晶、磊晶/非晶、單晶/介電質、磊晶/介電質、導體/介電質以及半導體/介電質。術語“混合基板”包括具有兩個以上的不同類型之表面的基板。本文中描述之用於將含矽薄膜沈積至具有兩個類型之表面之混合基板上的方法亦可適用於具有三個或三個以上的不同類型之表面的混合基板。
以下將描述使用循環式沈積以及回蝕刻的選擇性磊晶形成之改良方法。這些沈積以及蝕刻製程形成一循環，其可重複以在半導體基板之多個部分上達成所沈積材料之所要厚度。惰性載體氣體諸如氮(N2)或氦(He)可在沈積製程、蝕刻製程或兩者期間流動。在其他實施例中，惰性載體氣體將持續地在沈積以及蝕刻製程之間流動。在惰性載體氣體持續地在沈積以及蝕刻製程之間流動的實施例中，此惰性載體氣體流動速率可為恆定(例如，在沈積以及蝕刻製程期間為10slm)，而在沈積以及蝕刻製程之間(特別是涉及HCl)可傾斜降低(ramp down)或在沈積以及蝕刻製程之間(特別是涉及Cl2)可傾斜增加(ramped up)。舉例而言，在涉及HCl蝕刻劑的一些實施例中，持續的惰性載體氣體流動可具有在沈積以及蝕刻製程之間傾斜降低的速率(例如，在沈積期間為10slm傾斜降低至1slm)，使得惰性載體氣體流動速率將變化。在一些實施例中，惰性載體氣體之流動速率可從在沈積期間的5-20slm 之第一流動速率變化至在蝕刻期間的1-3slm之第二流動速率。在其他實施例中，惰性載體氣體之流動速率可從沈積至蝕刻在20%與90%之間變化。不管這種惰性氣體變動之花費(例如，從壓力變動的粒子、用於穩定速率的時間、套裝閥等)，在蝕刻製程期間降低惰性載體氣體流動速率可因它對在蝕刻階段期間達成高蝕刻速率而無需在沈積期間稀釋前驅物的強烈影響將是值得的。亦咸信，在沈積以及蝕刻製程之間變化惰性載體氣體流動速率將提供其他益處，諸如降低在某些情況下過度蝕刻之可能性，其並不受理論約束。舉例而言，如上所述，雖然在使用HCl的蝕刻製程期間適於傾斜降低惰性氣體流動速率，但較佳的是在使用Cl2的蝕刻製程期間傾斜增加惰性氣體流動速率而不是降低以提供較短的Cl2滯留時間，其比HCl更具反應性以及更容易導致不需要的過度蝕刻。
圖1為說明根據本申請案之一實施例之選擇性磊晶形成製程的流程圖。此流程圖說明以下步驟。提供基板至製程腔室中(區塊10)；藉由流動含矽源蒸氣以及惰性載體氣體在基板上沈積含矽材料(區塊20)；藉由流動蝕刻劑且同時保持惰性載體氣體的流動，自基板之多個部分選擇性移除含矽材料(區塊30)；以及重複沈積(區塊20)以及選擇性移除階段(區塊30)，直至在基板上達成含矽材料之目標厚度(區塊40)。
根據操作區塊10，提供基板至製程腔室中。基板可具有單一類型的表面，或可有具有兩種或多種類型的表面之 “混合”表面(例如，絕緣表面以及單晶半導體表面)。在一些實施例中，所提供的基板包括一或多個凹區。這些凹區可形成相鄰於通道區域的電晶體元件主動源極以及汲極區域，以及可受益於在其中的應變材料之沈積。
根據操作區塊20，含矽材料藉由流動含矽源蒸氣以及惰性載體氣體沈積於基板上。含矽源蒸氣可包括矽烷(SiH4)、二氯矽烷或DCS(SiCl2H2)以及其他矽前驅物中的一種或多種。在較佳實施例中，含矽源包括三矽烷(Si3H8)。引入含矽源蒸氣至腔室中一段時間，以在整個基板表面上產生含矽材料之沈積。在沈積製程期間，含矽源蒸氣將會流動以及沈積含矽材料。所沈積的材料之厚度可取決於許多因素，其包括下層基板之組成物、所使用源蒸氣之類型、腔室條件以及沈積之持續時間。在藉由引入含矽源蒸氣以及惰性載體氣體之圖式標示20所呈現的期間在本文中被稱作“沈積階段”。
根據所說明之實施例，含矽源蒸氣與惰性載體氣體被引入。雖然氫在選擇沈積製程中由於與矽製程的相容性通常用作惰性載體氣體，如Bauer等人於2006年9月28日提出申請之美國申請案第11/536,463號所示，已發現在沈積製程期間移除作為載體氣體的氫將有益處。在較佳實施例中，在沈積期間惰性載體氣體流動而不需要氫。如本文中所述，術語“不需要氫”可指代無氫或作用上微不足量之氫，其不影響整體製程。惰性載體氣體可選自包括氪(Kr)、氙(Xe)或氬(Ar)的其中之一氣體，以及較佳 惰性載體氣體為氦(He)或氮(N2)。在這些之間，由於相對成本，氮比氦更為理想。雖然在一些實施例中在沈積期間惰性載體氣體具有變化的流動速率，在其他實施例中，惰性載體氣體將保持恆定。申請人已發現，使用不需氫的含矽源可提供比習知製程更快的沈積(例如，大於100nm/min)以及均勻的薄膜沈積，反之，具有氫將對於沈積以及蝕刻階段具有取捨。在一些實施例中，含矽材料之沈積的速率可介於每循環1nm與每循環3nm之間，且厚度非均勻度可小於或等於1%-2%。隨著缺陷之含量夠低以准許磊晶層之商業用途，所沈積的含矽材料可用於許多不同的元件。
除了含矽材料以及惰性載體氣體之外，在沈積製程期間亦可提供其他前驅物。在一些實施例中，包括矽烷基烷(silylalkane)(諸如單矽烷基甲烷(monosilylmethane)、雙矽烷基甲烷(disilylmethane)、三矽烷基甲烷(trisilylmethane)、四矽烷基甲烷(tetrasilylmethane))和/或烷基矽烷(alkylsilane)(諸如單甲基矽烷(monomethyl silane，MMS)以及二甲基硅烷(dimethyl silane))之碳源氣體可與含蒸氣的矽源以及惰性載體氣體被引入，導致摻碳含矽材料之沈積。藉由在不同條件下應用各種前驅物，而所沈積的含矽材料可擁有不同特性。在一些實施例中，所沈積的含矽材料可為應變異質磊晶薄膜，其具有不同於下層的晶格結構。
在一些實施例中，在沈積階段期間原位(in-situ)引 入摻雜劑源，以藉由化學氣相沈積將電活性摻雜劑併入至含矽薄膜內。典型n型摻雜劑源包括砷蒸氣以及摻雜劑氫化物，諸如磷化氫(PH3)以及砷化氫(ArH3)。磷化氫甲矽烷(Silylphosphine)(例如(H3Si)3-xPRx)以及砷化氫甲矽烷(silylarsine)(例如(H3Si)3-xAsRx)(其中x=0、1或2，且Rx=H及/或氘(D))為磷以及砷摻雜劑之替代前驅物。磷以及砷尤其有用於摻雜NMOS元件之源極以及汲極區。此摻雜劑前驅物有用於如下所述薄膜之製備，較佳為摻磷、摻銻、摻銦以及摻砷的矽、Si：C以及SiGe：C薄膜與合金。合適的p型摻雜劑前驅物包括用於硼摻雜之二硼烷(B2H6)以及三氯化硼(BCl3)。用於Si之其他p型摻雜劑包括Al、Ga、In以及蒙德列夫(Mendeleiev)元素週期表中Si之左側的任何金屬。此摻雜劑前驅物有用於如下所述薄膜之製備，較佳為摻硼的矽、SiSn、SiGe以及SiGe：C薄膜與合金。
根據操作區塊30，在含矽材料沈積於基板上之後，可藉由流動蝕刻劑且同時持續無氫氣(H2)之惰性載體氣體流動，自基板之多個部分來選擇性移除含矽材料。舉例而言，在具有絕緣體以及半導體表面之混合基板的實施例中，沈積後可自絕緣表面上選擇性移除含矽材料。蝕刻劑可包括鹵化物，諸如含氟、含溴或含氯氣相化合物。舉例而言，蝕刻劑可包括HCl、HCl與GeH4、HBr或Cl2。在一些實施例中，沈積製程後，蝕刻劑將流動以及選擇性移除部分所沈積的含矽材料。而在一些實施例中，用在選擇 性移除製程期間的惰性載體氣體可不同於用在沈積製程期間的惰性載體氣體。在較佳實施例中，將會在沈積以及選擇性蝕刻製程兩者期間，使用相同的惰性載體氣體。在沈積以及蝕刻製程期間，惰性氣體的流動可持續地保持。在一些實施例中，惰性載體氣體可在沈積以及選擇性蝕刻製程兩者期間具有相同的恆定流動速率，以提高產率以及將介於二階段間的穩定時間最小化。與沈積階段相比，引入蝕刻劑且不含矽源蒸氣來移除部分沈積材料的時間在本文中被稱作“蝕刻階段”。
在一些實施例中，藉由使用蝕刻劑(例如，HCl或HBr)與表面催化劑(例如，鍺源(諸如單鍺烷(GeH4)、二鍺烷(Ge2H6)、GeCl4、有機金屬Ge前驅物或固態源Ge)，將所沈積的含矽材料移除。在一些實施例中，一併使用蝕刻劑與鍺源幫助增加在部分所沈積的含矽材料中的蝕刻速率。在較佳實施例中，使用大量之HCl以及GeH4將發生選擇性蝕刻。在選擇性蝕刻製程期間含有氫為可選擇的。在一些實施例中，對於非磊晶材料之蝕刻速率可介於10nm/min與200nm/min之間。因此，在一些實施例中，只要主載體氣體為惰性，微量之氫可以存在。而在其他實施例中，氫是不存在蝕刻製程中(諸如涉及Cl2之蝕刻製程)。在較佳實施例中，選擇性蝕刻化學物包括HCl、GeH4以及惰性載體氣體，且無需使用氫載體氣體。
在磊晶材料之選擇性形成是藉由一次或多次選擇性沈積後接續回蝕刻製程之循環之實施例中，可在沈積階段 以及蝕刻階段兩者期間引入一種或多種蝕刻劑。在一些實施例中，在沈積以及蝕刻階段之間，蝕刻劑具有恆定的流動速率。在其他實施例中，在沈積至蝕刻階段，蝕刻劑具有變動的流動速率。
根據操作區塊40，自基板選擇性移除含矽材料之後，沈積製程(區塊20)以及選擇性移除製程(區塊30)可形成一循環，其可重複直至達成含矽材料之目標厚度。可循環沈積以及選擇性移除兩次或多次，直至在所選的表面上達成含矽材料之所要厚度。達成所沈積的含矽材料之所要厚度後，選擇性形成過程可終止。如在執行第一循環後未達成所沈積的含矽材料之所要厚度，可重複一次或多次額外的沈積製程(區塊20)以及選擇性移除製程(區塊30)之循環，直至達成所要厚度。在一些實施例中，可重複此循環介於二與六次之間。對於每次循環，可變化製程參數，以達成熟習此技藝者所要的確切結果。
圖2A至圖2F說明根據一實施例使用毯覆式沈積以及蝕刻循環之升高之源極以及汲極區域之形成。圖2A為包括混合半導體基板100之部分形成的半導體結構150的示意性說明，混合半導體基板100具有形成於其中的圖案化的絕緣體110。絕緣體110(以氧化物填充淺溝槽隔離(shallow trench isolation，STI)之形式)界定場隔離區域112，且相鄰於展示於閘極結構115之每一側上之凹入的源極/汲極區域114。閘極結構115覆蓋基板之通道區域117。通道區域117、源極/汲極區域114共同界定電晶體主動 區，其通常由場隔離區域112圍繞，以防止與其他元件的干擾(cross-talk)。在其他配置中，多個電晶體可由場隔離圍繞。在一種情況下，閘極結構115之頂部可由所繪示之介電質覆蓋。此表面接著相對於其上之沈積而起類似於絕緣體110的作用，雖然晶核形成以及沈積的速率在不同低介電常數的介電材料上將略有不同，以及在場隔離區域112中保持選擇性(selectivity)的條件將亦適用於閘極結構115之頂部。在閘極結構115未覆蓋有介電質之情況下，閘極之表面將具有成長多晶材料之可能性，其接著可經由多晶材料之原位蝕刻而移除，但可應用不同之選擇性條件集合(如壓力、氣流等)(相較用於確保無殘餘多晶材料在場絕緣體110上的條件)。
可提供包括混合半導體基板100之半導體結構150至化學氣相沈積腔室中，以進行製程。合適的腔室可為市購的，以及較佳的型號包括購自ASM America,Inc.(Phoenix,Arizona)之EPSILON®系列的反應器。
如圖2B所示，在提供基板至化學氣相沈積腔室中之後，藉由流動含矽源蒸氣以及惰性載體氣體來沈積含矽材料之毯覆式層。流動源蒸氣以及載體氣體導致在場隔離區域112中的絕緣體110上之非晶的或多晶的沈積(非磊晶層120)，以及在凹入的源極/汲極區域114上之下部磊晶層125與側壁磊晶層130。在一些實施例中，下部磊晶層125以及側壁磊晶層130可為異質磊晶的，據此結晶材料之沈積層採納下方單晶材料之晶格常數。請注意，“毯覆式沈 積”意謂淨沈積在每一沈積階段中產生於非晶形絕緣體110以及源極/汲極區域114兩者上。雖然缺少蝕刻劑(例如，鹵化物)在毯覆式沈積(在此情況下沈積亦被認為是“非選擇性的”)中為較佳的，但可能需要某些量之蝕刻劑以調諧各種區域上之所沈積厚度的比率，如下文中較詳細論述。在需要此類少量蝕刻劑之情況下，因為每一沈積階段將在絕緣體110以及源極/汲極區域114上具有淨沈積，雖然是毯覆式，但沈積製程可能為部分選擇的。
含矽源蒸氣以及惰性載體氣體可在約500℃與600℃之間的溫度下引入至腔室中，且較佳在約525℃與575℃之間。此外，含矽源蒸氣以及惰性載體氣體可在約10托(Torr)與300托之間的減壓下引入至腔室中，且較佳在約50托與200托之間。在一些實施例中，腔室之溫度或壓力在整個沈積以及選擇性蝕刻兩者製程中保持恆定。在較佳實施例中，保持溫度以及壓力兩者在整個沈積以及選擇性蝕刻製程中恆定，以最小化發生在腔室中溫度以及壓力變動所導致之擾亂(disturbance)。在整個申請案中所使用之術語“恆定”可包括由於控制限制或另一種約±5%的偏差。在一些實施例中，提供“分割壓力配方”(split pressure recipe)可為有益，其壓力在蝕刻階段期間從沈積階段變化。舉例而言，在涉及HCl蝕刻劑之一些實施例中，壓力在蝕刻階段相對於沈積階段期間將會增加，而在包涉及Cl2蝕刻劑之其他實施例中，壓力在蝕刻階段相對於沈積階段期間將會減少。為了達成增加的選擇性，此分割壓力配方 將會特別有利。咸信，基於特定蝕刻劑，提供分割壓力配方亦容許增強的蝕刻，其並不受理論約束。舉例而言，當使用Cl2(其包括兩個Cl原子以及自然地更具反應性)時適合在蝕刻階段降低壓力且仍獲得良好蝕刻速率，而對於HCl(其僅包括一個Cl原子)，在蝕顆速率期間增加壓力以增加蝕刻動力尤其有益。
含矽源蒸氣可選自任一如上所述之來源，其包括矽烷、二矽烷、二氯矽烷以及三氯矽烷。在較佳實施例中，含矽源前驅物包括三矽烷。含矽源前驅物可在約1秒與12秒之間的時間下引入至腔室中，且較佳在約6秒與10秒之間，以在整體基板表面上產生含矽材料之沈積。在一些實施例中，含矽源前驅物可在1秒與5秒之間的時間下流動。在沈積製程期間，含矽源前驅物(例如，二矽烷)將以約20sccm與500sccm之間的速率流動，或對於液狀前驅物(例如，三矽烷)是以約25mg/min與500mg/min之間的速率，且較佳以約100mg/min與300mg/min之間的速率。
惰性載體氣體可選自任一如上所述之載體氣體，其包括氪、氙、氬、氦或氮。在引入含矽源前驅物之前，可引入惰性載體氣體。舉例而言，在一些實施例中，可在引入含矽源前驅物前，引入以及建立惰性載體氣體三至十秒。惰性載體氣體將在沈積期間具有介於2slm與40slm之間的流動速率，且較佳介於約10slm與15slm之間。當在一些實施例中，惰性載體氣體流動速率將保持恆定，而在其他實施例中，流動速率將在整個沈積階段中於所提供的範 圍之間變化。
碳源可與含矽源前驅物以及惰性載體氣體同時引入。碳源可包括矽烷基烷(諸如單矽烷基甲烷、雙矽烷基甲烷、三矽烷基甲烷以及四矽烷基甲烷)和/或烷基矽烷(諸如單甲基矽烷(MMS)以及二甲基硅烷)。在一些實施例中，碳源包括H3Si-CH2-SiH2-CH3(1,3-二矽丁烷)。碳源可在沈積期間以介於3sccm與500sccm之間的流動速率引入，以及在一些實施例中，介於10sccm與100sccm之間。與矽前驅物以及惰性載體氣體一併引入碳源導致摻碳含矽磊晶材料之沈積。現已發現，摻碳含矽材料具有高取代性碳濃度[C]sub。在較佳實施例中，如Kelieres/Berti關係所量測，所沈積的摻碳含矽薄膜具有介於1%與3%之間的取代性碳濃度[C]sub。熟習此技藝者瞭解用於量測取代性碳濃度之Vegard定律之使用可產生較高於Kelieres/Berti關係之應用的結果。然而，無論是與Vegard定律或Kelieres/Berti，可能估計使用替代製程所形成的取代性碳量。
在一些實施例中，亦可在沈積期間提供摻雜劑源，使得所沈積的含矽材料經(例如)磷(P)或砷(Ar)摻雜。典型n型摻雜劑源包括砷蒸氣以及摻雜劑(氫化物，諸如磷化氫(PH3)以及砷化氫(ArH3))。磷化氫甲矽烷(例如(H3Si)3-xPRx)以及砷化氫甲矽烷(例如(H3Si)3-xAsRx)(其中x=0、1或2，且Rx=H及/或氘(D))為磷以及砷摻雜劑之替代前驅物。磷以及砷尤其有用於摻雜NMOS元件之源極以及汲極區。此摻雜劑前驅物有用於如下所述薄 膜之製備，較佳為摻磷、摻銻、摻銦以及摻砷的矽、Si：C以及SiGe：C薄膜與合金。典型p型摻雜劑前驅物包括用於硼摻雜之乙硼烷(B2H6)以及三氯化硼(BCl3)。用於Si之其他p型摻雜劑包括Al、Ga、In以及蒙德列夫(Mendeleiev)元素週期表中Si之左側的任何金屬。此摻雜劑前驅物有用於如下所述薄膜之製備，較佳為摻硼的矽、SiGe以及SiGe：C薄膜與合金。在較佳實施例中，所沈積的含矽薄膜將為摻磷之含碳矽薄膜。
使用惰性載體氣體作為主要載體氣體而不是氫，允許一個非常有效的沈積製程。現已發現，使用惰性載體氣體(諸如He或N2)作為主要載體氣體而不需氫，允許含矽與含碳源前驅物之表面吸附得以改善，而減少前驅物消耗量。舉例而言，在一實驗中，當在含矽材料之毯覆式沈積期間在550℃使用惰性載體氣體且不需氫時，僅需要36%之含矽源蒸氣來獲得相同磊晶成長速率(如同使用氫作為主要載體氣體時)。
如圖2C所示，使用蝕刻劑且同時維持惰性載體氣體之持續流動來選擇性移除非磊晶層120以及側壁磊晶層130之區域。在選擇性蝕刻期間，自凹入的源極/汲極區域114中的下部磊晶層125移除磊晶沈積的摻碳的矽之可忽略的量。反之，因為側壁磊晶層在不同之平面上，側壁磊晶層130比下部磊晶層125更容易地移除，且由於在兩表面上之成長速率差異而比下部磊晶層更具缺陷。因此，每一沈積以及蝕刻製程的循環可經調諧以達成對源極/汲極 區域114之大量由下而上填充。在一些實施例中，磊晶材料如果為良好品質以及不阻礙選擇性填充(使磊晶沈積不會完整的由下而上)之目標，則可留在側壁上。
蝕刻劑選自如上所述之一種或多種蝕刻劑，其包括HCl或Cl2。可在1秒與15秒之間的時間引入蝕刻劑至腔室中，以及在一些實施例中，介於1秒與12秒之間。蝕刻劑可具有介於25sccm與2000sccm之間的流動速率，且較佳約在600sccm。在一些實施例中，蝕刻劑將在選擇性蝕刻期間以恆定速率流動，而在其他實施例中，蝕刻劑流動將在以上所提供的兩個點之間(例如，介於約550sccm與650sccm之間)變化。雖然，在一些實施例中，除了惰性載體氣體之外，氫可在選擇性移除期間作為載體氣體，但在較佳實施例中，將使用惰性載體氣體且不需氫以達成得以改善之選擇性蝕刻速率。藉由使用惰性載體氣體且不需氫，可在選擇性移除期間維持蝕刻劑之高分壓，而產生顯著地增強之蝕刻製程，且不需在選擇性移除製程期間或介於沈積與選擇性蝕刻製程之間調整氫載體氣體之流動速率。在較佳實施例中，惰性載體氣體將在沈積與選擇性移除製程兩者期間繼續地流動。
在一些實施例中，雖然可在選擇性移除製程期間使用無鍺源之蝕刻劑(諸如氯化氫或氯)，但在較佳實施例中，引入蝕刻劑與鍺源以增加選擇性蝕刻速率，且特別是對於非磊晶(非晶或多晶)材料。吸附於沈積材料之表面上的鍺更容易地擴散至非磊晶材料中，對於非磊晶材料產生更 富鍺表面，其導致增加自Ge位置的材料之解吸附(desorption)。在一些實施例中，鍺可在約160sccm與200sccm之間流動。
沈積後接續選擇性移除之單一循環產生包括摻碳的矽材料之下部磊晶層125之生長。可重複沈積以及選擇性移除之循環，直至在源極/汲極區域114上達成磊晶材料之目標厚度。
圖2D為在執行摻碳含矽材料之第二毯覆式沈積之後使用含矽源蒸氣前驅物、碳源蒸氣以及惰性載體氣體的圖2C之部分形成的半導體結構的示意性說明，其產生場隔離區域112上之非磊晶層120以及凹入的源極/汲極區域114中之現存的下部磊晶層125上之側壁磊晶層130與額外的磊晶層129。
所沈積的含矽材料將較佳地施加應變至源極/汲極區域114之側壁以及通道區域117上。在一些實施例中，摻碳含矽材料的磊晶層129將經受拉伸應變，其幫助增強電子遷移率，以及其對於NMOS元件特別需要。在其他實施例中，所沈積的含矽材料將經受壓縮應變，其幫助增強電洞遷移率，以及其對於PMOS元件特別需要。
圖2E為在執行用以自混合基板之絕緣體區域移除含矽薄膜之選擇性化學氣相蝕刻製程之後的圖2D之部分形成的半導體結構的示意性說明。如所說明之實施例所示，雖然非磊晶層120以及側壁磊晶層130已選擇性移除，但磊晶層129保持在下部磊晶層125上。
在一些實施例中，磊晶層129可與下部磊晶層125擁有類似特性。在其他實施例中，磊晶層129可取決於在第二毯覆式沈積製程期間所使用前驅物之條件以及選擇而擁有不同於下部磊晶層125的特性。舉例而言，磊晶層129可具有較高的取代性碳濃度以及在半導體基板通道區域117上誘發高於下部磊晶層125的拉伸應變。後續由下而上的磊晶層(諸如圖2F所示之磊晶層139以及圖2G所示之磊晶層149)可誘發更大於位在下方之膜層的應變。
圖2F至圖2G為在執行毯覆式沈積以及選擇性蝕刻之其他循環之後的圖2E之部分形成的半導體結構的示意性說明。可重複毯覆式沈積以及選擇性蝕刻之循環，直至沈積摻碳含矽材料之所要厚度。如圖2F所示，執行毯覆式沈積以及選擇性蝕刻之第三循環，以在磊晶層129以及下部磊晶層125之上形成第三磊晶層139。如圖2G所示，執行毯覆式沈積以及蝕刻之第四循環，以在磊晶層139、磊晶層129以及下部磊晶層125之上形成第四磊晶層149，其充當升高之源極以及汲極層。熟習此技藝者應理解，除圖2A至圖2G所示之磊晶層之外，可沈積較多或較少磊晶層。
圖3A為在執行摻碳含矽材料層之毯覆式沈積之後具有半導體基板之部分形成的半導體結構160的示意性說明。半導體基板是由相鄰於具有平坦底部表面的基座132與傾斜的側壁128之源極/汲極區域114的絕緣體110所組成。凹區的側壁128具有不同於基座132與磊晶層135之 結晶平面。雖然磊晶層135可具有<001>之結晶平面，但凹區側壁128可具有不同的結晶平面，諸如<111>或<011>。在凹區之一側為閘極結構115，其覆蓋基板之通道區域117。
提供半導體基板至化學氣相沈積腔室中，其中發生毯覆式沈積製程。使用作為含矽源蒸氣之三矽烷來發生毯覆式沈積製程。在毯覆式沈積期間，與三矽烷一併引入含碳源蒸氣以及惰性載體氣體(諸如He或N2)，以沈積磊晶層135在基座132以及側壁128上，以及沈積非磊晶材料(非晶或多晶)在絕緣體110上。雖然在一些實施例中，在凹區的側壁128上之磊晶材料138之品質與在基座132上之磊晶層135為類似，但在所說明之實施例中，磊晶材料138之品質為較低於高品質之磊晶層135，且後續將在選擇性蝕刻製程期間移除(如圖3B所示)。
根據圖3A，所沈積的材料包括摻碳含矽材料。使用如上所述之沈積製程，具有高取代性碳濃度[C]sub之磊晶材料將沈積在源極/汲極區域114中。使用Kelieres/Berti關係，沈積狀態的高取代性碳濃度[C]sub將介於1.0at.%與3.25at.%之間。在其他實施例中，亦可在沈積階段期間提供摻雜劑源(諸如PH3)，使得所沈積材料為經磷摻雜之含矽材料。
在終止前，含矽源蒸氣將流動在1秒與10秒之間的時間，且較佳介於1.5秒與2秒之間。雖然已停止含矽源蒸氣，但惰性載體氣體將持續流動，較佳地以相同於如在 毯覆式沈積製程期間之恆定速率。
圖3B為在執行用以自絕緣體110以及凹區的側壁128移除所沈積材料之多個部分之選擇性化學氣相蝕刻製程之後的圖3A之部分形成的半導體結構160的示意性說明。雖然自絕緣體110以及凹區的側壁128之表面移除非磊晶層120以及側壁128上的磊晶材料，但高品質摻碳含矽材料的磊晶層135之磊晶生長保持在源極/汲極區域114之基座132上。
在選擇性蒸氣蝕刻期間，將引入蝕刻劑，且同時維持惰性載體氣體之流動。蝕刻劑可偕同單鍺烷(GeH4)以增加蝕刻速率，使得對於非磊晶材料之蝕刻速率大於100nm/min。惰性載體氣體較佳地將以在沈積製程期間之相同恆定速率來流動。然而，在一些實施例中，惰性載體氣體可以在沈積以及蝕刻階段之間變化之速率流動。對於一實施例，惰性載體氣體可在沈積期間以介於5slm與13slm之間的速率流動，而在HCl蝕刻期間以介於0.5slm與2slm之間的速率流動。在另一實施例中，惰性載體氣體可在沈積期間以介於5slm與13slm之間的速率流動，而在Cl2蝕刻期間以約40slm之速率流動。在選擇性蝕刻期間，將以更快於在凹區之基座132上之磊晶層135的速率來移除非磊晶層120以及側壁128上低品質的磊晶材料。
沈積以及選擇性蒸氣蝕刻因此包括一循環，其可重複以形成摻碳含矽材料(諸如磊晶層135)之生長。此循環可重複直至在源極/汲極區域114中達成材料之所要厚度。
圖4A為在執行具有鍺併入於其中之含矽材料之毯覆式沈積之後具有絕緣體110以及具有傾斜的側壁128的源極/汲極區域114之部分形成的半導體結構170的示意性說明。凹區的側壁128具有不同於基座132之結晶平面。雖然基座132可具有<001>之結晶平面，但凹區的側壁128可具有不同的結晶平面，諸如<111>或<011>。在凹區之一側為閘極結構115，其覆蓋基板之通道區域117。
提供半導體基板至化學氣相沈積腔室中，其中發生毯覆式沈積製程。在毯覆式沈積期間，引入含矽源蒸氣、鍺源蒸氣以及惰性載體氣體，以沈積磊晶材料145在基座132以及凹區的側壁128上，以及沈積非磊晶(非晶或多晶)材料在絕緣體110上。雖然一些實施例亦可包括氫氣，但在較佳實施例中，惰性載體氣體將流動且不需氫氣。相較於圖3A至圖3B中所說明之實施例，沈積於凹區的側壁128上之磊晶材料145具有如沈積於凹區的基座132上的相同品質或類似的高品質。
與含矽源蒸氣以及惰性載體氣體流動之鍺源包括單鍺烷(GeH4)。沈積於半導體結構上之材料包括具有鍺併入於其中之含矽材料。
圖4B為在執行用以自絕緣體110移除含矽層之多個部分之選擇性化學氣相蝕刻製程之後的圖4A之部分形成的半導體結構170的示意性說明。雖然自絕緣體110之表面選擇性移除非磊晶層120，但高品質含矽磊晶材料145之磊晶生長保持在基座132以及源極/汲極區域114之側壁 128上。
在選擇性蝕刻期間，將引入蝕刻劑之流動，且同時維持惰性載體氣體之流動。蝕刻化學物較佳地包括HCl偕同單鍺烷(GeH4)。在較佳實施例中，惰性載體氣體將不需氫氣而流動。在選擇性蝕刻期間，將以更快於磊晶材料145之速率移除非磊晶層120，導致在源極/汲極區域114中由下而上的磊晶材料之生長。在一些實施例中，在絕緣表面上之蝕刻含矽材料之速率對在凹區上之蝕刻含矽材料之速率的比率為介於20：1與200：1之間。
因此，毯覆式沈積以及選擇性蒸氣蝕刻包括一循環，其可重複以沿著凹區的基部以及側壁形成含矽磊晶材料145之生長。可重複此循環，直至達成材料之所要厚度。
雖然如上已在圖2A至圖4B中描述以及說明毯覆式沈積以及蝕刻之循環，但熟習此技藝者應理解，沈積階段無需為毯覆式。相反地，可在沈積製程期間引入一種或多種蝕刻劑，使得沈積製程為至少部分選擇性或完全選擇性。可在選擇性沈積製程期間連同含矽源蒸氣引入任何如上所述之包括HCl以及Cl2的蝕刻劑。在一些實施例中，雖然停止含矽源蒸氣之流動，但蝕刻劑可持續地流動以回蝕刻在選擇性沈積期間所沈積的含矽材料。在蝕刻劑持續地在沈積以及蝕刻製程之間流動之這些實施例中，蝕刻劑流動速率可在沈積以及蝕刻製程之間傾斜增加或傾斜降低，而並不是保持恆定。
藉由使用如上所述之循環式製程，可能達成較高於傳 統製程之產率。多種執行使用持續惰性載體氣體流動且不需氫的循環式沈積以及選擇性蝕刻製程之益處如上所述。此外，描述關於在蝕刻階段期間降低惰性氣體流動速率、在沈積及/或蝕刻製程期間添增鍺以及在分割壓力製程中相對於沈積階段之蝕刻階段期間調變壓力之多種益處。
例示性製程參數 範例1-用於單一循環毯覆式沈積以及選擇性蝕刻之配方
例示性製程參數概述於下文之表A中，其根據一實施例列出用於選擇性形成製程之單一循環之操作範圍。在圓括號中提供可選擇的範圍。製程條件(諸如腔室溫度以及腔室壓力)在整個選擇性磊晶形成過程中保持恆定，從而允許高產率。
如表A所示，毯覆式沈積製程發生在1秒與12秒之間。毯覆式沈積發生在525℃與650℃之間的溫度以及在150托與200托之間的壓力下。這些條件將在整個沈積製程中保持相對恆定。在毯覆式沈積製程期間，矽源將以介於約30mg/min與200mg/min之速率流動，MMS將以介於3sccm與300sccm之速率流動，PH3將以介於6sccm與1000sccm之速率流動，以及惰性載體氣體將以介於5slm與10slm之速率流動。在毯覆式沈積期間沒有氫存在。
毯覆式沈積後接續有發生在1秒與24秒之間的選擇性蝕刻製程。如同毯覆式沈積，選擇性蝕刻發生在525℃與 650℃之間的溫度以及在150托與200托之間的壓力下。這些條件將在整個選擇性蝕刻過程中保持相對恆定。在選擇性蝕刻過程期間，HCl將以約600sccm之速率流動，鍺源將以介於160sccm與200sccm之速率流動，以及惰性載體氣體將以介於1slm與3slm之速率流動。在選擇性蝕刻製程期間將沒有氫存在。
儘管未顯示於表A中，但可在沈積或蝕刻製程之間提供可選擇的淨化氣體(purge gas)。在較佳實施例中，淨化將不是必要的，因此，降低了製程時間以及增加了選擇性磊晶形成製程之整體產率。
範例2-用於重複毯覆式沈積以及選擇性蝕刻之循環之配方
在一實施例中，執行五十次毯覆式沈積以及選擇性蝕刻之循環，產生具有高取代性碳併入之Si：C：P層之沈積。在整個選擇性形成製程中，在600℃的恆定溫度以及在175托的恆定壓力下執行毯覆式沈積以及選擇性蝕刻。在任何沈積以及蝕刻製程之間，沒有使用淨化。
在每一毯覆式沈積階段期間，伴隨介於約6sccm-12sccm之間的磷化氫(PH3)以大致36mg/min引入三矽烷(Si3H8)，以沈積摻磷含矽材料。除第一毯覆式沈積之外，在每一毯覆式沈積期間以3sccm之流動速率提供MMS源，以併入碳至沈積的含矽層中。亦提供具有10slm流動速率之由He或N2所構成的惰性載體氣體。每一毯覆式沈 積之時間在1秒與12秒之間變化。對於每一毯覆式沈積階段，發現磊晶生長速率為介於30nm/min與34nm/min之間。即使PH3摻雜劑之影響，所得碳取代與MMS之流動成正比，且大致為100%。
在每一選擇性蝕刻階段期間，伴隨以大致160sccm-200sccm之流動速率的GeH4引入大致以2000sccm之流動速率的HCl。在選擇性蝕刻階段期間，He或N2之流動保持在如毯覆式沈積期間之恆定速率。每一選擇性蝕刻階段之時間保持恆定，大致在12秒。每一選擇性蝕刻階段之後，鍺併入為恆定，並且毯覆式沈積以及選擇性蝕刻之每一循環形成大致0.5單層(monolayer，ML)或大致0.0723nm之含矽材料。磊晶蝕刻速率為介於9nm/min與11nm/min之間。
當整體選擇性沈積過程不需要任何在壓力、溫度或惰性載體氣體流動上之改變，以及不需要在沈積以及蝕刻製程之間消耗時間在淨化步驟上，達成了具有高產率之選擇製程。
範例3-用於重複選擇性沈積以及蝕刻循環之配方
例示性製程參數概述於下文之表B中，其根據一實施例列出用於重複選擇沈積以及蝕刻之循環之操作範圍。製程條件(諸如腔室溫度以及腔室壓力)在整個選擇性製程中保持恆定，從而允許高產率。在所說明之實施例中，溫度保持恆定在525℃下，並且壓力保持恆定在200托下。
提供基板至化學氣相腔室中，此基板包括相鄰於絕緣體的源極/汲極區域114。如表B所說明，執行預沈積製程，據此將含矽源蒸氣(Si3H8)引入至腔室中。此預沈積製程在整個選擇性形成製程期間發生一次。在預沈積製程之後，執行選擇性沈積，其蝕刻劑(HCl)與含矽源蒸氣(Si3H8)、碳源蒸氣(MMS)、摻雜劑前驅物(PH3)以及惰性載體氣體(He)流動。惰性載體氣體在沈積期間以第一流動速率(10slm)引入。在選擇性沈積製程期間(或任何在整個製程中之其他期間)，沒有使用氫載體氣體。在 所說明之實施例中，HCl蝕刻劑同時與含矽源前驅物引入。HCl蝕刻劑之流動速率在沈積製程期間為200sccm，以及在沈積製程中保持恆定。除了HCl蝕刻劑之外，亦在沈積製程期間提供鍺源(GeH4)。
沈積製程產生大致1.02nm/sec(或61.4nm/min)之磊晶生長速率，如圖5所示，使用所說明實施例之參數，其顯示以奈米為單位之近似沈積厚度作為以秒為單位之時間的函數。
在流動含矽源蒸氣一段期間之後(例如，介於2.4秒與3.6秒之間)，停止含矽源蒸氣流動。雖然未在此實施例中說明，含碳蒸氣流動亦可與含矽源蒸氣停止。緊接著停止含矽源蒸氣之流動，淨化製程大致發生3秒，以移除含矽源蒸氣。在淨化製程期間，惰性載體氣體之流動速率從大致10slm傾斜降低至1slm或更低。此外，在淨化製程期間，鍺源(GeH4)之流動速率傾斜增加至50sccm。發現在沈積製程期間維持微量之鍺源(GeH4)流動(例如，10sccm)協助沈積具有高取代性碳之含矽材料，而在沈積後增加鍺源(GeH4)流動之量(例如，至50sccm)幫助在蝕刻製程期間提供高蝕刻速率。
淨化製程後，執行蝕刻製程，其回蝕刻所沈積的含矽材料。在所說明之實施例中，蝕刻劑(HCl)保持相同的恆定流動速率，200sccm，如在選擇性蝕刻製程期間。惰性載體氣體(其在淨化製程期間從10slm傾斜降低至1slm)在蝕刻製程期間保持在1slm。惰性載體氣體因而在 蝕刻階段期間以小於惰性載體氣體之第一流動速率的流動速率流動。已發現，在蝕刻製程期間保持低惰性載體氣體流動速率幫助維持高的HCl蝕刻劑分壓力，以及提供如圖6所示之大致0.036nm/sec或2.16nm/min之磊晶Si：C：P的高蝕刻速率，使用所說明實施例之參數，其顯示所蝕刻材料之近似厚度作為每一循環中之以秒為單位之時間的函數。
蝕刻製程後，可提供另一淨化製程，其中再次提供含矽源蒸氣。此淨化製程意味蝕刻製程之結束以及沈積製程之開始，進而額外的選擇性沈積以及蝕刻之循環之開始。在此淨化製程期間，傾斜增加惰性載體氣體流動速率回至10slm。重複此選擇性沈積以及蝕刻之循環20至50次，直至沈積含矽材料之所要量。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，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，故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。
10、20、30、40‧‧‧區塊
100‧‧‧基板
110‧‧‧絕緣體
112‧‧‧場隔離區域
114‧‧‧源極/汲極區域
115‧‧‧閘極結構
117‧‧‧通道區域
120‧‧‧非磊晶層
125‧‧‧下部磊晶層
128‧‧‧側壁
129‧‧‧磊晶層
130‧‧‧側壁磊晶層
132‧‧‧基座
135‧‧‧磊晶層
138‧‧‧磊晶材料
139‧‧‧磊晶層
145‧‧‧磊晶材料
149‧‧‧磊晶層
150‧‧‧半導體結構
160‧‧‧半導體結構
170‧‧‧半導體結構
圖1為說明根據本申請案之一實施例之選擇性磊晶形成過程的流程圖。
圖2A為包括形成於半導體基板中之圖案化絕緣體區域之部分形成的半導體結構的示意性說明。
圖2B為在執行半導體基板上的含矽材料之毯覆式沈積之後的圖2A之部分形成的半導體結構的示意性說明。
圖2C為在執行用以自半導體基板之絕緣體區域移除含矽材料之選擇性化學氣相蝕刻過程之後的圖2B之部分形成的半導體結構的示意性說明。
圖2D為在執行半導體基板上的含矽材料之第二毯覆式沈積之後的圖2C之部分形成的半導體結構的示意性說明。
圖2E為在執行用以自半導體基板之絕緣體區域移除含矽材料之第二選擇性化學氣相蝕刻過程之後的圖2D之部分形成的半導體結構的示意性說明。
圖2F至圖2G為在執行毯覆式沈積以及選擇性蝕刻之其他循環之後的圖2E之部分形成的半導體結構的示意性說明。
圖3A為在執行含碳矽材料之毯覆式沈積之後具有絕緣體以及具傾斜側壁的凹區之部分形成的半導體結構的示意性說明。
圖3B為在執行用以自絕緣體以及凹區側壁移除含碳矽材料之多個部分之選擇性化學氣相蝕刻過程之後的圖3A之部分形成的半導體結構的示意性說明。
圖4A為在執行含鍺矽材料之毯覆式沈積之後具有絕緣體以及具傾斜側壁的凹區之部分形成的半導體結構的示意性說明。
圖4B為在執行用以自絕緣體移除含鍺矽材料之多個部分之選擇性化學氣相蝕刻過程之後的圖4A之部分形成的半導體結構的示意性說明。
圖5為根據一實施例展示作為時間函數之近似沈積厚度。
圖6為根據一實施例展示作為時間函數之蝕刻材料之近似厚度。
10、20、30、40‧‧‧區塊

Claims (34)

  1. 一種在單晶半導體表面上選擇性形成含矽材料之方法，包括：提供基板，所述基板包括絕緣表面以及單晶半導體表面；藉由流動含矽源蒸氣以及惰性載體氣體且不需流動H2，在所述基板的所述絕緣表面以及所述單晶半導體表面上沈積含矽材料；藉由流動蝕刻劑且同時保持所述惰性載體氣體的持續流動而不需流動H2，自所述絕緣表面上選擇性移除所述含矽材料；以及循環沈積以及選擇性移除兩或多次，直至在所述單晶半導體表面上達成所述含矽材料的所要厚度，其中在循環期間所述惰性載體氣體持續流動而無H2。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之在單晶半導體表面上選擇性形成含矽材料之方法，其中所述惰性載體氣體包括He。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之在單晶半導體表面上選擇性形成含矽材料之方法，其中所述惰性載體氣體包括N2。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之在單晶半導體表面上選擇性形成含矽材料之方法，其中所述惰性載體氣體在沈積製程期間以介於5slm與10slm之間的速率流動。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之在單晶半導體表面 上選擇性形成含矽材料之方法，其中所述惰性載體氣體的流動在沈積以及選擇性移除製程期間保持恆定。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之在單晶半導體表面上選擇性形成含矽材料之方法，其中沈積所述含矽材料發生在介於500℃與600℃之間的恒定溫度下。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之在單晶半導體表面上選擇性形成含矽材料之方法，其中藉由流動所述含矽源蒸氣沈積所述含矽材料發生達介於1秒與5秒之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之在單晶半導體表面上選擇性形成含矽材料之方法，其中選擇性移除所述含矽材料發生在1秒與15秒之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之在單晶半導體表面上選擇性形成含矽材料之方法，更包括在所述含矽材料之沈積期間引入由單甲基矽烷所構成的碳源氣體與含蒸氣的矽源以及所述惰性載體氣體。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之在單晶半導體表面上選擇性形成含矽材料之方法，其中所述單甲基矽烷在所述含矽材料之沈積期間以介於10sccm與100sccm之間的速率流動。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之在單晶半導體表面上選擇性形成含矽材料之方法，其中在凹區中沈積之所述含矽材料形成應變異質磊晶薄膜。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之在單晶半導體表面上選擇性形成含矽材料之方法，其中在所述單晶半導體表 面上沈積之所述含矽材料為摻碳的。
  13. 一種在凹區中選擇性形成含矽材料之方法，包括：提供基板至化學氣相沈積腔室中，所述基板包括凹區以及相鄰的絕緣表面；藉由在所述化學氣相沈積腔室中流動三矽烷以及一惰性載體氣體，在所述凹區上沈積磊晶材料以及在相鄰的所述絕緣表面上沈積非磊晶材料，其中所述惰性載體氣體以恆定速率流動；藉由流動蝕刻劑且同時保持在所述化學氣相沈積腔室中所述惰性載體氣體的持續流動，自所述絕緣表面上選擇性移除所述非磊晶材料之部分；以及在相同的所述化學氣相沈積腔室中重複沈積以及選擇性移除之循環，直至含矽材料的所要厚度沈積於所述凹區中，其中在沈積、選擇性移除以及重複期間所述惰性載體氣體持續流動。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之在凹區中選擇性形成含矽材料之方法，其中所述惰性載體氣體包括He。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之在凹區中選擇性形成含矽材料之方法，其中所述惰性載體氣體包括N2。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之在凹區中選擇性形成含矽材料之方法，其中所沈積的所述含矽材料為拉伸應變的。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之在凹區中選擇性形成含矽材料之方法，其中所沈積的所述含矽材料為摻雜 磷之矽-碳材料。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之在凹區中選擇性形成含矽材料之方法，其中沈積所述磊晶材料包括毯覆式沈積所述磊晶材料。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之在凹區中選擇性形成含矽材料之方法，其中沈積所述磊晶材料包括選擇性沈積所述磊晶材料。
  20. 如申請專利範圍第13項所述之在凹區中選擇性形成含矽材料之方法，其中所述惰性載體氣體的流動速率在選擇性移除所述非磊晶材料之部分期間與在沈積所述磊晶材料期間保持在相同的恆定速率。
  21. 如申請專利範圍第13項所述之在凹區中選擇性形成含矽材料之方法，其中所述蝕刻劑包括HCl，以及相對於在沈積所述磊晶材料期間的所述惰性載體氣體的流動速率，降低在選擇性移除所述非磊晶材料之部分期間的所述惰性載體氣體的流動速率。
  22. 如申請專利範圍第13項所述之在凹區中選擇性形成含矽材料之方法，其中所述蝕刻劑包括Cl2，以及相對於在沈積所述磊晶材料期間的所述惰性載體氣體的流動速率，增加在選擇性移除所述非磊晶材料之部分期間的所述惰性載體氣體的流動速率。
  23. 一種在凹區中選擇性形成摻碳含矽材料之方法，包括：提供基板至化學氣相沈積腔室中，所述基板包括相鄰 於絕緣體的凹區；引入含矽源蒸氣、含碳源蒸氣以及惰性載體氣體，以在所述凹區及所述絕緣體上沈積摻碳含矽的材料，其中以第一流動速率引入所述惰性載體氣體；當改變所述惰性載體氣體的流動速率時，中斷所述含矽源蒸氣及所述含碳源蒸氣之流動；當以小於所述惰性載體氣體之所述第一流動速率的第二流動速率流動所述惰性載體氣體時，流動蝕刻劑以自所述絕緣體蝕刻所述材料；以及重複沈積以及蝕刻之循環，直至在所述凹區中達成所述材料之所要厚度，其中在引入、中斷、流動所述蝕刻劑以及重複期間所述惰性載體氣體持續流動。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之在凹區中選擇性形成摻碳含矽材料之方法，其中所述惰性載體氣體在沈積期間以介於5slm與13slm之間的速率流動。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之在凹區中選擇性形成摻碳含矽材料之方法，其中所述惰性載體氣體的所述第二流動速率介於0.5slm與2slm之間。
  26. 如申請專利範圍第23項所述之在凹區中選擇性形成摻碳含矽材料之方法，其中所述凹區中的所沈積的摻碳含矽的所述材料具有介於1%與3%之間的取代性碳濃度。
  27. 如申請專利範圍第23項所述之在凹區中選擇性形成摻碳含矽材料之方法，其中所述蝕刻劑包括HCl。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之在凹區中選擇性形成摻碳含矽材料之方法，更包括在蝕刻製程期間引入GeH4。
  29. 如申請專利範圍第23項所述之在凹區中選擇性形成摻碳含矽材料之方法，其中所述蝕刻劑包括Cl2。
  30. 如申請專利範圍第23項所述之在凹區中選擇性形成摻碳含矽材料之方法，其中沈積製程發生在介於525℃與575℃之間的溫度。
  31. 如申請專利範圍第23項所述之在凹區中選擇性形成摻碳含矽材料之方法，其中所述蝕刻劑在作為選擇性沈積製程之部分的沈積製程期間，首先引入至所述化學氣相沈積腔室中。
  32. 如申請專利範圍第23項所述之在凹區中選擇性形成摻碳含矽材料之方法，其中以大於100nm/min的速率自所述絕緣體蝕刻所述材料。
  33. 一種在凹區中選擇性形成含矽材料之方法，包括：提供半導體基板至化學氣相沈積腔室中，所述半導體基板包括凹區以及相鄰的絕緣表面；藉由在所述化學氣相沈積腔室中流動含矽源蒸氣以及惰性載體氣體，在所述凹區以及相鄰的所述絕緣表面上沈積含矽材料；藉由流動所述惰性載體氣體與HCl以及GeH4且不需流動H2，自所述絕緣表面上選擇性移除部分所述含矽材料；以及 在相同的所述化學氣相沈積腔室中重複沈積以及選擇性移除製程，直至所述含矽材料的所要厚度沈積於所述凹區中，其中在沈積、選擇性移除以及重複期間所述惰性載體氣體持續流動。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之在凹區中選擇性形成含矽材料之方法，其中在所述絕緣表面上的蝕刻所述含矽材料之速率對在所述凹區上的蝕刻所述含矽材料之速率的比率介於2：1與200：1之間。
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