專利名稱：形成外延層的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括在硅襯底上特別是通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成外延層的步驟的制造半導(dǎo)體器件的方法，還涉及所用的一種設(shè)備。
為了擴(kuò)展采用硅微電子技術(shù)的元件的材料種類，如外延生長在硅襯底上的Si1-x-yGexCy(和Si1-yCy)晶體等材料已經(jīng)引起了廣泛注意。
硅碳(Si1-yCy)是在例如J.P.Liu和H.J.Osten的“Substitutional carbon incorporation during Si1-x-yGexCygrowthon Si(100)by molecular-beam epitaxyDependence on germaniumand carbon”，Applied Physics Letters，Vol.76，No.24，(2000)，P.3546-48，以及H.J.Osten的“MBE growth and properties ofsupersaturated，carbon-containing silicon/germainium alloyson Si(100)”，Thin Solid Films，Vol.367，(2000)，P.101-111中所討論的一種新材料，它具有與硅相同的金剛石結(jié)構(gòu)。一般C的濃度在0-5％之間，遠(yuǎn)超出C在Si中的溶解度極限。在Si1-yCy中，所有碳原子都應(yīng)當(dāng)是取代的，占據(jù)硅結(jié)構(gòu)中的硅原子的位置。因此，要精加工這種材料的一個特別挑戰(zhàn)就是向硅中引入取代碳。已知，C原子在Si和Ge中的平衡固溶度極小，因此人們期望生長高質(zhì)量的取代C濃度高達(dá)幾個原子百分比的Si1-x-yGexCy晶體。在低溫下取代碳的比例增加。如果碳原子不在點(diǎn)陣位置，即如果它們不是取代的，則它們可能會導(dǎo)致各種缺陷，例如但不限于SiC沉淀。這些缺陷不適于半導(dǎo)體應(yīng)用和外延生長。
已知，Si1-x-yGexCy和Si1-yCy外延層可以利用不同工藝如分子束外延(MBE)、快熱化學(xué)氣相沉積(RT-CVD)、低壓化學(xué)氣相沉積(LP-CVD)和超高真空化學(xué)氣相沉積(UHV-CVD)生長在硅(001)襯底上。后者在B.Tillack，B.Heinemann，D.Knoll的“Atomic layer doping ofSiGe-fundamentals and device applications”，Thin SolidFilms，Vol. 369，(2000)，p.189-194；Y.Kanzawa，K.Nozawa，T.Saitoh和M.Kubo的“Dependence of substitutional Cincorporation on Ge content for Si1-x-yGexCycrvstals grown byultrahigh vacuum chemical vapor deposition”，Applied PhysicsLetters，Vol. 77，No.24，(2000)，P.3962-64；以及S.John.E.J.Quinomes，B.Ferguson，S.K Ray，B.Anantharan，S.Middlebrooks，C.B.Mullins，J.Ekerdt，J.Rawlings和S.K.Banerjee的“Properties of Si1-x-yGexCyepitaxial films grown byUltrahigh Vacuum Chemical Vapor Deposition”，Journal of TheElectrochemical Society，Vol. 146，No.12(1999)，P.4611-4618中有記載。取代和間隙碳結(jié)合之間的關(guān)系是一個非常重要的因素，它對層的電性能和光性能有影響。一般認(rèn)為，碳取代率(即取代結(jié)合的碳原子的比例)和晶體質(zhì)量受生長條件的影響很大。
在低溫下，即一般低于約600℃時，外延層的生長速率受表面上氫原子的存在控制，氫原子的存在是在沉積過程中分子氣體如SiH4、Si2H6、SiH2Cl2、GeH4和H2的分解導(dǎo)致的，且沒有立即發(fā)生其脫附過程。硅上的平衡氫覆蓋度作為氫壓和溫度的函數(shù)可以用如P.V.Schwartz和J.C.Sturm在“Oxygen incorporation during low temperaturechemical vapor deposition growth of epitaxial siliconfilms”，Journal of the Electrochemical Society，Vol. 141，No.5，(1994)，P.1284-1290中所討論的朗繆爾模型吸附(Langmuirmodel adsorption)來模擬。不過，對于外延層的生長，氫作為目前所選擇的載體氣體是非常重要的。
應(yīng)當(dāng)理解，如下面所述，氫在外延附生中扮演重要角色。由于例如上面所述的原因，所有CVD工藝都使用氫作為載體氣體。
人們注意到，當(dāng)在低溫下通過CVD從一種氣體前體如SiH4中生長硅時，氫將鈍化表面，使其對那些會妨礙外延附生的污染物呈惰性。而且，人們相信氫由于有助于不同層間的界面清晰(interfaceabruptness)和由于能降低生長期間的表面吸收和擴(kuò)散所以可能有益于外延附生。當(dāng)各種摻雜物被吸在生長前沿上時，可以觀察到類似的情況。這也解釋了為什么如E.Finkman，F(xiàn).Meyer和M.Mamor在″Short-range order and strain in SiGeC alloyes probed byphonons”，Journal of Applied Physics，Vol. 89，No.5(2001)，p.2580-2587中所述的在實(shí)際上不需要載體氣體的分子束外延(MBE)工藝中嘗試使用氫的原因。
此外，在M.liehr，C.M.Greenlief，S.R.Kasi和M.Offenberg的“Kinetics of silicon epitaxy using SiH4in a rapid thermalchemical vapor deposition reactor”，Applied Physics Letters，Vol. 56，No.7，(1990)，P.629-631中說明了鍺烷對氫的脫附的影響。所討論的結(jié)果被廣泛應(yīng)用在各種SiGe生長模型中，并報導(dǎo)了鍺烷對于硅在低溫下的生長速率有巨大的催化作用。這種催化作用增強(qiáng)了從生長面上有鍺的部位的氫脫附作用，從而使得增強(qiáng)了生長種類的吸附并由此提高了生長速率。該文獻(xiàn)推斷，在低溫汽相外延中，鍺烷的少量加入可以將硅的有效生長速率提高兩個數(shù)量級。盡管還不知道這種催化作用的確切機(jī)制，但這種影響是非常有利的，因?yàn)樗沟貌挥眉す馄鳌⒌入x子體或其它外在生長促進(jìn)技術(shù)就可以在低溫時使GexSi1-x膜獲得生長速率(100/min)。
而且如J.Vizoso，F(xiàn).Martin，J.Sune和M.Nafria在“Hydrogendesorption in SiGe filmsAdiffusion limited process”，AppliedPhysics Letters，Vol. 70，No.24，(1997)，p.3287-89中所述，已知?dú)湓赟iGe外延附生中充當(dāng)表面活性劑，抑制能導(dǎo)致SiGe粗糙或形成孤島的三維生長。
因此，氫已經(jīng)被理所當(dāng)然地當(dāng)作特選的載體氣體，并且氫通常是用于外延附生工藝的一種重要?dú)怏w。
WO-A-01/14619公開了碳化硅和/或硅鍺碳化物的外延生長，并采用氮?dú)庾鬏d體氣體。不過，在此文獻(xiàn)中所公開的外延反應(yīng)器是設(shè)定在極高溫度即1100-1400℃下運(yùn)行的。
本發(fā)明試圖提供一種在硅襯底上通過CVD形成外延層的方法，同時此方法與已知的這類方法相比具有很多優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明還試圖提供這樣一種化學(xué)氣相沉積設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種包括在硅襯底上通過化學(xué)氣相沉積沉積一個基于第IV族元素的外延層的步驟并包括使用氮?dú)饣蛞环N惰性氣體作載體氣體的制造半導(dǎo)體器件的方法。
特別是，這種載體氣體可以有利地用來控制外延層(epi-layer)的品質(zhì)和碳的結(jié)合。
特別是，通過使用氮?dú)庾鬏d體氣體，使得可以以比已知的使用氫作載體氣體的Si外延附生工藝更高的生長速率和在更低的溫度下得到平滑的外延硅層。
權(quán)利要求2-6的特征確定了具體的可形成根據(jù)本發(fā)明的外延附生體系的一部分的第IV族元素。
權(quán)利要求7和8的特征有利地進(jìn)一步提高了沉積速率，可用來限制生產(chǎn)成本。
通過使用氮?dú)庾鬏d體氣體進(jìn)行硅、硅碳、硅鍺和硅鍺碳的低溫CVD外延附生，該可以將工藝的最佳工作范圍提高至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出使用氫作載體氣體的工藝所固有的限制。用氮?dú)庾鬏d體氣體的低溫外延附生工藝的生長機(jī)制與用氫作載體氣體的低溫外延附生工藝不同。這導(dǎo)致了更高品質(zhì)的材料和改進(jìn)的碳結(jié)合。
本發(fā)明特別是可用于在硅襯底上以高生長速率、高碳取代率和低生產(chǎn)成本沉積摻雜或未摻雜的Si1-x-yGexCy和Si1-yCy外延層。低生長溫度和高生長速率的結(jié)合對于要求低熱預(yù)算的應(yīng)用如在具有高Ge濃度的應(yīng)變SiGe層上的Si覆蓋層(cap layer)同樣非常有吸引力。
在下文中參考附圖對本發(fā)明作了進(jìn)一步地描述，但僅作為舉例，其中

圖1是用氮?dú)舛菤錃庾鬏d體氣體時，生長速率根據(jù)溫度變化的圖解說明；圖2是對晶片上的厚度和鍺濃度的均勻度的圖解說明；圖3是對使用氮?dú)庾鬏d體氣體的優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步圖解說明；和圖4是與本發(fā)明配合使用的化學(xué)氣相沉積設(shè)備的示意框圖。
用工業(yè)用減壓化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以下內(nèi)容涉及對SiGe生長的基本影響。
使用氫氣和氮?dú)庾鬏d體氣體時SiGe的生長速率作為溫度的函數(shù)如圖1所示。對于氮?dú)?，生長條件為壓力＝40Torr、N2＝33slm、SiH4＝5sccm、GeH4＝150sccm。對于氫氣，生長條件為壓力＝40Torr、H2＝33slm、SiH4＝20sccm和GeH4＝150sccm。
這清楚表明，在低溫下使用氮?dú)庾鬏d體氣體時SiGe的生長速率可以比使用氫氣作載體氣體時提高10倍。在只生長硅時也觀察到了類似的效果，這時，當(dāng)載體氣體從氫氣換為氮?dú)鈺r生長速率增長了6倍(575℃，硅烷流量400sccm)。
為突出載體氣體類型對生長速率的影響，采用了相同的通用生長條件即載體氣體流量、生長溫度和總壓等。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)注意，在實(shí)踐中這會導(dǎo)致SiGe厚度以及晶片上外延層內(nèi)的Ge濃度的均勻性非常差，在15％的范圍，這對于實(shí)際應(yīng)用來說是不能接受的。
在半導(dǎo)體工業(yè)中，外延層的厚度和組分濃度的均勻性非常重要。因此，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特別是氣體流相對于晶片的位置的方向和大小是一個決定性因素。如圖2所示，通過用氮?dú)庾鬏d體氣體和調(diào)節(jié)不同的生長參數(shù)可以生長平滑均勻的SiGe(C)外延層。
圖3提供了對使用氮?dú)庾鬏d體氣體與使用氫氣相比的優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步說明。圖3特別說明了由于低溫硅外延附生所獲得的優(yōu)點(diǎn)，如圖所示生長條件為P＝40Torr和N2＝15slm時，可以以相對較高的生長速率和在較低的生長溫度下獲得平滑的外延硅層。因此，可以制造出更高品質(zhì)的具有改進(jìn)的碳結(jié)合的材料。
現(xiàn)在看圖4，其中顯示了一種準(zhǔn)備配合本發(fā)明使用的化學(xué)氣相沉積設(shè)備10，它包括在一端具有氣體輸入口14并在相對端具有氣體輸出口16的細(xì)長形室12。室12內(nèi)容納了一個其上安置有硅襯底20的基座臺18。
室12內(nèi)的壓力可以通過經(jīng)輸入口14導(dǎo)入氣體和經(jīng)輸出口16從中排出氣體的方式進(jìn)行控制。輸入口14與氣體總管22相連，氣體從多個氣源輸入氣體總管22。在所述例子中，舉出了用來通過輸送管26向氣體總管22輸入第一種氣體的第一氣源24和用來通過輸送管30向氣體總管22輸入氣體的第二氣源28。
當(dāng)然，氣源的總個數(shù)可以根據(jù)要在襯底20上形成的外延層的需要進(jìn)行安排。
在575℃的生長溫度進(jìn)行測試。在此溫度下，根據(jù)硅烷流量，生長速率似乎是傳質(zhì)控制或擴(kuò)散限制控制的，且在小密度的缺陷下所獲得的生長速率在10nm/min左右。根據(jù)生長溫度，可以選擇用SiH4和SiH2CL2氣體的組合作Si前體氣體。低于550℃的溫度時，作為生長的副產(chǎn)物產(chǎn)生在表面上的氫原子被認(rèn)為是會使Si表面鈍化。
已知，碳在Si中的低固溶度使得碳在硅中的結(jié)合成為一個關(guān)鍵步驟。
已經(jīng)證明，在550℃時使用硅烷和氮?dú)庾鬏d體氣體可以生長高品質(zhì)的硅碳外延層。
根據(jù)本發(fā)明可以生長平滑的高品質(zhì)材料。對于氮?dú)?，生長條件為P＝40Torr、N2＝33slm、SiH4＝5sccm、GeH4＝150sccm；對于氫氣，生長條件為P＝20-40Torr、H2＝33slm、SiH4＝20sccm、和GeH4＝150sccm。
因此可知，通過使用氮?dú)庾鬏d體氣體，可以生長鍺濃度約20原子％和碳濃度高達(dá)1.3％的高品質(zhì)的平滑硅鍺碳外延層。上述實(shí)施例的生長條件包括沉積溫度為525℃，氮?dú)饬髁繛?5slm，硅烷(SiH4)流量為20sccm，鍺烷(GeH4)流量為150sccm以及甲基硅烷(SiH3CH3)流量為0-20sccm；結(jié)果清楚表明了本發(fā)明的方法使用氮?dú)庾鬏d體氣體時的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，取代碳的濃度可以通過降低生長溫度和提高M(jìn)ano-甲基-硅烷流量來提高。
本發(fā)明記述了一種在工業(yè)用CVD反應(yīng)器中在硅襯底上沉積基于第IV族元素Si、Ge、C的外延層的方法，如已經(jīng)指出的，有利地使用氮?dú)饣蛞环N惰性氣體作載體氣體可以以比現(xiàn)在使用氫氣作載體氣體的標(biāo)準(zhǔn)方法更低的生產(chǎn)成本生長具有高取代碳含量的高品質(zhì)外延材料。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括通過化學(xué)氣相沉積在硅襯底上沉積一個基于第IV族元素的外延層的步驟，并包括使用氮?dú)饣蛞环N惰性氣體作載體氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，它被用于形成一個基于硅、鍺和/或碳的外延層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述外延層包括Si1-yCy。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述外延層包括SiGe外延層。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述外延層包括Si1-x-yGexCy。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述外延層包括硅外延層。
7.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的方法，它在低溫下進(jìn)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，它在低于約600℃的溫度下進(jìn)行。
9.一種化學(xué)氣相沉積設(shè)備(10)，它包括具有氣體輸入口(14)和氣體輸出口(16)的室(12)，以及位于室(12)內(nèi)的用于安置硅襯底(20)的機(jī)構(gòu)(18)，所述設(shè)備(10)還包括一個連接在輸入口(14)上用來提供作為載體氣體的氮?dú)饣蚨栊詺怏w的氣源(24)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其用來按照權(quán)利要求2-8中任一項(xiàng)所述的方法沉積外延層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包括在硅襯底上通過化學(xué)氣相沉積沉積一個基于第IV族元素的外延層的步驟的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中使用氮?dú)饣蛞环N惰性氣體作載體氣體，本發(fā)明還提供一種化學(xué)氣相沉積設(shè)備(10)，它包括具有氣體輸入口(14)和氣體輸出口(16)的室(12)，以及位于室(12)內(nèi)的用于安置硅襯底(20)的機(jī)構(gòu)(18)，所述設(shè)備(10)還包括一個連接在輸入口(14)上用來提供作為載體氣體的氮?dú)饣蚨栊詺怏w的氣源。
文檔編號H01L21/205GK1685089SQ03823454
公開日2005年10月19日 申請日期2003年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月3日
發(fā)明者P·穆尼爾-貝爾拉德, M·R·J·卡伊馬西 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司