TW200816280A - Methods of controlling morphology during epitaxial layer formation - Google Patents

Description

200816280 九、發明說明： 【發明所屬之技術頜域】 本發明係關於半導體元件之製造，更具體地，係關於 控制蠢晶層成長期間形態之方法。 【先前技術】

隨著小型電晶體的製造，要生產超淺源/汲極接面變得 更具挑戰性。一般而言，次100奈米（sub-100 nm)的互補 性金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor ； CMOS)元件，所要求的接面深度需小於 3 0 nm。常利用選擇性的蠢晶沉積（seiectiVe epitaxial deposition)，將含矽材料（例如矽、矽鍺或碳化矽）之磊晶 層形成於接面中。一般而言，選擇性磊晶沉積能夠讓磊晶 長在矽溝（silicon moats)上，而非長在介電區上。選擇性磊 晶可用於半導體元件，例如提高源/沒極、源/沒極延展、 接觸插塞或雙極性元件的基層沉積。 一般而言，選擇性磊晶製程牽涉到沉積反應與蝕刻反 應。沉積反應與蝕刻反應係同時發生，但對於蠢晶層與多 晶質層則具有不同的反應速率。於沉積的過程中，磊晶層 係形成於一單晶石夕層表面，而多晶質層則沉積於至少第二 層（例如多晶質層及/或非晶質層）上。然而，所沉積的多晶 質層其餘刻速率通常較蠢晶層快。因此，藉由改變钱刻氣 體的浪度’淨選擇製程的結果為蠢晶材料的沉積，同時限 制了或並無多晶質材料的沉積。舉例而言，選擇性磊晶製 5 200816280 程會在單晶矽表面上形成含矽材料之磊晶層，而於間隙壁 上無任何沉積。 在形成提高源/汲極與源/汲極延展之特徵時，例如在 形 成含矽 之金氧 半場效 電晶體 (Metal-Oxide -Semiconductor Fiel d-Effect Transi stor ， MOSFET)元件時，含矽材料之選擇性磊晶沉積技術具有相 當助益。源/汲極延展的製造方式，係先蝕刻矽表面以製造 出嵌壁式的源/汲極特徵，再利用選擇性成長的磊晶層，例 如矽鍺（silicon germanium，S iGe)材料，填入蝕刻後的表 面。選擇性蠢晶能以内推雜（in_situ doping)近乎完全的換 雜活化（dopant activation)，進而省略後續的回火製程。因 此，可藉由矽餘刻與選擇性磊晶準確地定義出接面深度。 另一方面，超淺源/汲極無可避免地會導致串聯電阻的增 加。此外’在开> 成石夕化物過程中的接面消耗（juncti〇n consumption)，會進一步地提高串聯電阻。為了彌補接面 消耗’可於接面上遙晶地且選擇性地成長提高的源/汲極。 一般而言’提高的源/汲極層為未摻雜矽。 然而’現有選擇性蟲晶製程具有某些缺點。為了在現 今的磊晶製程中維持選擇性，因此前驅物的化學濃度以及 反應溫度必須在沉積過程中全程控管與調整。若未提供足 夠的矽前驅物， #刻反應則會居於主要，並延滯整個製程

表面形成單晶碎與多晶 沉積反應則會居於主要，降低在基材 晶質材料的選擇性。另外，現今選擇 6 200816280 性磊晶製程需以高反應溫度進行，例如 8 0 0 °C、1 〇 〇 〇 °C或 更高。但由於熱預算（thermal budget)的考量，且於基材表 面可能有難以控制的氮化反應，在製程過程中，此高溫反 應乃是不利的。 因此，仍待開發需一種製程，可選擇性且磊晶地沉積 具有選擇性摻雜物的矽與含矽化合物。此外，在具有快速 沉積速率、平滑表面形態且製程溫度維持於例如約 8 0 0 °C 或更低時，此製程需能與各種元素濃度形成含矽化合物。 【發明内容】 本發明之第一態樣係提供一種於基材上選擇性形成磊 晶層之方法。此方法包含將該基材加熱至低於約 800 °C之 一溫度，並於該選擇性磊晶膜形成製程中，一併使用矽烷 與二氯矽烷作為矽源。 本發明之另一態樣係提供一種於基材上選擇性形成磊 晶層之方法。此方法包含輪流交替至少一沉積步驟與至少 一蝕刻步驟。將該基材加熱至低於約 8 0 0 °C之一温度。該 沉積步驟一併使用矽烷與二氣矽烷作為矽源。在室壓約為 5-50 Torr下，以約10 seem至100 seem的流速流入每一 矽源氣體。該蝕刻步驟包含流入氯化氫與氯氣之至少一者。 於本發明之另一態樣中，係提供一種於基材上形成磊 晶層之方法。此方法包含：（1)加熱該基材至低於約 800 °C之一溫度；以及（2)於該基材上進行一選擇性磊晶膜形成 製程，於該選擇性磊晶膜形成製程中，一併使用矽烷與二 7 200816280 氯梦院作為石夕 比例大於1。 依據下述 使本發明其他 '原、以便形成該遙晶層。碎源對二氣石夕烧之 本發明亦提供其他各式之態樣。 之實施方式、申請專利範圍與所附圖示，可 特徵與態樣更為清楚。 【實施方式】 在以介電腹：m 、圖案化的石夕基材上的選擇性蠢晶成長過程 中，僅於暴露的石々主 夕表面上形成（例如，非於介電表面）單晶 半導體。所謂的；探α^ 月的、擇性厚度則定義為在膜成長開始或在介 電表面成核之前，^ J石夕表面所獲得的最大膜厚度。 選擇料石日 、 、 猫日日成長的過程可包含同時進行的蝕刻-沉積 裝程，亦或氣體交替供應製程。在同時進行的蝕刻-沉積製 程中蝕刻劑與沉積物兩者乃同時流動。據此，在形成磊 晶層的過程中，沉積與蝕刻為同時發生。 在美國專利中請案號π/001，774 —案中（中請日2004 年12月1日，代理人案號96〗8)，則描述了以氣體交替供 應（alternating gas suppiy，AGS)於基材上形成磊晶層的 製程。在AGS製程中，則是先於基材上進行磊晶沉積製 程’然後在於基材上進行蝕刻製程。此種磊晶沉積製程續 以#刻製程的循環則不斷重複，直至形成所需的磊晶層厚 度為止。 當沉積溫度小於80(TC時，矽烷（silane，SiH〇可作為 選擇性矽磊晶的另一種前驅物。在此較低溫度下，矽烷的 成長速率比二氯矽烷（Dichlorosilane，DCS)高。然而，本 8 200816280 發明之發明人卻觀察到以石夕燒為基礎的製程可能會產生形 態上的問題（例如表面粗糙或坑洞）。 於本發明之至少一實施例中，藉由一併使用石夕烷與二 氣矽烷（例如於膜成長時，混合矽烷與二氯矽烧），可降低 及/或消除與使用矽炫有關而觀察到的形態問題。相信此方 法改變膜表面上的擴散機制，提供較大的形態控制。

雖然本發明可與其他選擇性磊晶製程一併使用，但於 部份實施例中，本發明可與美國專利申請案號11/〇〇l ,774 一案中（申請日2004年12月i日，代理人案號“Η)，所 述之AGS製程一同施行。 利用僅以矽烧作為矽源的選擇性製程（例如在AgS製 程中）所形成的矽磊晶膜，已發現其表面粗糙且有凹洞。利 用矽烷與二氯矽烷兩者作為矽源的選擇性製程（例如在 AGS製程中）所形成的梦蠢晶膜，已發現具有改善的膜形 態，例如改善的表面平滑（例如沒有凹洞）。不同於其他方 法（例如後沉積平化步驟），不需額外的製程步驟，使用矽 烷與二氣矽烷可即時控制膜形態（例如在磊晶膜形成過程 期間）。 …γ外心眾程的示例可包 ^流速約10 seem到約100 sccm矽燒。此外矽源可包含 流速約10 seem到約100sccm的二氣矽烷。於此示：中3 在AGS製程中的沉積循環過程中，可採用約5丁〇^到 T〇rr的室壓範圍，而沉積時間約為2_25〇秒，且較佳 5-1〇秒，以及介於約700t至約75(rc之間的溫度範圍。·"、 9 200816280 於部份實施例中，矽烷與二氣矽烷的比例可大於丨，例如 為 2 : 1，3:1，4 : 1，5 ·· 1，7 ·· 1，10 : 1 等（石夕燒：二氣 矽烷）。在沉積循環之後，可進行蝕刻製程，舉例而言，以 流速約5 0 s c c m至約5 0 0 s c c m的氯化氫（H C1)作為餘刻 劑，約5 Torr到1〇〇 Torr的室壓範圍，而沉積時間約為 2 - 2 5 0秒，且較佳約為5 -1 0秒，以及介於約7 0 〇 °c至約7 5 〇 C之間的溫度範圍。在餘刻循壤後’可於約5 T 〇 r r至50 (' Torr的壓力下，溫度範圍介於約7〇〇DC至750它之間，進 行約1 0秒的清潔循環。於沉積、蝕刻及/或清潔過程中， 亦可使用其他的製程時間、溫度及/或流速。舉例而言，可 如於美國專利申請案號1 1/227,794 (申請曰2005年09月 4曰’代理人案號9618/P01) —案中所述，於每一姓刻步 驟中’使用氣氣（Cl2)或氣氣與氯化氫之組合。 第1圖為依據本發明，用以形成磊晶膜之第一示範方 法10 0之流程圖。參照第1圖，於步驟1 〇丨中，將基材放 入—處理室中，並將基材加熱至約800X：或低於800t：。於 ......J 匈5个、魯 乃貫施例中，在蠢晶膜形成過程中，可使用較低溫度範 圍，例如低於75〇t：，低於700°C或低於650。(：。 - 於步驟1 02中’矽烷與二氯矽烷則與適用的載流氣體 及/或捧雜物一起流入處理室中，以便於基材上形成一磊晶 膜〇 、。於部份實施例中，一或多種蝕刻氣體（例如氯化氫、氯 氣化氫與氯氣之組合等）可與矽源氣體於相同的時間一 机入（例如在同時進行的沉積-蝕刻製程過程中）。於其他 實施 例中’可於沉積之後，採用一分開的蝕刻步驟（例如於 10 200816280 A G S製輕中、。、”

甲）/儿積與蝕刻步驟則持續進行，直至達到所需 的蠢晶膜厘存也 L 予度马止。於部份實施例中，所採用的矽烷與二 氯石夕烧的a九丨π丄， ’、 匕例可大於1，例如為2 : 1，3: 1，4 : 1，5 ·· 1， 1等（石夕燒·二氯石夕烧）。亦可使用其他的石夕源 比例。 第2圖為依據本發明，用以形成磊晶膜之第二示範方 法2 0 0之、、&名口国 机私圖。參照第2圖，於步驟2 01中，將基材放 -ι_ 一 厂、- 至中’並將基材加熱至約800。〇或低於8〇〇 °C。於 部份實备 貝 例中’在磊晶膜形成過程中，可使用較低溫度範 圍例如低於750°C，低於7〇(rc或低於650°C。 於牛 、^驟202中，矽烷與二氯矽烷則與適用的載流氣體 及/或推雜仏 ._ /、物一起>,,L入處理室中，以便於基材上形成一磊晶 、；F伤實施例中，可使用流速約為1 0 s c c m至約1 〇 〇 择 的矽烷，隨著流速約為1〇 sccm至約1〇〇 sccm的二 虱矽烷。可採用約5 Τ〇ΓΓ至約5〇 T〇rr的壓力範圍。進行 約、2-250秒的沉積，且較佳為％1〇秒。於部份實施例中， 矽烷與二氣矽烷的比例可大於卜例如為2 : m4: 1、 5 :卜 7 : 1、1〇 : 1 等 m -念 七 （7烷· ~氣矽烷）。亦可採用其他 /瓜速、壓力、溫度、時間 门及$矽烷與二氯矽烷比例。 於步驟203中，蝕刻氣體例 镝用沾# 4 ^ 如乳化風及/或氣氣，則與 適用的载流氣體一起流入處理室 # 中，以對在步驟202中所 的ςΛΛ 牛例而5 ，可以流速約50 seem至 、力500 sccm的氯化氫作為蝕刻 j處理至壓力約5 Torr 到100T〇rr的室壓範圍，對基 外進仃蝕刻，而蝕刻時間約 200816280 為2 - 2 5 0秒，且較佳約為5 _ 1 0秒。亦可使用其他蝕刻劑、 流速、壓力及/或時間。 於步驟204中，在蝕刻循環後，進行約2-250秒的清 潔循環，且較佳為5 -1 0秒。亦可使用其他的清潔時間。 於步驟2 0 5中，則確認是否達到所需的磊晶膜厚度。 若有達到，則於步驟206終止製程。否則的話，製程則回 到步驟2 0 2，以於基材上續外的蟲晶材料。 前述揭示僅作為本發明之示範實施例。任何熟習此技 藝者，在不脫離本發明之精神和範圍内，可對前述所揭示 之裝置與方法可作各種之更動與潤飾。舉例而言，於磊晶 膜形成過程中，可使用較低的温度範圍，例如低於7 5 0 °C， 低於700°C，或小於650°C。 據此，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，其他實施例亦可能落入本發明之精神與範 圍下，如後申請專利範圍所界定者。 【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例 能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下： 第1圖係繪示依據本發明之一實施例，用以形成磊晶 膜之第一示範方法之流程圖。 第2圖係繪示依據本發明之一實施例，用以形成磊晶 膜之第二示範方法之流程圖。 12 200816280 【主要元件符號說明 100方法 1 0 1 步驟 1 0 2步驟 200方法 201 步驟 202步驟 203 步驟 204步驟 205步驟 206步驟 ί)

Claims (1)

1. 200816280 十、申請專利範圍： 1 . 一種形成蠢晶層之方法，其至少包含： 提供一基材； 加熱該基材至低於約8 0 0 °C之一溫度；以及 於該基材上進行一選擇性磊晶膜形成製程，於該選擇 性磊晶膜形成製程中，一併使用矽烷與二氯矽烷作為矽 源，以便形成該蠢晶層。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中加熱該基 材包含將該基材加熱至低於約750 °C之一溫度。 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中加熱該基 材包含將該基材加熱至低於約700 °C之一溫度。 4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中加熱該基 材包含將該基材加熱至低於約650°C之一溫度。 5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中進行該選 擇性磊晶膜形成製程包含： 流入矽烷與二氯矽烷；以及 流入一蝕刻氣體，該蝕刻氣體包含氯化氫與氣氣之至 少一者。 14 200816280 6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中進行該選 擇性磊晶膜形成製程包含： 進行一沉積步驟，且於該沉積步驟後進行一蝕刻步驟 7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中進行該沉 積步驟包含提供一矽烷流以及一二氯矽烷流。 8 .如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該矽烷之 流速為約1 0 -1 0 0 s c c m。 9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該二氯矽 烧之流速為約1 0 -1 0 0 s c c m。 10. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中進行該 沉積步驟包含使用約5-500 Torr之一製程壓力。 1 1 ·如申請專利範圍第7項所述之方法，其中進行該沉 積步驟包含流入長達約1 〇秒的矽烷與二氣矽烷。 12.如申請專利範圍第6項所述之方法，其中進行該蝕 刻步驟包含流入一蝕刻氣體，其中該蝕刻氣體包含氣化氫 與氣氣之至少一者。 15 200816280 13.如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該蝕刻 氣體之流速約為50-500 seem。 1 4.如申請專利範圍第1 2項所述之方法，其中進行該 蝕刻步驟包含採用約5-100 Torr之一製程壓力。 1 5 .如申請專利範圍第1 2項所述之方法，其中該蝕刻 步驟包含流入長達約1 〇秒的蝕刻氣體。 16. 如申請專利範圍第6項所述之方法，更包含至少 一清潔步驟。 17. —種形成磊晶層之方法，其至少包含： 提供一基材； 加熱該基材至低於約8 0 0 °C之一溫度； 進行一選擇性磊晶膜形成製程，其包含至少一沉積步 驟與至少一蝕刻步驟： 其中該沉積步驟與該蝕刻步驟輪流交替； 其中該沉積步驟包含在約為5至50 To rr的一沉積壓 • 力下，以約1 0 s c c m至1 0 0 s c c m的流速流入石夕烧與二氯石夕 烷；以及 其中該蝕刻步驟包含流入氯化氫與氯氣之至少一者。 16 200816280 1 8.如申請專利範圍第1 7項所述之方法，其中該選擇 性磊晶膜形成製程更包含至少一清潔步驟。 19. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中加熱該 基材包含將該基材加熱至低於約750 °C之一溫度。 20. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中加熱該 基材包含將該基材加熱至低於約700 °C之一温度。 2 1 .如申請專利範圍第1 7項所述之方法，其中加熱該 基材包含將該基材加熱至低於約650 °C之一溫度。 2 2. —種形成磊晶層之方法，其至少包含： 提供一基材； 加熱該基材至低於約8 0 0 °C之一溫度；以及 於該基材上進行一選擇性磊晶膜形成製程，於該選擇 性磊晶膜形成製程中，一併使用矽烷與二氣矽烷作為矽 源，以便形成該磊晶層； 其中矽源對二氣矽烷之比例大於1。 23 .如申請專利範圍第22項所述之方法，其中矽源對 二氯矽烷之比例大於1。 17 200816280 24. 二氯矽 如申請專利範圍第2 3項所述之方法，其中矽源對 之比例大於5。