TW201419527A - 磊晶層及其製作方法 - Google Patents
磊晶層及其製作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- TW201419527A TW201419527A TW101141311A TW101141311A TW201419527A TW 201419527 A TW201419527 A TW 201419527A TW 101141311 A TW101141311 A TW 101141311A TW 101141311 A TW101141311 A TW 101141311A TW 201419527 A TW201419527 A TW 201419527A
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- epitaxial layer
- epitaxial
- germanium
- source
- growth process
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 107
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 81
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 76
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 60
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 60
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 45
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 45
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 44
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 7
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims description 6
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- -1 bismuth carbon bismuth Chemical compound 0.000 claims description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 4
- BHEPBYXIRTUNPN-UHFFFAOYSA-N hydridophosphorus(.) (triplet) Chemical compound [PH] BHEPBYXIRTUNPN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 214
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 42
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 13
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 9
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 9
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 7
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 6
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 6
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 6
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 6
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 6
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- KCFIHQSTJSCCBR-UHFFFAOYSA-N [C].[Ge] Chemical compound [C].[Ge] KCFIHQSTJSCCBR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OLDOGSBTACEZFS-UHFFFAOYSA-N [C].[Bi] Chemical compound [C].[Bi] OLDOGSBTACEZFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 4
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 4
- DIOQZVSQGTUSAI-UHFFFAOYSA-N n-butylhexane Natural products CCCCCCCCCC DIOQZVSQGTUSAI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N telluride(2-) Chemical compound [Te-2] XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 2
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SBIYNKBXACZUNS-UHFFFAOYSA-N [P].[C].[Ge] Chemical compound [P].[C].[Ge] SBIYNKBXACZUNS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YYWCUXCWMQPBSN-UHFFFAOYSA-N bismuth;phosphite Chemical compound [Bi+3].[O-]P([O-])[O-] YYWCUXCWMQPBSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce] ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- MROCJMGDEKINLD-UHFFFAOYSA-N dichlorosilane Chemical compound Cl[SiH2]Cl MROCJMGDEKINLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 2
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 2
- LQEQXNYQQIBNEM-UHFFFAOYSA-N ethynylphosphane Chemical compound PC#C LQEQXNYQQIBNEM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VGRFVJMYCCLWPQ-UHFFFAOYSA-N germanium Chemical compound [Ge].[Ge] VGRFVJMYCCLWPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N tantalum nitride Chemical compound [Ta]#N MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- INHFGWDRBCEGSL-UHFFFAOYSA-K P(=O)([O-])([O-])[O-].[Bi+3].[C+4] Chemical compound P(=O)([O-])([O-])[O-].[Bi+3].[C+4] INHFGWDRBCEGSL-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- XYFCBTPGUUZFHI-UHFFFAOYSA-N Phosphine Chemical compound P XYFCBTPGUUZFHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 1
- MDJYXGBJTNXXQM-UHFFFAOYSA-N [P].[C].[Bi] Chemical compound [P].[C].[Bi] MDJYXGBJTNXXQM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- PZPGRFITIJYNEJ-UHFFFAOYSA-N disilane Chemical compound [SiH3][SiH3] PZPGRFITIJYNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 1
- 229910000078 germane Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000041 hydrogen chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hydrogen chloride Substances Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910001507 metal halide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000005309 metal halides Chemical class 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- UIUXUFNYAYAMOE-UHFFFAOYSA-N methylsilane Chemical compound [SiH3]C UIUXUFNYAYAMOE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000012925 reference material Substances 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
- NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N ytterbium Chemical compound [Yb] NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Abstract
一種製作磊晶層的方法,包括下列步驟。首先,進行一第一磊晶成長製程,以於一基底上形成一第一磊晶層,其中第一磊晶成長製程包括同時通入矽源、碳源、磷源以及鍺源等氣體,以使第一磊晶層包括矽、碳、磷以及鍺。接著,進行一第二磊晶成長製程形成一第二磊晶層,且第二磊晶層包括的元素種類之數目小於第一磊晶層包括的元素種類之數目。
Description
本發明係關於一種磊晶層及其製作方法,尤指一種具有矽、碳、磷以及鍺的磊晶層及其製作方法。
隨著半導體朝向微細化尺寸之發展,電晶體的閘極、源極、汲極的尺寸也隨著特徵尺寸的減小而跟著不斷地縮小。但由於材料物理性質的限制,閘極、源極、汲極的尺寸減小會造成電晶體元件中決定電流大小的載子量減少,進而影響電晶體的效能。因此,提升載子遷移率以增加MOS電晶體之速度已成為目前半導體技術領域中之一大課題。
在目前已知的技術中,係有利用改變基底組成以全面性製造機械應力,進而提升載子遷移率的方法。例如,在矽基底上磊晶生成一鍺化矽(silicon germanium;SiGe)層,並在鍺化矽層上生成一矽(silicon)磊晶層,矽的晶格常數為5.431埃(angstrom,A),鍺的晶格常數為5.646埃,晶格常數較小的矽磊晶層沈積於鍺化矽層上,將受到橫向張力,進而造成應變(strain),此層矽可稱為應變矽(strained silicon)層。應變矽層有助於之後較佳品質的閘極氧化層之形成,並提供應力於電晶體之通道區,以改善其載子遷移率。另外,亦有使用選擇性磊晶成長方法,於閘極形成之後,在閘極兩側的源極/汲極
區域中形成矽鍺(SiGe)磊晶層,以提供壓縮應力增進PMOS的運作速度;或在NMOS製程中形成矽碳(SiC)磊晶層,以提供拉伸應力增進NMOS的運作速度。
然而,當NMOS的源極/汲極區域具有N型摻質以及提供拉伸應力的應變矽磊晶層,例如磷摻雜的矽碳磊晶層時,由於磷元素的原子半徑(1.26埃)與碳元素的原子半徑(0.91埃)均小於矽元素的原子半徑(1.46埃),此原子半徑的差異將不利於磷摻雜的矽碳磊晶層形成於晶格方向(111)的矽晶圓表面上,而造成磷摻雜的矽碳磊晶層無法填滿NMOS閘極結構兩側的凹槽以形成完整的源極/汲極區域,進而影響NMOS的電性表現。因此,如何改善具有不同原子半徑之元素組成的應變矽磊晶製程實為相關技術者所欲改進之課題。
本發明之目的之一在於提供一種具有不同原子半徑之元素的磊晶層及製作此磊晶層的方法,以獲得具有預期形狀的磊晶層,改善半導體裝置的電性表現。
本發明之一較佳實施例是提供一種製作磊晶層的方法,包括下列步驟。首先,進行一第一磊晶成長製程,以於一基底上形成一第一磊晶層,其中第一磊晶成長製程包括同時通入矽源、碳源、磷源以及鍺源等氣體,以使第一磊晶層包括矽、碳、磷以及鍺。接著,進行一第二磊晶成長製程形成一第二磊晶層,且第二磊晶層包括的元
素種類之數目小於第一磊晶層包括的元素種類之數目。
本發明之另一較佳實施例是提供一種磊晶層,包括:一第一磊晶層以及一第二磊晶層。第一磊晶層實質上包括矽、碳、磷以及鍺。第二磊晶層設置於第一磊晶層上,其中第二磊晶層包括的元素種類之數目小於第一磊晶層包括的元素種類之數目。
本發明將原子半徑與矽相近的元素例如:鍺摻雜於矽碳磷(SiCP)磊晶層中,以形成同時包含矽、碳、磷以及鍺等的磊晶層,可減緩由於矽與碳或矽與磷的原子半徑之差異造成的晶格係數差異(lattice mismatch)之影響,使此磊晶層可形成於晶格方向(111)的矽晶圓表面上,獲得預期的磊晶層之形狀。另外,本發明的磊晶層製程可進一步與源極/汲極區之製程結合,以改善MOS電晶體的電性表現。
為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明,下文特列舉本發明之較佳實施例,並配合所附圖式,詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。
請參考第1圖至第2圖。第1圖至第2圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作磊晶層的方法之示意圖。如第1圖所示,提供包括至少一凹槽12的一基底10。基底10可包含例如一由砷化鎵、矽覆絕緣(SOI)層、磊晶層、矽鍺層或其他半導體基底材料所構成的半導體
基底。基底10可另包括至少一閘極結構14以及至少一淺溝渠隔離16,且凹槽12位於閘極結構14與淺溝渠隔離16之間的主動區域中。閘極結構14包含有一閘極介電層18、一閘極導電層20設置於閘極介電層18上以及一蓋層22選擇性設置於閘極導電層20上。閘極介電層18可由利用熱氧化或沈積等製程所形成之矽氧化物、氮氧化物或介電常數大於4的高介電常數介電層等絕緣材料所構成。閘極導電層20可由多晶矽、金屬矽化物或具有特定功函數的金屬材料等導電材料所構成。選擇性形成的蓋層22可由氮化矽、氧化矽或氮氧化矽等介電材料所構成。淺溝渠隔離16可包含矽氧化物等絕緣材料。形成閘極結構14與淺溝渠隔離16的方法係為習知該項技藝者與通常知識者所熟知,在此不多加贅述。
而形成凹槽12的方法可包括下列步驟:首先,選擇性形成一第一側壁子24於各閘極結構14之側壁;之後,以已形成的閘極結構14與第一側壁子24作為遮罩進行一蝕刻製程,例如一非等向性之乾蝕刻製程,於閘極結構14之兩側的基底10中形成凹槽12。此外,也可混合搭配乾、濕蝕刻製程以形成各種形狀如桶形(邊較直的形狀)、六角形、多角形的凹槽12,在後續製程中,形成於此類形狀之凹槽12中的磊晶層將可對通道區C提供更大的應力。其中,第一側壁子24可包括氧化矽、氮化矽或其組合或其他適合材料所組成的單一薄膜層或複合薄膜層結構,且第一側壁子24可作為一種臨時性的側壁子(disposable spacer),因此在選擇性磊晶生長製程完成後,第一側壁子24可被選擇性地部分或完全移除,但不以此為限。
此外,在第一側壁子24與閘極結構14之間尚可選擇性地包含其他單層或多層之側壁子(圖未示)。
為形成品質較佳的磊晶層於凹槽12中,在進行後續的磊晶層製程前,可另先進行一預清洗(pre-clean)步驟,例如利用稀釋氫氟酸水溶液、或含有硫酸、過氧化氫、與去離子水的SPM混合溶液等清洗液以去除凹槽12表面之不純物質例如原生氧化物(native oxide)層。此外,可再進行一預烤步驟(pre-bake),例如在通入氫氣的腔室中加熱基底10,以清除凹槽12表面之原生氧化物層或殘留的清洗液。
如第2圖所示,進行一第一磊晶成長製程,於基底10上形成一第一磊晶層26。進行第一磊晶成長製程包含進行一原位(in-situ)磊晶製程,詳細而言,係在具有一特定操作壓力係實質上約介於10至50托耳(torr)的反應腔室中,同時通入矽源、碳源、磷源以及鍺源等元素源氣體以及載氣例如氮氣(nitrogen gas)及氫氣(hydrogen gas),也就是說,在形成矽碳磷磊晶層時,同時摻雜鍺於矽碳磷磊晶層中,以直接形成包含矽(Si)、碳(C)、磷(P)以及鍺(Ge)等四種元素的第一磊晶層26。其中矽源氣體可包含二氯矽烷(Dichlorosilane,DCS)或矽烷化合物其化學式可包含SixH2x+2;x>1,例如:矽甲烷(silane,SiH4)或乙矽烷(disilane,Si2H6);碳源氣體可包含甲基矽烷(monomethyl silane,MMS,(CH3)SiH3)或多甲基矽烷其化學式可包含Si(CH3)xH4-x;x>1;磷源氣體可包含磷化氫(phosphine,PH3);鍺源氣體可包含鍺烷(GeH4);以形成第一磊晶層26於凹槽12內。值
得注意的是,第一磊晶層26的材質組成可以矽碳磷鍺(SiCxPyGez)表示,鍺元素的原子半徑(1.52埃)相近於矽元素的原子半徑(1.46埃),相較於僅具有矽、碳、磷元素的磊晶層,鍺的存在可降底第一磊晶層26中不同元素間例如矽與碳,或矽與磷之間的原子半徑的差異度所造成的晶格係數差異(lattice mismatch)之影響,有助於第一磊晶層26形成於晶格方向(111)的矽晶圓表面上。此外,為提供拉伸應力,碳的摻雜濃度係需實質上大於鍺的摻雜濃度,也就是說在第一磊晶層26的材料亦即矽碳磷鍺(SiCxPyGez)中,x值較佳係實質上大於z值,在本實施例中,碳的摻雜濃度大於0,磷的摻雜濃度實質上大於或等於5E19cm-3,鍺的摻雜濃度實質上大於1E18cm-3,且碳的摻雜濃度實質上大於鍺的摻雜濃度,使第一磊晶層26可提供拉伸應力至通道區C。
在一實施例中,第一磊晶成長製程可為一並流(co-flow)沈積製程,在沈積過程中同時通入上述的元素源氣體、載氣以及蝕刻氣體包含氯化氫(hydrogen chloride)氣體於反應腔室中,以在形成磊晶層的過程中,同時進行蝕刻製程去除部分磊晶層。在另一實施例中,第一磊晶成長製程可為一循環(cyclic)沈積製程,在沈積過程中交替通入上述的元素源氣體以及蝕刻氣體,且可搭配載氣,以反覆進行多次沈積和蝕刻之循環。另外,在並流沈積製程之後,或在循環沈積製程中,可再搭配進行一淨化製程,例如以載氣或其他氣體沖洗製程腔室,及/或利用真空幫浦排空製程腔室,以移除過量的元素源氣體、反應副產物和其他污染物。此外,也可在矽碳磷鍺磊晶層形
成之後,再進行一離子佈植製程,將導電型摻質包括N型導電型摻質例如磷離子摻雜於矽碳磷鍺磊晶層中,使部分第一磊晶層26可作為源極/汲極摻雜區。
接著,進行一第二磊晶成長製程,於第一磊晶層26上形成一第二磊晶層28,且第二磊晶層28包括的元素種類之數目小於第一磊晶層26包括的元素種類之數目,亦即進行第二磊晶成長製程時所通入的元素源氣體源種類少於進行第一磊晶成長製程時所通入之氣體源種類。詳細而言,進行第二磊晶成長製程包含進行一原位磊晶製程,其係在具有一特定操作壓力係實質上約介於10至50托耳(torr)的反應腔室中,同時通入矽源以及磷源等氣體,以使第二磊晶層28包括矽以及磷等元素。矽源以及磷源等氣體如上所述,在此不重覆贅述。第二磊晶層28的設置可防止第一磊晶層26中的鍺元素,在後續製程例如形成鎳/矽金屬矽化物時向上擴散至基底10的表面,影響後續所形成之半導體裝置例如:NMOS的電性品質。此外,在其他實施例中,當半導體裝置的電性表現與鍺元素之擴散未有明顯相關性時,第二磊晶成長製程也可包含進行一同時通入矽源、磷源以及鍺源等氣體的原位磊晶製程,使第二磊晶層包含矽、磷以及鍺等三種元素。另外,也可先形成矽磷磊晶層,再進行一離子佈植製程,以摻雜導電型摻質包括N型導電型摻質例如磷離子於矽磷磊晶層中,以作為源極/汲極摻雜區。
在本實施例中,第一磊晶層26填入於凹槽12中,且第一磊晶層
26的頂面S1與第二磊晶層28的頂面S2均高於基底10的表面S3,以增加第一磊晶層26與第二磊晶層28對於閘極結構14下方之通道區C提供應力之效能,但不以此為限。
本發明為針對不同的元件特性調整應變矽磊晶層的材料組成,除了第一磊晶成長製程以及第二磊晶成長製程之外,也包含進行一第三磊晶成長製程。例如至少包含下列各實施態樣:
請參考第3圖。第3圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作磊晶層的方法之示意圖。如第3圖所示,首先,進行第三磊晶成長製程包含進行一原位磊晶製程,且進行第三磊晶成長製程時所通入的元素源氣體種類係少於進行第一磊晶成長製程時所通入之元素源氣體種類,例如可同時通入矽源、碳源以及磷源等氣體於具有一特定操作壓力係實質上約介於10至50托耳(torr)的反應腔室中,以形成一第三磊晶層30於凹槽12中,其中第三磊晶層30包括矽、碳、磷等三種元素,而第三磊晶層30包括的元素種類之數目小於第一磊晶層26包括的元素種類之數目,且矽源、碳源以及磷源等氣體如上所述,在此不重覆贅述。接著,依序進行前述的第一磊晶成長製程以及第二磊晶成長製程形成第一磊晶層26與第二磊晶層28。
請再參考第3圖,如第3圖所示,第二實施態樣與第一實施態樣在磊晶成長製程的實施順序相同,且第三磊晶層30包括的元素種類之數目亦小於第一磊晶層26包括的元素種類之數目,其不同之處在於元素源氣體的種類,第二實施態樣中第三磊晶成長製程係包含同時通入矽源、碳源以及鍺源等氣體,而未包括磷源氣體,以形成第三磊晶層30於凹槽12中,其中第三磊晶層30將包括矽、碳、鍺等三種元素,且矽源、碳源以及鍺源等氣體如上所述,在此不重覆贅述。
請再參考第3圖,如第3圖所示,第三實施態樣與第二實施態樣在磊晶成長製程的實施順序相同,且各磊晶成長製程使用的元素源氣體種類相同,不同之處在於,第一磊晶成長製程包括通入具有一流量隨時間改變的碳源氣體,使第一磊晶層26具有一碳摻雜濃度呈梯度變化,更詳細地說,當第三磊晶層30設置於第一磊晶層26下方,第一磊晶層26之碳摻雜濃度係沿第一磊晶層26與第三磊晶層30之一交界面往第一磊晶層26與第二磊晶層28之一交界面的方向遞增,例如:第三磊晶層30具有固定碳摻雜濃度實質上約0.1%,而第一磊晶層26具有碳摻雜濃度分佈實質上介於0.1%至2.5%。
請再參考第3圖,如第3圖所示,第四實施態樣與第二實施態樣在磊晶成長製程的實施順序相同,且各磊晶成長製程使用的元素源氣體種類相同,不同之處在於,第三磊晶成長製程包括通入具有一流量隨時間改變的碳源氣體,使第三磊晶層30亦具有一碳摻雜濃度呈梯度變化,更詳細地說,第三磊晶層30之碳摻雜濃度係沿第三磊晶層30之一底面B往第一磊晶層26與第三磊晶層30之一交界面遞增例如:第三磊晶層30具有碳摻雜濃度分佈實質上介於0.1%至2.5%,而第一磊晶層26具有固定碳摻雜濃度實質上約2.5%。
請再參考第3圖,如第3圖所示,第五實施態樣與第二實施態樣在磊晶成長製程的實施順序相同,且各磊晶成長製程使用的元素源氣體種類相同,不同之處在於,第一磊晶成長製程與第三磊晶成長製程均包括通入具有一流量隨時間改變的碳源氣體,使第一磊晶層26與第三磊晶層30均具有一碳摻雜濃度呈梯度變化,使碳摻雜濃度係沿第三磊晶層30之一底面B往第一磊晶層26與第二磊晶層28之一交界面遞增。例如:自第三磊晶層30之底面B至第一磊晶層26之頂面T間的磊晶層具有碳摻雜濃度分佈實質上介於0.1%至2.5%。
請再參考第3圖,如第3圖所示,第六實施態樣可與第三實施態樣,第四實施態樣或第五實施態樣的第一磊晶成長製程與第三磊晶成長製程之條件相似,不同之處在於,第二磊晶成長製程係同時通入矽源、磷源以及鍺源等氣體的原位磊晶製程,亦即關閉第一磊晶成長製程的碳源氣體,使第二磊晶層28係包含矽、磷以及鍺等三種元素。
請參考第4圖。第4圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作磊晶層的方法之示意圖。如第4圖所示,首先,進行前述的第一磊晶成長製程形成第一磊晶層26,接著,進行第三磊晶成長製程包含進行一原位磊晶製程,且同時通入矽源、碳源以及磷源等氣體,亦即關閉第一磊晶成長製程的鍺源氣體,以形成一第三磊晶層32於凹槽12中,其中第三磊晶層32包括矽、碳、磷等三種元素。然後,進行前述的第二磊晶成長製程,亦即關閉第三磊晶成長製程的碳源氣體,以形成第二磊晶層28。
值得注意的是,上述實施態樣中,第二磊晶層28包括的元素種類之數目與第三磊晶層30/32包括的元素種類之數目均小於第一磊晶層26包括的元素種類之數目。換句話說,在進行第二磊晶成長製程或第三磊晶成長製程時所通入的元素源氣體種類均係少於進行第
一磊晶成長製程時所通入之元素源氣體種類。
此外,為保護已形成的磊晶層,可再選擇性進行一第四磊晶成長製程,僅通入矽源氣體,以形成一第四磊晶層34於第二磊晶層28上,故第四磊晶層34僅包括矽,其可供進行鎳/矽金屬矽化物製程時之矽基材的消耗,有助於維持第四磊晶層34下方已形成的磊晶層之結構完整。至此完成半導體裝置36/38/40。由於本發明係藉由添加鍺源氣體至提供拉伸應力的磊晶層例如:矽碳磊晶層或包含磷摻質的矽碳磊晶層的磊晶成長製程中,使磊晶層可完整形成於矽晶圓上,且形成的磊晶層將同時包含矽、碳、磷以及鍺,因此,本發明較佳係整合於NMOS的半導體製程中,使NMOS中提供拉伸應力的磊晶層具有預定形狀,也就是說,所形成的半導體裝置36/38/40較佳係NMOS。
還有,第一磊晶層26與第二磊晶層28亦不限於形成於凹槽12中,請參考第5圖以及第6圖。第5圖以及第6圖均繪示了本發明之一較佳實施例之製作磊晶層的方法之示意圖。如第5圖以及第6圖所示,第一磊晶層26與第二磊晶層28亦可搭配前述實施樣態直接形成於基底10上,以提供應力於通道區C。
請參考表1以及表2,並請一併參考第3圖以及第4圖。表1以及表2列示本發明一較佳實施例之一磊晶層的組成材質參考表。如表1以及表2所示,本發明提供一種磊晶層包含一第一磊晶層26、
一第二磊晶層28、一第三磊晶層30/32以及一第四磊晶層34設置於一基底10上或一凹槽12中。各磊晶層可分別藉由通入不同元素源氣體的原位(in-situ)磊晶製程所形成。第一磊晶層26實質上包含矽、碳、磷以及鍺等四種元素,其材質組成可以矽碳磷鍺(SiCxPyGez)表示,其中x值較佳係實質上大於z值,以提供拉伸應力於半導體裝置例如NMOS的通道區。此外,鍺與矽的原子半徑比實質上小於碳與矽的原子半徑比或磷與矽的原子半徑比,有助於第一磊晶層26形成於晶格方向(111)的矽晶圓表面上,使第一磊晶層26具有預期的結構形狀。第二磊晶層28設置於第一磊晶層26上,其中第二磊晶層28包括的元素種類之數目小於第一磊晶層26包括的元素種類之數目,第二磊晶層28實質上可包含矽以及磷等兩種元素或矽、磷以及鍺等三種元素。第三磊晶層30/32設置於第一磊晶層26下方或設置於第一磊晶層26與第二磊晶層28之間,其中第三磊晶層30/32包括的元素種類之數目實質上小於第一磊晶層26包括的元素種類之數目,第三磊晶層30/32實質上可包含矽、碳以及磷或矽、碳以及鍺等三種元素。第四磊晶層34設置於第一磊晶層26、第二磊晶層28與第三磊晶層30/32上方,且第四磊晶層34僅包括矽,作為保護層。此外,第一磊晶層26或/以及第三磊晶層30/32可具有一梯度變化的碳摻雜濃度,舉例來說,當第三磊晶層30設置於第一磊晶層26下方時,第一磊晶層26之碳摻雜濃度係沿第一磊晶層26與第三磊晶層30之一交界面往第一磊晶層26與第二磊晶層28之一交界面的方向遞增,或/以及第三磊晶層30之碳摻雜濃度係沿第三磊晶層30之一底面B往第一磊晶層26與第三磊晶層30之一交界面遞
增。
綜上所述,本發明將原子半徑與矽相近的元素例如:鍺摻雜於矽碳磷(SiCP)磊晶層中,以形成同時包含矽、碳、磷以及鍺等的磊晶層,可減緩由於矽與碳或矽與磷的原子半徑之差異造成的晶格係數差異(lattice mismatch)之影響,使此磊晶層可形成於晶格方向(111)的矽晶圓表面上,獲得預期的磊晶層之形狀。另外,本發明的磊晶層製程可進一步與源極/汲極區之製程結合,以改善MOS電晶體的電性表現。
以上所述僅為本發明之較佳實施例,凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾,皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧基底
12‧‧‧凹槽
14‧‧‧閘極結構
16‧‧‧淺溝渠隔離
18‧‧‧閘極介電層
20‧‧‧閘極導電層
22‧‧‧蓋層
24‧‧‧第一側壁子
26‧‧‧第一磊晶層
28‧‧‧第二磊晶層
30,32‧‧‧第三磊晶層
34‧‧‧第四磊晶層
36,38,40‧‧‧半導體裝置
B‧‧‧底面
C‧‧‧通道區
T,S1,S2,S3‧‧‧頂面
第1圖至第2圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作磊晶層的方法之示意圖。
第3圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作磊晶層的方法之示意圖。
第4圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作磊晶層的方法之示意圖。
第5圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作磊晶層的方法之示意圖。
第6圖均繪示了本發明之一較佳實施例之製作磊晶層的方法之示意圖。
10‧‧‧基底
14‧‧‧閘極結構
16‧‧‧淺溝渠隔離
18‧‧‧閘極介電層
20‧‧‧閘極導電層
22‧‧‧蓋層
24‧‧‧第一側壁子
26‧‧‧第一磊晶層
28‧‧‧第二磊晶層
30‧‧‧第三磊晶層
34‧‧‧第四磊晶層
38‧‧‧半導體裝置
B‧‧‧底面
C‧‧‧通道區
T‧‧‧頂面
Claims (20)
- 一種製作磊晶層的方法,包括:進行一第一磊晶成長製程,以於一基底上形成一第一磊晶層,其中該第一磊晶成長製程包括同時通入矽源、碳源、磷源以及鍺源等氣體,以使該第一磊晶層包括矽、碳、磷以及鍺;以及進行一第二磊晶成長製程形成一第二磊晶層,且該第二磊晶層包括的元素種類之數目小於該第一磊晶層包括的元素種類之數目。
- 如請求項1所述之製作磊晶層的方法,其中該第二磊晶成長製程包括同時通入矽源以及磷源等氣體,以使該第二磊晶層包括矽以及磷。
- 如請求項1所述之製作磊晶層的方法,其中該第二磊晶成長製程包括同時通入矽源、磷源以及鍺源等氣體,以使該第二磊晶層包括矽、磷以及鍺。
- 如請求項1所述之製作磊晶層的方法,其中該第二磊晶層形成於該第一磊晶層上。
- 如請求項1所述之製作磊晶層的方法,另包括進行一第三磊晶成長製程形成一第三磊晶層,且該第三磊晶層包括的元素種類之數 目小於該第一磊晶層包括的元素種類之數目。
- 如請求項5所述之製作磊晶層的方法,其中該第三磊晶成長製程係進行於該第一磊晶成長製程之前,或進行該第一磊晶成長製程與該第二磊晶成長製程之間。
- 如請求項5所述之製作磊晶層的方法,其中該第三磊晶成長製程包括同時通入矽源、碳源以及磷源等氣體。
- 如請求項5所述之製作磊晶層的方法,其中該第三磊晶成長製程包括同時通入矽源、碳源以及鍺源等氣體。
- 如請求項8所述之製作磊晶層的方法,其中該第三磊晶層具有一碳摻雜濃度呈梯度變化。
- 如請求項1所述之製作磊晶層的方法,其中該第一磊晶成長製程包括通入具有一流量隨時間改變的碳源氣體。
- 如請求項1所述之製作磊晶層的方法,另包括進行一第四磊晶成長製程形成一第四磊晶層,其中該第四磊晶層僅包括矽。
- 一種磊晶層,包括:一第一磊晶層,其中該第一磊晶層實質上包括矽、碳、磷以及鍺; 以及一第二磊晶層設置於該第一磊晶層上,其中該第二磊晶層包括的元素種類之數目小於該第一磊晶層包括的元素種類之數目。
- 如請求項12所述之磊晶層,其中該第二磊晶層包括矽以及磷。
- 如請求項13所述之磊晶層,其中該第二磊晶層另包括鍺。
- 如請求項12所述之磊晶層,另包括一第三磊晶層,其中該第三磊晶層包括的元素種類之數目實質上小於該第一磊晶層包括的元素種類之數目。
- 如請求項15所述之磊晶層,其中該第三磊晶層設置於該第一磊晶層下方或設置於該第一磊晶層與該第二磊晶層之間。
- 如請求項15所述之磊晶層,其中該第三磊晶層設置於該第一磊晶層下方,且該第三磊晶層之該碳摻雜濃度係沿該第三磊晶層之一底面往該第一磊晶層與該第三磊晶層之一交界面遞增。
- 如請求項17所述之磊晶層,其中該第一磊晶層之該碳摻雜濃度係沿該第一磊晶層與該第三磊晶層之一交界面往該第一磊晶層與該第二磊晶層之一交界面的方向遞增。
- 如請求項12所述之磊晶層,其中該第一磊晶層的材質組成係以矽碳磷鍺(SiCxPyGez)表示,且x值實質上大於z值。
- 如請求項12所述之磊晶層,另包括一第四磊晶層設置於該第二磊晶層上,且該第四磊晶層僅包括矽。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW101141311A TWI544623B (zh) | 2012-11-07 | 2012-11-07 | 磊晶層及其製作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW101141311A TWI544623B (zh) | 2012-11-07 | 2012-11-07 | 磊晶層及其製作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201419527A true TW201419527A (zh) | 2014-05-16 |
| TWI544623B TWI544623B (zh) | 2016-08-01 |
Family
ID=51294474
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW101141311A TWI544623B (zh) | 2012-11-07 | 2012-11-07 | 磊晶層及其製作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI544623B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10164098B2 (en) | 2016-06-30 | 2018-12-25 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Method of manufacturing semiconductor device |
| TWI661472B (zh) * | 2016-11-03 | 2019-06-01 | Eugene Technology Co., Ltd. | 用於在低溫形成磊晶層之方法 |
| CN109950151A (zh) * | 2017-12-20 | 2019-06-28 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | Pmos晶体管及其形成方法 |
| US10840355B2 (en) | 2018-05-01 | 2020-11-17 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Increasing source/drain dopant concentration to reduced resistance |
| CN112201691A (zh) * | 2020-09-28 | 2021-01-08 | 上海华力集成电路制造有限公司 | 锗硅源漏结构及其制造方法 |
-
2012
- 2012-11-07 TW TW101141311A patent/TWI544623B/zh active
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11069810B2 (en) | 2016-06-30 | 2021-07-20 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Semiconductor device having a shaped epitaxial region |
| US10505042B2 (en) | 2016-06-30 | 2019-12-10 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Semiconductor device having a shaped epitaxial region |
| TWI682441B (zh) * | 2016-06-30 | 2020-01-11 | 台灣積體電路製造股份有限公司 | 半導體裝置及其製造方法 |
| US12142681B2 (en) | 2016-06-30 | 2024-11-12 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Semiconductor device having a shaped epitaxial region with shaping section |
| US10164098B2 (en) | 2016-06-30 | 2018-12-25 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Method of manufacturing semiconductor device |
| TWI661472B (zh) * | 2016-11-03 | 2019-06-01 | Eugene Technology Co., Ltd. | 用於在低溫形成磊晶層之方法 |
| CN109891555A (zh) * | 2016-11-03 | 2019-06-14 | 株式会社Eugene科技 | 低温外延层形成方法 |
| CN109891555B (zh) * | 2016-11-03 | 2022-11-08 | 株式会社Eugene科技 | 低温外延层形成方法 |
| CN109950151A (zh) * | 2017-12-20 | 2019-06-28 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | Pmos晶体管及其形成方法 |
| US11830934B2 (en) | 2018-05-01 | 2023-11-28 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Increasing source/drain dopant concentration to reduced resistance |
| TWI729385B (zh) * | 2018-05-01 | 2021-06-01 | 台灣積體電路製造股份有限公司 | 半導體裝置及其製造方法 |
| US10847638B2 (en) | 2018-05-01 | 2020-11-24 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Increasing source/drain dopant concentration to reduced resistance |
| US12062710B2 (en) | 2018-05-01 | 2024-08-13 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Increasing source/drain dopant concentration to reduced resistance |
| US10840355B2 (en) | 2018-05-01 | 2020-11-17 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Increasing source/drain dopant concentration to reduced resistance |
| US12369342B2 (en) | 2018-05-01 | 2025-07-22 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Increasing source/drain dopant concentration to reduced resistance |
| CN112201691A (zh) * | 2020-09-28 | 2021-01-08 | 上海华力集成电路制造有限公司 | 锗硅源漏结构及其制造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TWI544623B (zh) | 2016-08-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102113114B1 (ko) | N-도핑된 선택적 에피택셜 성장을 사용하여 nmos 핀펫에 비-가시선 소스 드레인 연장부 형성 | |
| JP4345774B2 (ja) | 半導体装置の製造方法 | |
| US9514995B1 (en) | Implant-free punch through doping layer formation for bulk FinFET structures | |
| TWI484633B (zh) | 用於多通道場效電晶體之中間產物及用於獲得中間產物的方法 | |
| TWI540728B (zh) | 積體電路結構及其形成方法 | |
| CN104051537B (zh) | 有刻面的半导体纳米线 | |
| CN103066123B (zh) | FinFET器件及其制造方法 | |
| TWI458096B (zh) | 半導體裝置及其製造方法 | |
| US10115826B2 (en) | Semiconductor structure and the manufacturing method thereof | |
| US10516048B2 (en) | Fabrication of semiconductor device | |
| US9034706B2 (en) | FinFETs with regrown source/drain and methods for forming the same | |
| CN109427591B (zh) | 半导体器件及其形成方法 | |
| US7670934B1 (en) | Methods for fabricating MOS devices having epitaxially grown stress-inducing source and drain regions | |
| US10056255B2 (en) | Method and structure for forming dielectric isolated FinFET with improved source/drain epitaxy | |
| CN102104004A (zh) | 半导体装置及其制作方法 | |
| US20160043224A1 (en) | Semiconductor Device and Fabrication Method Thereof | |
| US20180033872A1 (en) | Method of epitaxial growth shape control for cmos applications | |
| TWI544623B (zh) | 磊晶層及其製作方法 | |
| US8928126B2 (en) | Epitaxial layer | |
| US20160149003A1 (en) | Methods of Manufacturing Semiconductor Devices | |
| CN104253090B (zh) | Cmos晶体管的形成方法 | |
| TWI853363B (zh) | 形成應變通道層的方法 | |
| CN109524306B (zh) | 晶体管的形成方法 | |
| Hartmann | Si, SiGe, and Si (1− y) Cy on Si: Epitaxy of Group-IV Semiconductors for Nanoelectronics |