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TW201411700A - 磊晶渠溝塡充中之摻雜劑分布控制之製程及結構 - Google Patents

磊晶渠溝塡充中之摻雜劑分布控制之製程及結構 Download PDF

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TW201411700A
TW201411700A TW102119247A TW102119247A TW201411700A TW 201411700 A TW201411700 A TW 201411700A TW 102119247 A TW102119247 A TW 102119247A TW 102119247 A TW102119247 A TW 102119247A TW 201411700 A TW201411700 A TW 201411700A
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dopant
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trench
tantalum
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TW102119247A
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Inventor
蕭恩 湯瑪斯
Original Assignee
Ａｓｍ Ｉｐ控股公司
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Abstract

使用重複沈積及蝕刻製程沈積磊晶材料之方法。該等沈積及蝕刻製程可重複直至達成一所要厚度之含矽材料。在該沈積製程期間，可沈積一經摻雜矽膜。該經摻雜矽膜可選擇性地沈積在一基板上之一渠溝中。在沈積在經摻雜矽膜之前，該渠溝可具有包括矽及碳之一襯層。該經摻雜矽膜亦可含有鍺。鍺可促進該經摻雜矽膜內之均勻摻雜劑分佈。

Description

磊晶渠溝填充中之摻雜劑分佈控制之製程及結構
本申請案係關於含矽材料之磊晶沈積之方法。
半導體處理通常用於製作積體電路(其需要尤其嚴苛之品質要求)以及多種其他領域。在形成積體電路時，深渠溝中通常需要磊晶層。雖然在「毯覆式」沈積之後非磊晶(非晶或多晶)材料可選擇性地從場隔離區域上方移除，但是通常考慮更高效地同時提供化學氣相沈積(CVD)及蝕刻化學物並調節條件以在絕緣區域上方導致零凈沈積及在暴露之半導體窗上方導致凈磊晶沈積。此製程(被稱作「選擇性」磊晶沈積)利用如氧化矽或氮化矽之絕緣體上之典型半導體沈積製程之緩慢成核。與磊晶層對蝕刻劑之敏感性相比，此選擇性磊晶沈積亦利用非晶及多晶材料對相同蝕刻劑之天然更大敏感性。
近年來，已開發出循環製程，藉此毯覆式沈積(其可能 係或可能非部分選擇性)交替有選擇性移除步驟。此循環沈積及蝕刻(CDE)次序具有定制單晶半導體之生長之優點。CED之實例揭示於2011年5月19日公開之美國專利公開案第2011-0117732號中。
CDE可經調節以促進填充深、高縱橫比渠溝(對絕緣體而言選擇性或非選擇性)。但是，前驅體之波動易於導致渠溝填充磊晶材料之組合物之不均勻。
根據本發明之一態樣，提供形成包括矽之材料之方法。方法通常包括將基板提供至氣相沈積腔室中；在腔室中之基板上沈積具有小於大約1000Å之厚度之含碳層及在腔室內將含矽層磊晶沈積在含碳層上。沈積含矽層可包含藉由提供包括矽之前軀體而沈積包含磊晶材料之含矽子層及在提供摻雜劑前驅體之後蝕刻含矽子層之部分。方法亦可包含在相同腔室中交替重複沈積含矽子層及蝕刻含矽子層之部分直至沈積所要厚度之包括矽之磊晶材料。在一些實施例中，在磊晶沈積含矽子層期間不供應含碳前軀體至氣相沈積腔室。
根據本發明之一態樣，提供用於在渠溝中沈積包括矽之膜之方法。方法可包含在氣相沈積腔室提供基板，基板包括渠溝；在渠溝中沈積包括碳之磊晶襯層；在渠溝中之襯層上方沈積包括矽及電摻雜劑之磊晶填充物。在一些實施例中，在沈積磊晶填充 物期間不提供含碳前軀體至氣相沈積腔室。
根據本發明之一態樣，提供半導體裝置。半導體裝置可 包括：基板，其包含具有底部及壁之渠溝及形成在渠溝之底部及壁上之包括碳及矽之磊晶襯層。半導體裝置亦可包含磊晶填充物，其包括矽及摻雜劑，襯層上方之渠溝內無碳形成。磊晶材料中之摻雜劑濃度可跨渠溝內之水平截面及跨垂直截面大體均勻。
根據本發明之一態樣，提供功率金屬氧化物矽場效電晶 體(MOSFET)。MOSFET可包括：基板，其包含具有底部及壁之渠溝及包括矽及摻雜劑之磊晶填充物。磊晶填充物可為從功率MOSFET中之N+源向下延伸之P摻雜柱。
10、50‧‧‧磊晶形成製程
11、13、15、17、19、51、53、55‧‧‧步驟
30‧‧‧電晶體
31‧‧‧N+源極
32‧‧‧閘極
33‧‧‧保護環或線
34‧‧‧N摻雜通道區域
35‧‧‧N+汲極
53、63‧‧‧渠溝材料
60、70‧‧‧基板
61‧‧‧單晶材料
66、74、75‧‧‧介面
71‧‧‧材料
72‧‧‧磊晶襯層
73‧‧‧磊晶填充物
圖1係圖解說明根據本申請案之一實施例之循環磊晶形 成製程之流程圖。
圖2A及圖2B繪示圖解說明根據本申請案之實施例之蝕刻劑、矽前軀體、鍺前驅體及摻雜劑前驅體之流速對時間之曲線圖。
圖3係包含根據實施例磊晶填充之保護環渠溝之功率MOSFET之示意截面。
圖4係用磊晶材料填充之渠溝之穿隧電子顯微鏡(TEM)影像。
圖5係圖解說明根據本申請案之一實施例之用於填充渠溝或凹部之磊晶形成製程之流程圖。
圖6A係為比較目的之無障壁填充之渠溝之示意截面。
圖6B係圖6A之渠溝中之摻雜劑濃度之示意圖。
圖7A係根據一實施例之具有磊晶障壁襯層及磊晶填充物之半導體基板中之渠溝之示意截面。
圖7B係圖7A之渠溝中之摻雜劑濃度之示意圖。
本文揭示用於沈積經摻雜磊晶膜之改良方法。在一些實施例中，半導體材料及摻雜劑可沈積為具有改良之組合物均勻度。在一些實施例中，包括碳之半導體材料可在沈積無碳之額外半導體材料之前沈積。包括碳之材料可防止摻雜劑擴散至鄰近區域。在一些實施例中，鍺可添加至額外半導體材料以改良摻雜劑之擴散及促進摻雜劑之均勻分佈。在一些實施例中，半導體及額外半導體膜可使用循環沈積製程沈積在舉例而言，功率MOSFET中，沈積條件經調節使得經沈積材料填充渠溝而無空隙。
在一些實施例中，經摻雜半導體及尤其含矽膜可沈積在 基板中之凹部或渠溝中。在一些實施例中，在沈積經磊晶摻雜之填充物膜之前，磊晶襯層可沈積在凹部或渠溝之側面及底部。碳可包含在薄磊晶襯層中作為一種摻雜劑擴散障壁。碳可抑制摻雜劑從被填充渠溝擴散至基板之周圍區域。本文提供包括碳及經摻雜矽填充物之磊晶襯層之方法及設備。此外，在渠溝襯層內之其餘磊晶填充物可無碳。此外，填充物中之少量鍺可在含碳襯層之 範圍內促進摻雜劑擴散及因此摻雜劑濃度均勻度。
術語「含矽材料」、包括矽之材料及類似術語在本文中 用於指一系列含矽材料，包含但不限於矽(包含晶體矽)、經摻雜矽(例如，「B：Si」)、矽鍺(「SiGe」)、SiGeSn及經摻雜矽鍺(例如，「B：SiGe」)。如本文中所使用，「摻雜碳之矽」、「Si：C」、「矽鍺」、「SiGe」、「摻雜碳之矽鍺」、「SiGe：C」、摻雜硼之矽鍺及類似術語指的是含有不同比例之所指示化學元素及視需要小數量之其他元素之材料。舉例而言，「矽鍺」係包括矽、鍺及視需要其他元素，舉例而言，摻雜劑之材料。簡寫術語諸如「Si：C」及「SiGe：C」本身非化學計量化學式且因此不限於含有特定比例之所指示元素之材料。此外，本文教示之方法亦可應用於在finFET裝置、三閘極、OMEGA FET、功率MOSFET及其他裝置之高縱橫比特徵諸如渠溝上方沈積含矽磊晶材料。
基板可指的是上方需要沈積之工件或表面暴露於一或 多個沈積氣體。舉例而言，在特定實施例中，基板係單晶矽晶圓、絕緣體上半導體(「SOI」)晶圓或晶圓上方之磊晶矽表面、晶圓上方之矽鍺表面或沈積在晶圓上之III-V材料。工件不限於晶圓，而是亦包含半導體處理中采用之玻璃、塑膠或其他基板。在一些實施例中，基板已被圖案化為具有兩個或更多不同類型之表面，諸如半導體及絕緣體表面兩者。絕緣體材料之實例包含二氧化矽，包含低介電常數形式，諸如摻雜碳及摻雜氟之矽氧化物、氮化矽、金屬氧化物及金屬矽酸鹽。在特定實施例中，含矽層選擇性地形 成在單晶半導體材料上方同時允許鄰近絕緣體上方之最小或零材料生長。根據一些實施例，鄰近絕緣體上方之任意材料生長可為非晶或多晶非磊晶生長。在其他實施例中，在磊晶沈積時可能不存在暴露之絕緣體。
在特定應用中，經圖案化基板具有：第一表面，其具有 第一表面形態；及第二表面，其具有第二表面形態。即使表面由相同元素製成，若表面之形態或結晶度不同，則表面仍被視作不同。非晶及晶體係不同形態之實例。多晶形態係包括有序晶體之無序配置之晶體結構且因此具有中間有序度。多晶材料中之原子在晶體之各者內有序但晶體本身缺少相對於彼此之長程有序。單晶形態係具有高度長程有序之晶體結構。磊晶膜之特徵在於與其等所生長之基板(通常單晶)相同之平面內晶體結構及定向。此等材料中之原子配置為晶格狀結構，其按原子級持續相對較長距離。非晶形態係具有低有序度之非晶結構，此係因為原子缺少明確的週期配置。其他形態包含微晶及非晶及晶體材料之混合物。「非磊晶」因此涵蓋非晶、多晶、微晶及其等之混合物。如本文中所使用，「單晶」或「磊晶」用於描述其中具有可容忍數量之缺陷之明顯大晶體結構，如常用於電晶體製作。一層之結晶度通常沿著從非晶至多晶至單晶連續下降；晶體結構通常被視作單晶或磊晶，而不管低密度之缺陷。歸因於不同形態及/或不同材料而具有兩個或更多個不同類型之表面之圖案化基板之特定實例包含但不限於：單晶/多晶、單晶/非晶、單晶/介電、導體/介電及半導體/ 介電。用於將含矽膜沈積至具有兩種類型之表面之經圖案化基板上之本文所述方法亦適用於具有三種或更多種不同類型之表面之混合基板。在其他實施例中，基板可在具有形成於其中之渠溝之意義上「圖案化」，在磊晶沈積時有或無暴露之絕緣體。
在一些實施例中，沈積製程係毯覆式(即，至少一些凈 沈積發生在暴露於沈積蒸氣之所有基板表面上)而在(諸)絕緣體在沈積期間暴露之其他實施例中，沈積製程係選擇性的。在選擇性沈積中，矽源前驅體與蝕刻劑一起使用以在半導體結構上方沈積材料。在一些實施例中，少量蝕刻化學物可在沈積製程期間提供使得沈積可被視作「部分選擇性」但絕非毯覆式，此係因為各沈積仍可在隔離區域上方具有一些凈沈積。因此，蝕刻劑添加矽源前驅體導致可完全選擇性或部分選擇性之沈積。沈積(毯覆式或選擇性)之後係蝕刻製程以將沈積材料從半導體結構之區域移除。此等沈積及蝕刻製程可以循環過程交替重複。若沈積及蝕刻兩者之凈結果係一些表面(例如，絕緣體)上之零生長，則製程可被稱作選擇性磊晶形成以區分沈積階段之選擇性。惰性載氣可在沈積製程、蝕刻製程或兩者期間使用。
描述可用於沈積多種經摻雜含矽材料之磊晶形成方 法。根據本申請案之實施例，可沈積摻雜有電摻雜劑，尤其硼及/或鍺之含矽材料。在一些實施例中，經摻雜含矽材料將藉由按相對較高速率執行毯覆式沈積階段或另一矽源及摻雜氣體或蒸氣，交替有選擇性移除非磊晶或與較小缺陷磊晶沈積物相比相對缺陷 之磊晶半導體沈積物之蝕刻階段而沈積。在其他實施例中，沈積階段可為選擇性的或部分選擇性的。循環方式之沈積及蝕刻階段交替可允許凹部或渠溝之不同部分中相對生長之控制例如以促進底部向上填充或另外促進高縱橫比渠溝、通孔或凹部之無空隙磊晶填充。
圖1係圖解說明根據本申請案之一實施例之磊晶形成製 程10之流程圖。其中具有渠溝之基板提供在氣相沈積腔室中(步驟11)。沈積循環隨後可執行(步驟13)。沈積循環包含：藉由提供包括矽之前驅體及提供摻雜劑前驅體而在渠溝內沈積包括含矽磊晶材料之半導體材料(步驟15)；之後藉由提供蝕刻劑選擇性地移除半導體材料之部分(步驟17)。沈積循環可在相同腔室中重複直至所要厚度之包括矽之磊晶材料沈積在渠溝中(步驟19)。在一些實施例中，沈積含矽層包含沈積矽子層，之後蝕刻含矽子層之部分。
在一些實施例中，磊晶沈積可用於將材料沈積在平坦表 面上。在一些實施例中，磊晶沈積可用於將材料沈積在基板上之凹部或渠溝結構中，舉例而言，如圖1所示之高縱橫比渠溝。
在一些實施例中，如將從下文圖5至圖6B之描述中更 好地瞭解，包括矽之半導體材料沈積在含碳層上。在一些實施例中，含碳層藉由提供包括碳之前驅體至氣相沈積腔室而沈積。在一些實施例中，當在含碳層上方沈積包括矽之半導體材料時，不提供碳前軀體至沈積腔室。
在一些實施例中，各循環之兩個階段中使用之蝕刻劑量 被調節以定制從各循環留下之沈積之分佈。蝕刻劑亦可調節以確保存在於基板表面上之絕緣材料上發生較少沈積或不發生沈積使得總體製程係選擇性的。對於填充高縱橫比渠溝之實施例，通常若任意絕緣體暴露於反應劑，則調節以確保渠溝之良好填充亦將確保選擇性；但是，沈積時無需形成在基板上之任意絕緣體。
如下文更詳細討論及如圖2A及圖2B所示，可能有利地 逐個循環在諸沈積階段中(圖2A)或在一個沈積階段內(圖2B)改變蝕刻劑流。蝕刻劑流之此調節可促進定制沈積之分佈例如以促進底部向上填充或另外促進渠溝或凹部之完全磊晶填充。但是，蝕刻劑流量比之此調整可導致摻雜劑併入生長之磊晶材料中之速率之調整及因此導致沈積材料中之摻雜劑不均勻性，其可不利地影響裝置效能。因此，在實施例中，摻雜劑前驅體流速以使磊晶材料中之摻雜劑濃度均勻化之方式用蝕刻劑流速調整。
在含矽材料沈積循環期間，磊晶材料沿著渠溝之底座及 側壁兩者沈積。在較佳實施例中，沈積在凹部底座上之磊晶材料係摻雜硼之矽或摻雜硼之矽鍺。較佳，在沈積磊晶材料時不提供碳源。
在一些實施例中，磊晶材料可沈積在高且窄之渠溝，舉 例而言，高縱橫比渠溝中。在一些實施例中，渠溝可具有大於大約20 μm之高度(例如，從渠溝底部至渠溝頂部或基板表面之長度)。在一些實施例中，渠溝可具有大於大約30 μm之高度。在 一些實施例中，渠溝可具有大於大約40 μm之高度。在一些實施例中，渠溝可具有大於大約50 μm之高度。在一些實施例中，渠溝可具有大於大約100 μm之高度。在一些實施例中，渠溝可具有大於大約2 μm之寬度。在一些實施例中，渠溝可具有大於大約5 μm之寬度。在一些實施例中，渠溝可具有從大約2 μm至大約5 μm之寬度。在一些實施例中，渠溝之側壁可大體平行。在其他實施例中，渠溝之側壁可為錐形使得渠溝頂部上之寬度大於渠溝底部上之寬度。在一些實施例中，被填充渠溝可為功率MOSFET之部分。
在含矽材料沈積循環期間，包括矽之前驅體可提供至反 應空間或氣相沈積腔室。包括矽之前驅體可包括但不限於下列源之一者或多者，包含矽烷(SiH4)、二氯矽烷或DCS(SiCl2H2)、乙矽烷(Si2H6)、單氯矽烷(MCDS)、二氯矽烷(DCDS)、丙矽烷(Si3H8)或2,2-二氯矽烷。在一些實施例中，包括矽之前驅體可連同鍺源、電摻雜劑源或其等之組合引入。在包括矽之前驅體引入鍺源之實施例中，一層摻雜Ge之矽可沈積在基板上。在包括矽之前驅體引入鍺源及摻雜劑之實施例中，一層摻雜Ge之矽可沈積在基板凹部上。在一些實施例中，蝕刻劑亦提供有包括矽之前驅體。
在一些實施例中，p型或n型電摻雜劑可添加至反應空 間，與包括矽之前驅體形成磊晶層。在一些實施例中，使用包括硼之電摻雜劑。典型p型摻雜劑前驅體包含用於硼摻雜之乙硼烷 (B2H6)及三氯化硼(BCl3)。Si之其他p型摻雜劑包含Al、Ga、In及門捷列夫元素表中Si左側之任意金屬。此等電摻雜劑前驅體用於製備如下文所述之膜，較佳摻雜硼之矽及摻雜硼及Ge之矽膜及合金。
在一些實施例中，n型電摻雜劑可添加至反應空間，與 包括矽之前驅體形成磊晶層。在一些實施例中，使用包括磷之電摻雜劑。包括磷之摻雜劑包含磷化氫(PH3)。此等電摻雜劑前驅體用於製備如下文所述之膜，較佳摻雜磷化氫之矽及摻雜磷化氫及Ge之矽膜及合金。
在使用單個晶圓腔室之一些實施例中，電摻雜劑源(其 可舉例而言，在H2或He中稀釋至1%)可按介於50 sccm與1000 sccm之間，更佳介於100 sccm與300 sccm之間之流速引入。舉例而言，在一實施例中，在He中稀釋至1%之乙硼烷或三氯化硼可按介於5 sccm與500 sccm之流速在沈積階段期間引入矽源前軀體，導致摻雜硼之矽膜之磊晶生長。
在一些實施例中，鍺源提供有矽及電摻雜劑源。鍺源可 包含甲鍺烷(GeH4)或乙鍺烷(Ge2H6)。Ge前驅體可為金屬有機物。在使用單個晶圓腔室之一些實施例中，鍺源可按介於10 sccm與500 sccm之間，更佳介於50 sccm與200 sccm之間之速率流動。在一些實施例中，鍺源亦可提供有蝕刻劑。
在一些實施例中，鍺源按一流速提供以在摻雜矽之磊晶材料中達成所要鍺組合物。在一些實施例中，磊晶材料中之鍺濃 度從大約5原子%至大約8原子%。鍺可促進特定p型摻雜劑，舉例而言，硼之擴散。因此，在磊晶填充物中使用鍺可促進硼之擴散及促進跨膜之垂直截面及亦跨膜之水平截面形成具有硼之大體均勻組合物之磊晶膜。
在一些實施例中，沈積條件經調節使得高品質磊晶材料 沈積以填充渠溝而空隙較少或大體無空隙。
在一些實施例中，各循環(包含沈積階段及蝕刻階段) 達成凹部之壁及底部兩者上之凈生長。凹部之壁及底部之各者上之磊晶生長速率可為大約至少大約200 nm/循環，至少大約300 nm/循環及在一些情況中大於大約500 nm/循環。在一些實施例中，渠溝可在大約4至大約5個循環中填充磊晶材料。在一些實施例中，渠溝可具有從大約4微米至大約5微米之寬度。
各種蝕刻劑可在含矽層沈積循環期間提供。在一些實施例中，蝕刻劑可包括鹵化物，諸如含氟、氯、溴或碘蒸氣化合物。蝕刻劑可具有介於5 sccm與2000 sccm之間之流速。舉例而言，在一實施例中，蝕刻劑包括氯源，諸如在5 sccm與1000 sccm之間連續流動之HCl或Cl2。取決於所使用之蝕刻劑，較佳流速可變化。舉例而言，使用HCl蝕刻劑，較佳流速介於200 sccm與2000 sccm之間。使用Cl2蝕刻劑，針對單晶圓磊晶CVD反應，較佳流速係介於50 sccm與200 sccm之間。在一些實施例中，蝕刻化學物亦可含有鍺源，諸如甲鍺烷(GeH4)或乙鍺烷(Ge2H6)。Ge前驅體可為金屬有機物。在一些實施例中，鍺源可按介於10 sccm與 500 sccm之間，更佳介於50 sccm與200 sccm之間之速率流動。舉例而言，在一實施例中，甲鍺烷(稀釋至10%之GeH4)源可在蝕刻劑按介於50 sccm與200 sccm之間之流速流動期間提供。
在一些實施例中，蝕刻劑在沈積循環期間連續提供。在其他實施例中，蝕刻劑在沈積循環期間循環提供。
蝕刻劑之流速可影響磊晶含矽材料中摻雜劑之併入。舉例而言，增大蝕刻劑流速可減少經沈積之磊晶含矽材料中之摻雜劑併入。為了維持經沈積磊晶含矽材料中摻雜劑之恆定併入，摻雜劑流速亦可在蝕刻劑流速增大時增大。在一些實施例中，蝕刻劑之流速可相對於來自前一含矽層沈積循環之蝕刻劑之流速增大。圖2A繪示圖解說明根據本申請案之實施例之蝕刻劑、矽前軀體、鍺前驅體及摻雜劑前驅體之流速對時間之曲線圖。圖2A繪示蝕刻劑流速及摻雜劑前驅體流速相對於前一循環中所使用之流速逐步增大之過程。在一些實施例中，蝕刻劑之流速可基於摻雜劑之流速選擇以在經沈積之摻雜矽之膜中導致大體均勻摻雜劑濃度。
在一些實施例中，蝕刻劑之流速可在單個含矽層沈積循環期間增大。圖2B繪示圖解說明根據本申請案之實施例之蝕刻劑、矽前軀體、鍺前驅體及摻雜劑前驅體之流速對時間之曲線圖。圖2B繪示蝕刻劑及摻雜劑流速隨各循環增大之過程。應瞭解CDE期間之蝕刻劑變化可採用許多形式且補償電摻雜劑流之變化以維持摻雜劑均勻度可最初藉由理論判定並藉由試誤法微調。
在一些實施例中，一或多個蝕刻劑可在整個製程期間斷續引入而至少一其他蝕刻劑在整個含矽層沈積製程內一直流動。舉例而言，根據一實施例，連續蝕刻劑流可包含在整個含矽層沈積製程內引入Cl2作為蝕刻劑，而在Cl2流期間週期地引入HCl及/或鍺烷作為第二蝕刻劑。在週期沈積製程期間提供蝕刻劑，同時使蝕刻劑在沈積階段之間連續流動提供許多好處。舉例而言，沈積期間之生長速率可針對一或多個目的(步驟覆蓋、摻雜劑併入、處理速度、選擇性等)獨立於他者微調且中介蝕刻階段可達成該等目標之其他者。
在一實施例中，引入單個氣相蝕刻劑而在其他實施例中，可在整個含矽層沈積製程內使用兩個、三個或更多個氣相蝕刻劑。此等蝕刻劑可包含鹵化物氣體，諸如Cl2及HCl。其他實例包含Br2、HBr及HI。
在一些實施例中，基板處理溫度大於大約800℃。在一些實施例中，基板處理溫度大於大約900℃。溫度可基於前驅體之反應性及蝕刻劑之蝕刻速率選擇。對於更高溫度處理，HCl可用作蝕刻劑。對於較低溫度處理，Cl2可用作蝕刻劑，舉例而言，低於大約600℃之溫度。
在一些實施例中，反應腔室具有介於10 Torr與760 Torr之間，更佳介於10 Torr與200 Torr之間之壓力。在一些實施例中，溫度及/或壓力可能在循環含矽層沈積製程期間波動。舉例而言，在一實施例中，壓力可能在循環含矽層沈積製程期間變化。在其 他實施例中，通常更高效地選擇溫度或壓力將在製程期間保持恆定之條件。在較佳實施例中，溫度及壓力兩者將保持恆定使得循環含矽層沈積及蝕刻製程在等溫及等壓條件下發生，其幫助確保高處理量。
在一實施例中，蝕刻劑將在第一脈衝之沈積前驅體引入 的同時引入。在另一實施例中，蝕刻劑將在第一脈衝之沈積前驅體引入之前引入。當蝕刻劑在第一脈衝之沈積前驅體引入之前引入，蝕刻劑可在晶圓溫度穩定之後及在沈積前驅體開始之前在介於1秒與20秒之間，更佳介於3秒與10秒之間引入。針對300 mm、單晶圓系統之根據本申請案之一實施例之蝕刻劑(例如，HCl)可具有介於2 sccm與2000 sccm之間，更佳介於5 sccm與600 sccm之間之流速。
蝕刻劑可引入具有還原載氣諸如H2或惰性載氣諸如 He、Ar或N2之處理腔室中。載氣將按介於1 slm與30 slm之間，更佳介於2 slm與20 slm之間之流速引入具有蝕刻劑之腔室。載氣與蝕刻劑一樣可在第一脈衝之沈積蒸氣引入之前引入。在一實例中，蝕刻劑(諸如Cl2或HCl)及載氣(諸如H2、He或N2)兩者在引入第一脈衝之沈積蒸氣5秒前引入。
取決於達成所需磊晶厚度所需之沈積階段數，總磊晶製 程之持續時間可持續達介於120秒與900秒(或2分鐘至15分鐘)之間之總持續時間。在一些實施例中，基板可在磊晶沈積含矽材料後被熱處理或退火。
圖3係根據一實施例之電晶體結構之一部分之示意圖。 因為此等垂直電晶體用於涉及高電壓及電流之功率管理應用，因此其等通常被稱作功率MOSFET。所繪示之電晶體30具有N+源極31、閘極32、N摻雜通道區域34及N+汲極35。本文所揭示之製程可用於例如沈積填充渠溝以界定經摻雜保護環或線33之磊晶摻雜硼之矽。渠溝填充33係窄的，因此其較佳不相對於電晶體中之周圍材料應變。諸如保護環或線33之此深、窄及相對重摻雜之結構難以藉由傳統技術，諸如擴散摻雜或植入均勻摻雜。Fairchild Semiconductor藉由具有中介遮罩摻雜步驟之多個磊晶分層步驟製作此等深P摻雜柱，其係複雜及昂貴製程且不製作精確界定、直壁柱。因此，藉由CDE填充渠溝根據本文教示之實施例採用。
電晶體30配置可具有高擊穿電壓。電晶體30之厚度(例 如，在介於閘極32與N+汲極35之間之方向上)可定義擊穿電壓。
圖4係用磊晶材料填充之深及窄渠溝之穿隧電子顯微鏡 (TEM)影像。圖4繪示用磊晶材料填充之高縱橫比渠溝。所示渠溝展示沈積在渠溝中之高品質經摻雜矽。被填充渠溝具有大約50 μm之高度、底部上大約5 μm之寬度及渠溝頂部上大約8 μm之寬度。
在一些實施例中，包括碳之磊晶材料可在磊晶填充渠溝 之其餘部分之前沈積。在一些實施例中，包括碳之磊晶材料包括碳及矽。在一些實施例中，碳含量可為大約0.3原子%至大約0.5原子%。碳可防止摻雜劑，諸如硼之擴散在沈積及任意後續處理步 驟期間擴散至渠溝內之區域之外。在一些實施例中，包括碳之磊晶材料可用於給渠溝加襯層。
圖5係圖解說明根據本申請案之一實施例之磊晶形成製 程50之流程圖。基板提供在氣相沈積腔室中(步驟51)，基板包括渠溝或凹部。包括碳之磊晶襯層沈積在渠溝或凹部中(步驟53)。包括矽及電摻雜劑之磊晶填充物沈積在凹部中之襯層上方(步驟55)，其中磊晶填充物不包括碳，其中磊晶填充物具有大體均勻之摻雜劑組合物。
在一些實施例中，碳源蒸氣可在磊晶襯層沈積(步驟53) 期間提供以在基板上之凹部中形成包括碳之磊晶襯層。碳源可包括甲矽烷基烷諸如單甲矽烷基甲烷、二甲矽烷基甲烷、三甲矽烷基甲烷及四甲矽烷基甲烷，及/或烷基矽烷諸如單甲基矽烷(MMS)及二甲基矽烷。在一些實施例中，碳源包括H3Si-CH2-SiH2-CH3(1,3-二矽代丁烷)。在使用單個晶圓反應腔室之一些實施例中，碳源可按介於25 sccm與500 sccm之間，更佳介於50 sccm與200 sccm之間之流速引入。舉例而言，除矽源蒸氣源外，單甲基矽烷(MMS)可按介於50 sccm與200 sccm之間之流速引入使得碳原子併入經沈積之磊晶材料，因此在凹部中形成摻雜碳之矽磊晶襯層膜。此等摻雜碳之矽膜可具有置換及間質碳。在一些實施例中，磊晶襯層中之碳濃度從大約0.3%至大約0.5%。在較佳實施例中，包括矽之前驅體及單甲基矽烷將被添加以沈積磊晶襯層。在一些實施例中，單甲基矽烷用於沈積磊晶襯層。在一些實施例中，包 括矽或矽源之前驅體亦可在碳渠溝襯層沈積期間提供。在一實施例中，在沈積磊晶襯層時不提供鍺源及電摻雜劑源，諸如硼。
磊晶含碳渠溝襯層之厚度可基於沈積溫度及用於基板 後續處理之溫度而選擇。通常，摻雜劑擴散隨溫度增大，因此較厚磊晶含碳襯層可在更高沈積及處理溫度用於防止或減小從渠溝外部之摻雜劑擴散時使用。在一些實施例中，磊晶含碳渠溝襯層沈積至大約1000Å或更小之厚度。對於大約900℃或更大之沈積溫度，磊晶含碳渠溝襯層之厚度為至少大約300Å。在一些實施例中，磊晶含碳渠溝襯層之厚度為至少大約500Å。對於較低處理溫度，諸如低於大約600℃之溫度(例如，針對使用丙矽烷及Cl2之磊晶填充物沈積製程)，小於100Å之厚度可能適當。
磊晶填充物沈積(步驟55)可不包含碳但包含少量鍺， 例如大約5%至大約8%Ge以促進磊晶填充物內電摻雜劑，尤其硼之擴散。
磊晶襯層中之碳可為間質及置換兩者。通常，碳在基板 之後續沈積及處理期間不顯著擴散。在一些實施例中，磊晶渠溝襯層中之碳濃度及磊晶填充物中之鍺濃度及其等之相對厚度可選擇使得其等應力偏差，在渠溝中導致之少量應力或不導致應力。
圖6A係磊晶填充而無障壁襯層之渠溝之示意截面。基 板60具有圍繞渠溝填充材料63之單晶材料61。材料61在介面66上接觸渠溝填充材料63。圖6B係圖6A之渠溝中之摻雜劑濃度之示意圖。如圖6B所示，在無包括碳之磊晶襯層的情況下，渠溝 填充材料53中之硼或其他摻雜劑易於擴散至周圍材料61中。基板60之摻雜劑分佈將跨渠溝填充材料63之水平截面變化，因摻雜劑擴散至渠溝外，渠溝填充材料63中間之濃度最大，摻雜劑濃度遠離渠溝填充材料53之中間減小。
圖7A係根據一實施例之渠溝之示意截面。圖7A繪示具有圍繞用磊晶材料72、73填充之渠溝之單晶材料71之基板70。渠溝已被蝕刻之單晶材料71可為塊狀矽晶圓材料或厚磊晶層。渠溝填充材料包含磊晶襯層72及磊晶填充物73。磊晶襯層72可為包含有效將來自磊晶填充物73之摻雜劑限制至渠溝之碳量之含矽材料。磊晶填充物73可為包含電摻雜劑尤其P型摻雜劑硼之含矽材料。磊晶填充物73亦可包含有效允許電摻雜劑均勻擴散遍及渠溝而不形成不當應力之鍺量。磊晶襯層72及磊晶填充物73之各者可藉由CDE沈積且磊晶填充物73特定言之可如上文參考圖1至圖2B所揭示以傾斜蝕刻劑流沈積。磊晶襯層72具有：介面74，其具有磊晶填充物73；及介面75，其具有周圍基板材料71。圖7B係圖7A之渠溝中之摻雜劑(例如，硼)濃度之示意圖。摻雜劑濃度圖上之虛線對應於介面75。圖7B繪示跨磊晶填充物73之水平截面之大體均勻硼摻雜劑濃度。硼濃度在具有包括碳的磊晶襯層72的介面74上急劇下降。
先前技術方法，諸如具有中介遮罩毯覆式摻雜步驟之毯覆式磊晶層之多重沈積不導致具有圖7B所示之摻雜分佈之材料，此係因為，不存在尖的渠溝剖面及因為摻雜劑可易於擴散至 周圍區域中。本文揭示之方法及設備亦涉及較少處理步驟及腔室間之較少運送。此外，更均勻及受限之摻雜劑分佈可製作具有改良電性質之裝置。
相對摻雜劑濃度可藉由次級離子質譜分析(SIMS)量 測。在一些實施例中，磊晶渠溝/填充材料中之摻雜劑濃度跨水平截面及跨垂直截面大體均勻。在一些實施例中，襯層之內邊緣上之P型摻雜劑濃度比渠溝外大約80Å之P型摻雜劑濃度大大約100倍。在一些實施例中，凹部壁上之磊晶材料中之摻雜劑濃度顯著大於圍繞凹部之區域中之摻雜劑濃度。在一些實施例中，摻雜劑大體受限在凹部內。
如上所述之磊晶襯層及填充渠溝可提供圍繞功率 MOSFET之源極區域且從其中向下延伸之經摻雜柱，諸如圖3之保護環及線33。與Fairchild Semiconductor之SuperFETTM設計相比，保護環或線具有被填充渠溝之形狀，其具有筆直側壁及受限P型摻雜劑。
在一些實施例中，CVD腔室在本文中提供以執行本文所 揭示之沈積方法之任意者。CVD腔室可包含本文教示之製程氣體之任意者之氣體源。CVD腔室可包含具有經程式化以執行本文教示之方法之記憶體之製程控制器。
實例1
基板首先提供有渠溝，該渠溝具有4 μm至5 μm之寬度及大約50 μm之高度。磊晶碳及矽渠溝襯層首先使用MMS 沈積。在渠溝襯層沈積期間不提供硼及鍺源。襯層在凹部壁及底部上方沈積至大約1000Å之厚度。
渠溝隨後藉由使用CDE沈積摻雜硼及鍺之矽膜而填充。硼源係乙硼烷，鍺源係鍺烷(GeH4)且二氯矽烷用作矽源。HCl在循環期間連續提供，但非按恆定速率。在各循環中，硼、矽及鍺源首先提供有HCl，之後僅提供HCl。HCl及乙硼烷兩者之流速在各連續循環中增大使得經沈積膜中之硼濃度與前一循環中沈積之濃度大體相同。摻雜硼之矽鍺渠溝材料用跨渠溝之水平及垂直截面之大體恆定摻雜劑組合物沈積。渠溝可在大約5個循環後填充。
熟習此項技術者應瞭解在本發明中可進行各種修改及變化而不脫離本發明之範疇或精神。因此，本發明旨在涵蓋本發明之修改及變化，前提係其等屬於隨附申請專利範圍或其等之等效物之範疇內。
10‧‧‧磊晶形成製程
11、13、15、17、19‧‧‧步驟

Claims (29)

  1. 一種用於形成包括矽之材料之方法，其包括：提供一基板至一氣相沈積腔室中；將一含碳層磊晶沈積在該腔室中之該基板上，厚度小於大約1000Å；及將一含矽層磊晶沈積在該腔室內之該含碳層上，其中沈積該含矽層包括：藉由提供一包括矽之前驅體及提供一摻雜劑前驅體而沈積包含磊晶材料之一含矽子層；蝕刻該含矽子層之部分；及在相同的該氣相沈積腔室中交替重複沈積該含矽子層及蝕刻該含矽子層之部分直至沈積一所要厚度之包括矽之磊晶材料，其中在磊晶沈積該等含矽子層期間不供應含碳前軀體至該氣相沈積腔室。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其中交替重複包括增大摻雜劑前軀體之一流速及在一第二循環中相對於一先前第一循環增大蝕刻劑之一流速。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其中磊晶沈積該含矽層包括提供一鍺前驅體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其中該基板包括一凹部，其中包括矽之該磊晶材料在磊晶沈積該含矽層期間沈積在該凹部中。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其中在磊晶沈積該含矽層之前，該含碳層在該凹部之內部形成一襯層。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其中該襯層包括矽及碳或矽、碳及一摻雜劑，其中在該襯層沈積期間不提供鍺前驅體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其進一步包括在磊晶沈積該含矽層以沈積包括矽、鍺及摻雜劑之一膜期間形成該襯層之後提供包括鍺之一前軀體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其中沈積該含矽子層包括在至少一循環中增大摻雜劑前軀體之該流速及增大蝕刻劑之該流速。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其中在沈積該含矽子層期間額外提供該蝕刻劑。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其中該蝕刻劑包括HCl、Cl2或HBr之一者。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其中該包括矽之前驅體係矽烷、乙矽烷、丙矽烷、二氯矽烷及三氯矽烷之一者或多者。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其中該摻雜劑前驅體包括硼。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之用於形成包括矽之材料 之方法，其中該摻雜劑前驅體係B2H6或BCl3。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其進一步包括在沈積及蝕刻期間提供一載氣。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其進一步包括在沈積該含矽子層期間提供包括鍺之一前軀體。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其中包括鍺之該前驅體係甲鍺烷(GeH4)。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其進一步包括在沈積包括矽之該材料後熱處理該基板。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成包括矽之材料之方法，其中該基板用於形成一功率MOSFET。
  19. 一種半導體裝置，其包括：一基板，其具有一渠溝，該渠溝具有一底部及壁；及一包括碳及矽之磊晶襯層，其形成在該渠溝之該底部及壁上；及一包括矽及一摻雜劑之磊晶填充物，無碳形成在該渠溝內該襯層上方，其中該磊晶材料中之一摻雜劑濃度跨該渠溝內之一水平截面及跨一垂直截面大體均勻。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之半導體裝置，其中該磊晶襯層之該邊緣上之該摻雜劑濃度比來自該磊晶襯層與該磊晶填充物之一介面上之大約80Å之該磊晶襯層之該摻雜劑濃度大大約 100倍。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之半導體裝置，其中該凹部之該等壁上之該磊晶材料中之該摻雜劑濃度顯著大於圍繞該渠溝之區域中之該摻雜劑濃度。
  22. 如申請專利範圍第19項所述之半導體裝置，其中該磊晶襯層具有介於大約0.3原子%至大約0.5原子%之間之一碳濃度。
  23. 如申請專利範圍第19項所述之半導體裝置，其中該磊晶襯層具有大約1000Å或更小之一厚度。
  24. 如申請專利範圍第19項所述之半導體裝置，其中該摻雜劑大體受限在該渠溝內。
  25. 如申請專利範圍第19項所述之半導體裝置，其中該磊晶填充物進一步包括鍺。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之半導體裝置，其中該磊晶填充物包括大約5至大約8原子%鍺。
  27. 如申請專利範圍第19項所述之半導體裝置，其中該摻雜劑係硼。
  28. 如申請專利範圍第19項所述之半導體裝置，其中該半導體裝置係一垂直功率MOSFET之部分。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之半導體裝置，其中該渠溝填充係從該功率MOSFET中之一N+源向下延伸之一P摻雜柱之部分。
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