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TWI390606B - 控制磊晶層成長期間形態之方法 - Google Patents

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TWI390606B TW096128088A TW96128088A TWI390606B TW I390606 B TWI390606 B TW I390606B TW 096128088 A TW096128088 A TW 096128088A TW 96128088 A TW96128088 A TW 96128088A TW I390606 B TWI390606 B TW I390606B
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Description

控制磊晶層成長期間形態之方法
本發明係關於半導體元件之製造，更具體地，係關於控制磊晶層成長期間形態之方法。
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30nm。常利用選擇性的磊晶沉積(selective 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/汲極、源/汲極延展、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，但對於磊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矽層表面，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蝕刻速率通常較磊晶層快。因此，藉由改變蝕刻氣體的濃度，淨選擇製程的結果為磊晶材料的沉積，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 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 Field-Effect Transistor，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，SiGe)材料，填入蝕刻後的表面。選擇性磊晶能以內摻雜(in-situ doping)近乎完全的摻雜活化(dopant activation)，進而省略後續的回火製程。因此，可藉由矽蝕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，在形成矽化物過程中的接面消耗(junction consumption)，會進一步地提高串聯電阻。為了彌補接面消耗，可於接面上磊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，現有選擇性磊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，蝕刻反應則會居於主要，並延滯整個製程。此外，亦可能發生對基材特徵有害的過度蝕刻。若未提供足夠的蝕刻前驅物，沉積反應則會居於主要，降低在基材表面形成單晶矽與多晶質材料的選擇性。另外，現今選擇 性磊晶製程需以高反應溫度進行，例如800℃、1000℃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，仍特開發需一種製程，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800℃或更低時，此製程需能與各種元素濃度形成含矽化合物。
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℃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800℃之一溫度。該沉積步驟一併使用矽烷與二氯矽烷作為矽源。在室壓約為5-50 Torr下，以約10 sccm至100 sccm的流量流入每一矽源氣體。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℃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 氯矽烷作為矽源，以便形成該磊晶層。矽烷對二氯矽烷之比例大於1。本發明亦提供其他各式之態樣。
依據下述之實施方式、申請專利範圍與所附圖示，可使本發明其他特徵與態樣更為清楚。
在以介電膜圖案化的矽基材上的選擇性磊晶成長過程中，僅於暴露的矽表面上形成(例如，非於介電表面)單晶半導體。所謂的選擇性厚度則定義為在膜成長開始或在介電表面成核之前，矽表面所獲得的最大膜厚度。
選擇性磊晶成長的過程可包含同時進行的蝕刻-沉積製程，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。
在美國專利申請案號11/001,774一案中(申請日2004年12月1日，代理人案號9618)，則描述了以氣體交替供應(alternating gas supply，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蝕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800℃時，矽烷(silane，SiH4 )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 發明之發明人卻觀察到以矽烷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，藉由一併使用矽烷與二氯矽烷(例如於膜成長時，混合矽烷與二氯矽烷)，可降低及/或消除與使用矽烷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11/001,774一案中(申請日2004年12月1日，代理人案號9618)，所述之AGS製程一同施行。
利用僅以矽烷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)所形成的矽磊晶膜，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，使用矽烷與二氯矽烷可即時控制膜形態(例如在磊晶膜形成過程期間)。
於部份實施例中，如上述使用矽源之製程的示例可包含流量約10 sccm到約100 sccm矽烷。此外，矽源可包含流量約10 sccm到約100 sccm的二氯矽烷。於此示例中，在AGS製程中的沉積循環過程中，可採用約5 Torr到50 Torr的室壓範圍，而沉積時間約為2-250秒，且較佳約為5-10秒，以及介於約700℃至約750℃之間的溫度範圍。 於部份實施例中，矽烷與二氯矽烷的比例可大於1，例如為2：1，3：1，4：1，5：1，7：1，10：1等(矽烷：二氯矽烷)。在沉積循環之後，可進行蝕刻製程，舉例而言，以流量約50 sccm至約500 sccm的氯化氫(HCl)作為蝕刻劑，約5 Torr到100 Torr的室壓範圍，而沉積時間約為2-250秒，且較佳約為5-10秒，以及介於約700℃至約750℃之間的溫度範圍。在蝕刻循環後，可於約5 Torr至50 Torr的壓力下，溫度範圍介於約700℃至750℃之間，進行約10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/或流量。舉例而言，可如於美國專利申請案號11/227,794(申請日2005年09月14日，代理人案號9618/P01)一案中所述，於每一蝕刻步驟中，使用氯氣(Cl2 )或氯氣與氯化氫之組合。
第1圖為依據本發明，用以形成磊晶膜之第一示範方法100之流程圖。參照第1圖，於步驟101中，將基材放入一處理室中，並將基材加熱至約800℃或低於800℃。於部份實施例中，在磊晶膜形成過程中，可使用較低溫度範圍，例如低於750℃，低於700℃或低於650℃。
於步驟102中，矽烷與二氯矽烷則與適用的載流氣體及/或摻雜物一起流入處理室中，以便於基材上形成一磊晶膜。於部份實施例中，一或多種蝕刻氣體(例如氯化氫、氯氣、氯化氫與氯氣之組合等)可與矽源氣體於相同的時間一起流入(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 AGS製程中)。沉積與蝕刻步驟則持續進行，直至達到所需的磊晶膜厚度為止。於部份實施例中，所採用的矽烷與二氯矽烷的比例可大於1，例如為2：1，3：1，4：1，5：1，7：1，10：1等(矽烷：二氯矽烷)。亦可使用其他的矽源比例。
第2圖為依據本發明，用以形成磊晶膜之第二示範方法200之流程圖。參照第2圖，於步驟201中，將基材放入一處理室中，並將基材加熱至約800℃或低於800℃。於部份實施例中，在磊晶膜形成過程中，可使用較低溫度範圍，例如低於750℃，低於700℃或低於650℃。
於步驟202中，矽烷與二氯矽烷則與適用的載流氣體及/或摻雜物一起流入處理室中，以便於基材上形成一磊晶膜。於部份實施例中，可使用流量約為10 sccm至約100 sccm的矽烷，隨著流量約為10 sccm至約100 sccm的二氯矽烷。可採用約5 Torr至約50 Torr的壓力範圍。進行約2-250秒的沉積，且較佳為5-10秒。於部份實施例中，矽烷與二氯矽烷的比例可大於1，例如為2：1、3：1、4：1、5：1、7：1、10：1等(矽烷：二氯矽烷)。亦可採用其他流量、壓力、溫度、時間及/或矽烷與二氯矽烷比例。
於步驟203中，蝕刻氣體例如氯化氫及/或氯氣，則與適用的載流氣體一起流入處理室中，以對在步驟202中所沉積的材料進行蝕刻。舉例而言，可以流量約50 sccm至約500 sccm的氯化氫作為蝕刻劑，處理室壓力約5 Torr到100 Torr的室壓範圍，對基材進行蝕刻，而蝕刻時間約 為2-250秒，且較佳約為5-10秒。亦可使用其他蝕刻劑、量、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5-10秒。亦可使用其他的清潔時間。
於步驟205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202，以於基材上額外的磊晶材料。
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內，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，可使用較低的溫度範圍，例如低於750℃，低於700℃，或小於650℃。
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。
100‧‧‧方法
101‧‧‧步驟
102‧‧‧步驟
200‧‧‧方法
201‧‧‧步驟
202‧‧‧步驟
203‧‧‧步驟
204‧‧‧步驟
205‧‧‧步驟
206‧‧‧步驟
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。
100‧‧‧方法
101‧‧‧步驟
102‧‧‧步驟

Claims (23)

  1. 一種形成磊晶層之方法，其包含：提供一基材；加熱該基材至低於約800℃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，以便形成該磊晶層；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氯氣之至少一者。
  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℃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℃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℃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： 進行一沉積步驟，且於該沉積步驟後進行一蝕刻步驟。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中進行該沉積步驟包含提供矽烷流以及二氯矽烷流。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該矽烷之流量為約10至100 sccm。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該二氯矽烷之流量為約10至100 sccm。
  9. 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使用約5至500 Torr之一製程壓力。
  10. 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流入矽烷與二氯矽烷長達約10秒。
  11. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中進行該蝕刻步驟包含流入該蝕刻氣體，其中該蝕刻氣體包含氯化氫與氯氣之至少一者。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該蝕刻氣體之流量約為50至500 sccm。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中進行該蝕刻步驟包含使用約5至100 Torr之一製程壓力。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該蝕刻步驟包含流入蝕刻氣體長達約10秒。
  15. 如申請專利範圍第5項所述之方法，更包含至少一清潔步驟。
  16. 一種形成磊晶層之方法，其包含：提供一基材；加熱該基材至低於約800℃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 Torr的一沉積壓力下，以約10至100 sccm的流量分別流入矽烷與二氯矽烷；以及其中該蝕刻步驟包含流入氯化氫與氯氣之至少一者。
  17. 如申請專利範圍第16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。
  18. 如申請專利範圍第16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℃之一溫度。
  19. 如申請專利範圍第16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℃之一溫度。
  20. 如申請專利範圍第16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℃之一溫度。
  21. 一種形成磊晶層之方法，其包含：提供一基材；加熱該基材至低於約800℃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，以便形成該磊晶層；其中矽烷對二氯矽烷之比例大於1。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之方法，其中矽烷對二氯矽烷之比例大於2。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中矽烷對 二氯矽烷之比例大於5。
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