TWI300268B - Suppression of n-type autodoping in low-temperature Si and SiGe epitaxy - Google Patents

Description

1300268 A7 _____B7 五、發明説明（1 ) 本發明係與如申請專利範圍第1項之前言所定義之半導 體裝置的製造方法有關。 本方法與在單晶矽層上利用化學氣相沉積（c V D )成長 掺雜系晶S i或Sii-xGex (SiGe)層的方法有關，須知在此磊 晶層中控制掺質濃度與摻質輪廓是一項挑戰。 習知中所熟知在低溫時結合摻雜s丨或siGe的磊晶時，於 關閉摻質的供應之後’仍會繼續摻質的混合，此製程為熟 知的自動摻雜（autodoping )效應。在此磊晶成長製程中由 於此效應，會得到與所需輪廓不同之摻質輪廓。由於摻質 通常自下層（高溫）擴散至成長的磊晶層、摻質物種自磊晶 反應谷器之壁與基板夾具（holder )的吸收，及摻質物種自 基板之前端與後端的蒸發，而發生此自動掺雜效應。 因此自動摻雜效會明.顯地以無預期的狀態改變了磊晶層 中的掺質濃度。 均 傳統來說，晶圓在一含氫環境曝露於高溫下（〜1〇〇〇〇c或 更南），以在開始羞晶成長製程前自表面移除原生氧化 層’特別是在低壓下所進行妁高溫處理，亦可減少在反應 室内表面及晶圓表面之摻質種的吸附，此通常為一降低自 動摻雜之方法；然而，由於在此高溫之下，裝置的特徵尺 寸與摻質的擴散長度相比仍很小，故高溫對為電子裝置的 製造仍然有害。 由US 3,669,769可得知將自動摻雜效應降至最低時，在 單晶S i上成長磊晶層的方法，本方法提供磊晶層非常低 的初始成長速率，而在得到某一最小厚度之後即增加成長 -4-

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速率，此製程中的溫度在8 〇 〇至i30(TC之間。 US 6,007,624揭露一控制自動摻雜之成長磊晶s i層的方 法’在低溫超南真空化學氣相沉積製程中（在5〇〇-85〇^ ) ，成長薄的磊晶矽覆蓋層。在形成此覆蓋層之後，增加溫 度並成長磊晶層。較差的是，由於在成長覆蓋層時的低製 程溫度，覆蓋層並不會是完全地磊晶，且us 6 〇〇7,624的 方法只與阻止下層（buried layer )的自動摻雜有關。 JP-8-20383 1 A揭露在一化學氣相沉積磊晶製程中，成長 包含了 一個或多個具有不同電性之（次）層的單晶層之方 法，JP-8-20383 1 A的方法與在高溫（1〇8〇-112〇。〇)下^的磊 晶成長有關。此外，本方法與相對厚的Si磊晶層（至少8 微米）有關。 較差的是，習知的方法均與具有至少丨微米厚度之磊晶 層有關；此外，每個習知的方法中之相同點為半導體材料 均曝露於高溫步驟，會由於在此高溫下相對快的擴散，而 劣化半導體材料中的捧質輪廓。 此外，若使用習知的方法，則不可能形成具有良好定義 及陡峭的η型摻質輪廓的淺層（也就是低於丨微米）^ 本發明之目的係提供如申請專利範圍第丨項前言所定義 之半導體裝置的製造方法，纟中可強烈地抑制磊晶層中η 型自動摻雜的發生。 利用如申請專利範圍第丨項前言所定義之半導體裝置製 造的方法可達成此目的，其中在一連續成長循環中成長此 疊層（stack )。 -5- 1300268 A7 -一 B7 五、發明 ) ' '~- / =好的是，在單一連續成長循環中省略清洗（purge)的 循環，而抑制n型自動摻雜的效應，根據本發明之成長方 法造成磊晶層中摻質輪廓較佳定義的限制與形狀；此外， 本方法可成長薄摻雜的磊晶層（尖峰（spikes))。 、下將參照一些圖式而解釋本發明，其中圖式僅為示 範目的’而並非限制如後申請專利範圍定義之保護範圍。 圖1顯示利用習知使用SiH4氣流的成長方法，產生具有

Sl覆蓋層之P摻雜磊晶Si層（P尖峰），其二次離子質譜儀 (SIMS)曲線。 圖2顯示利用習知使用SiH2Cl2氣流的成長方法，產生具 有Si覆蓋層之p尖峰的二次離子質譜儀曲線。 圖3顯示利用習知使用中斷SiH4氣流的成長方法，產生 具有Si覆蓋層之p尖峰的二次離子質譜儀曲線。 圖4顯7^根據本發明之成長方法，產生之磊晶Si-SiGe-Si 多層中’摻質分布的二次離子質譜儀曲線。 圖5示意地顯示根據本發明在成長製程時，個別氣流的 開關。 以下’可利用一些實驗來解釋根據本發明之成長方法， 其中示範η型摻質磊晶3丨或SiGe層之成長，由這些實驗所 得之摻質輪廓係利用二次離子質譜儀所量測，分析的結果 則清楚地顯示利用本發明之方法成長此摻雜S i或SiGe層 可獲得改善。 圖1顯示具有Si覆蓋層之p摻雜磊晶Si層（P尖峰）的二次 離子質譜儀曲線，係由習知使用SiH4氣流（Η 2當作載體氣 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公袭) 1300268 A7 B7

五、發明説明（4 ) 體）之成長方法所產生。 二次離子質譜儀曲線顯示樣品中磷（P )的輪廓為賤鍍深 度的函數，將Si表面曝露於PH3蒸氣中而無Si前驅物SiH4 來成長P尖峰，在關閉PH3來源後繼續或開始磊晶成長。 可清楚地觀察到自動摻雜效應，P尖峰位於〜100 nm的深 度。在P訊號中，介於〜100 nm與〜25 nm間顯示一長的自 動摻雜尾部（tail ):在p峰值的表面側，p濃度不會掉至二 次離子質譜儀的偵測限制；不過，當其約為自動摻雜尾部 的十倍時，可使用P尖峰。 圖2顯示利用習知使用siH2Cl2氣流的成長方法，產生具 有Si覆蓋層之p尖峰的二次離子質譜儀曲線，二次離子質 譜儀曲線顯示樣品中磷（P )的輪廓為濺鍍深度的函數。 為顯示此P尖峰，利用二氯矽甲烷（SiH2Cl2)取代SiH4當 作S i前驅物的製程，而進行類似上述之實驗，圖2中則顯 示傳統成長具有自SiH2Cl2成長的覆蓋層之P尖峰範例。 與使用SiH4當作S i前驅物的圖1之摻質輪廓相比，此例 中並無尖峰，只有自動摻雜尾部，而兩輪廓間的差異主要 有可能是SiH2Cl2中之C1的存在所造成。 當嘗試使用類似圖1中所示之摻質輪廓時，例如異質接 面雙載子電晶體（HBT)的集極中，P尖峰在每個介面 (Si/SiGe，SiGe/SiGe[B]，SiGe/Si)處爆裂（pop up)，因而 破壞目標輪廓β 在使用中斷成長以穩定改變層成分時之氣流，仍然將ρ 傳輸至晶圓表面並累積之。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

裝 訂

線 1300268 A7 B7 五、發明説明（5 ) -- 圖3顯不利用習知使用中斷氣流的成長方法，而產 生具有Si覆盍層之p尖導的二次離子質譜儀曲線。 此二次離子質譜儀曲線顯示樣品中磷（p)的輪廓為濺鍍 深度的函數。 由此圖可獲得除了事實上中間中斷覆蓋層成長一分鐘並 接著繼續成長之.外，與圖i中相同的方法成長之磊晶層。 如熟習此項技藝人士所熟知的，成長複雜的磊晶多層， 如Η B T…構’需要數道成長中斷，當發生將8丨轉至 及轉回時，或發生自摻雜至摻雜層時，會有此中斷。 η型摻負的累積對Si/SiGe處的轉變，及不在低溫與低壓 使用即時（in-situ)的η型摻質特別有害。 雖然有長的自動摻雜尾部，仍可使用如圖1中所示之ρ 輪廓’也就是Η Β Τ結構即時摻雜之集極的部分，此可採 用避免第二Ρ尖峰之成長製程來達成。 根據本發明成長半導體磊晶層的方法可看出成長製程中 斷的重要性，已發現若未中斷成長，摻質元素ρ不會在層 轉變處累積，且可抑制第二Ρ尖峰。 實際上此意味著略過成長製程時的流動穩定相，當改變 層成分時會造成氣 >瓦的暫態（transient)，此造成增加之暫 態寬度通常不會對電晶體的效能有害。 需/主思藉由使用本發明之方法，ASH3與SiH4的結合可成 長As尖峰，並造成類似圖1、圖2及圖3中所示之ρ尖峰的 A s輪廓。 在低溫低壓磊晶成長η型摻雜s i與SiGe層時在每個介面 -8 · 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公慶y ----、一------- — 1300268 A7 ----- - B7 五、發明説明（6 ) ' " -- 的η型摻雜尖峰發生之問題，可利用在改變層成分時不中 斷成長製程來避開，層間轉變寬度的劣化通常並無害處。 在所有其他的成長方法中，發現此方法對成長具有即時η 型摻雜步騾之ΗΒΤ結構的集極較有利。 圖4顯示利用根據本發明之成長方法，產生傳統磊晶 Si[P]/SiGe/SiGe[p]/SiGe/Si[B]的多層中，摻質分佈的二次 離子質譜儀曲線。 二次離子質譜儀曲線顯示樣品中磷（P)、鍺（Ge)與硼（B) 的輪廓為濺鍍深度的函數，並由各自的化學代號標示其輪 廓。 多層由下列所組成，在半導體表面上成長當作第一層之 捧鱗Si[P]層’在此Si[P]層上成長一本徵（intrinsic)系晶 SiGe層’在此本徵羞晶S i G e層上沉積摻硼羞晶SiGe[B J 層；接著，成長弟二本徵羞晶SiGe層；最後，沉積蟲晶換 雜Si[B]表面層。 在低溫低壓製程（也就是700°C，2.66 X 103 Pa)中使用氣 流與流動開關方案（scheme)成長多層，並可參照圖5解釋 之。 圖4中，注意介於約5 0至100 nm之磷的分佈是很重要 的，不像利用習知的方法成長的輪廓無主要P尖峰的存 在，並干擾裝置的功能。在已關閉PH3流之後，P階層會 下降，並利用箭號A1標不關閉PH3流。 仍會發生一些偏析：由箭號A 2標示之B2H6的釋放，在 成長環境中會造成P訊號的增加（在〜68 nm的厚度）；然 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210 X 297公董) A7 B7

1300268 五、發明説明（7 ) 而，維持足夠低的P階層，且不會對Η B T結構有不良的^ 響。 亦發現新的成長方法輕微地有害於輪廊 < 在 SiGe/SiGe[B]/SiGe 層中），SiGe/SiGe[B]/SiGe 層之頭部與尾 部的斜率並不像在成長時使用中斷氣流方法那樣陡山肖。需 注意斜率陡峭度的減少不只是與基本問題有關，且與i晶 反應器之硬體中某些缺陷有關。 圖5示意地顯示關於開關反應物（製程氣體）之成長製 程，Υ軸標示為氣流的大小，而X軸標示為時間，且兩轴 均使用任意單位。需注意並無給定確實的相關製程時間與 層厚度之比值，且各流動之相對高度並非標示個別流動之 比值，各氣流以斜線區域標示之，並由各氣體之化學式作 記號。 在成長製程開始時，打開S i前驅物（也就是SiH4 )之氣 流，同時打開PH3的氣流。在某段時間之後，稍微減少 PH3氣流，在完成Si[P]層的成長之後，即停止ph3氣流。 同時，開啟GeH4氣流，以開始成長SiGe層，在成長第 一本徵SiGe層之後，打開B2H6氣流，以摻雜硼至SiGe層 中，並形成摻雜的SiGe[B]層。 在完成摻雜的SiGe[B]層之後，停止B2H6氣流，並仍開 啟S i前驅物氣流與GeH4氣流，以成長第二本徵SiGe層。 最後，停止GeH4氣流，並開啟B2H6氣流以成長上摻硼 Si[B]層。 在完成磊晶Si[P]/SiGe/SiGe[B]/SiGe/Si[B]多層之後，停 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

裝 訂

線 1300268 A7 B7 五、發明説明（8 ) 止S i前驅物氣流與B2H6氣流，如習知中所熟知，以最後 循環結束製程循環，以清洗（purge )製程室，並冷卻已沉 積多層之半導體晶圓。 需注意在Si[P]/SiGe/SiGe[B]/SiGe/Si[B]多層中，成長各 層之間不施加洗淨循環。根據習知的方法，係省略洗淨循 環，而非使用中.斷成長循環，並在一連績成長循環中成長 整個磊晶層，而改善圖4之二次離子質譜儀曲線所描繪的 摻質輪廓。 此外，需注意本發明之方法亦可使用於製造摻雜的矽-鍺-碳合金（SiGe:C)層，以抑制在此SiGe:C層中η型的自動 掺雜。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 i•一種製造半導體裝置之方m該方法包含在至少另 半導拉材料層（前’蟲晶成長—包含半導體材料之η 雜層的疊層之步驟’其中該疊層係在一連續成長循 壤中成長’其中應心切.緒合金切令碳合全告 作該η型摻雜層的半導體材料，其中應用石夕切·褚^ 或碎-鍺U金當作該至少另—半導體材料層，及其中 應用碎-鍺合金切_錯_碳纟金當作該至少—η型接雜層 的半導體材料及該至少另一層。 曰 2. 如申請專利範圍第i項之方法\其中應用一 ρ型接雜層或 一非故意摻雜之層當作該至少另一層。 3. 如申請專㈣圍第！或2項之方法/其中該成長製程係在 次大氣壓下進行。 4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該成長製程在約 6 6 5至13300 Pa範圍間之次大氣壓下進行。 5. ，申請專利範圍第liu項之方法，其中使用一n型接質 氣體成長該η型摻雜層，且應用一含磷化合物或含砷化 合物當作該η型摻質氣體。 " 6. 如申請專㈣圍第Η之方法，其中—應用切化合物 及其中應用膦（phosphine) (ΡΗΟ當作該含磷化合物。 7. 如申請專利範圍第5項之方法，其中_應用切化合物 及其中應用胂（arsine)(AsH3)當作該含坤化合物。 8. 如中請專利範圍第！或2項之方法，其中該成長製程在約 8〇〇°C以下的溫度進行。 9. 如申請專利範圍第8项之方法，其中該成長製程在約7〇〇 1300268 - C8 D8 六、申請專利範圍 °c的溫度下進行。 其中該半導體裝置包

   10.如申請專利範圍第1或2項之方法 含一異質接面雙載子電晶體。 _-2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)