[發明專利]一種非選擇性生長鍺硅外延的方法

有效

• 申請號: 200910199435.2
• 申請日: 2009-11-26
• 公開（公告）號: CN101724896A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發明（設計）人: 黃錦才
• 申請（專利權）人: 上海宏力半導體制造有限公司
• 主分類號: C30B25/02
• 分類號: C30B25/02;C30B25/16;H01L21/205
• 代理公司: 上海思微知識產權代理事務所(普通合伙) 31237
• 代理人: 鄭瑋

技術領域

本發明涉及半導體制造領域，尤其涉及一種非選擇性生長鍺硅外延的方法。

背景技術

外延(Epitaxy，簡稱Epi)工藝是指在襯底上生長一層與襯底具有相同晶格 排列的材料，外延層可以是同質外延層(例如Si/Si)，也可以是異質外延層(例 如SiGe/Si或SiC/Si等)。鍺硅(SiGe)外延是硅和鍺通過共價鍵結合形成的 半導體化合物，是鍺、硅兩種元素無限互溶的替位式固溶體。鍺硅外延一般有 非晶、多晶、單晶和超晶格四種形態，單晶鍺硅外延廣泛應用于具有高頻、高 速需求的無線通訊、衛星及光通訊等領域。單晶鍺硅外延的主要應用之一就是 作為異質結雙極晶體管(Hetero-junction?Bipolar?Transistor，HBT)的基區， 與單晶硅的基區相比，其可以降低帶隙寬度，增大晶體管的特征截止頻率f_T(Cut Off?Frequency)。

外延工藝包括分子束外延(MBE)、超高真空化學氣相沉積(UHV/CVD)、常壓 化學氣相沉積(APCVD)和減壓化學氣相沉積(RPCVD)等。上述外延工藝中，RPCVD 比其他工藝更具優勢，其在進行時一邊抽空反應腔一邊控制通入反應器的氣體 流量，并將反應腔內的壓力控制在8～20千帕的低壓范圍下，如此反應腔的雜 質分子、腐蝕性氣體便能迅速隨主氣流排走，可避免硅襯底中雜質發生自擴散 并可減小外延中的缺陷。外延工藝中常用的三種氣態硅源為硅烷(SiH₄)、二氯硅 烷(SiH₂Cl₂，簡稱DCS)和三氯硅烷(SiHCl₃，簡稱TCS)，其中，硅烷更適應沉積 溫度底的要求；鍺硅(SiGe)外延工藝中還要用到含Ge的氣體鍺烷(GeH₄)，反 應中的載氣一般選用氫氣(H₂)。

根據生長方法還可以將外延工藝分為選擇性外延(Selective?Epi，簡稱SEG) 和非選擇性外延工藝兩大類，非選擇性外延工藝也稱全外延(Blanket?Epi)工 藝。在進行選擇性外延工藝時，單晶鍺硅層僅僅生長在需要生長的單晶硅表面 上。而在進行全外延工藝時鍺硅外延會在整片晶圓上生長，單晶鍺硅層生長在 單晶硅表面上，而在晶圓其他的絕緣層上會生長出多晶鍺硅層。

在制作HBT的基區時不僅要在單晶硅區生成單晶鍺硅層，還要在單晶硅區 兩側的隔離結構區上生長多晶鍺硅層，該多晶鍺硅層用于將單晶鍺硅層引出， 因此在制作HBT的基區時需要通過非選擇性外延工藝制造。現有技術的非選擇 性生長鍺硅外延的方法包括以下步驟：(1)、提供表面具有單晶硅區和隔離結 構區的晶圓，該隔離結構區為淺溝槽隔離結構(STI)區；(2)、提供具有反 應腔的外延生長機臺，該反應腔內設置有晶圓承載盤，該外延生長機臺為RPCVD 機臺；(3)、將該晶圓設置在該晶圓承載盤上；(4)、開啟外延生長機臺且 將反應腔的溫度和壓強分別調控至烘烤溫度和烘烤壓強，該烘烤溫度為1100攝 氏度，烘烤壓強為2至3千帕；(5)、向反應腔通入烘烤氣體去除單晶硅區表 面的氧化硅，該烘烤氣體為氫氣；(6)向反應腔同時通入氣態硅源和氣態鍺源 且通過RPCVD工藝分別在單晶硅區和隔離結構區生成單晶鍺硅層和多晶鍺硅層， 同時還通入氣態摻雜源對單晶鍺硅層和多晶鍺硅層進行摻雜，該CVD工藝的溫 度范圍為650至700攝氏度；(7)、向反應腔中通入氣態硅源且通過CVD工藝 在晶圓表面生成覆蓋層，該CVD工藝的溫度范圍為650至700攝氏度。上述氣 態硅源和氣態鍺源分別為硅烷和鍺烷。氣態摻雜源可以分為N型和P型兩類： 常用N型雜質氣體包括磷烷(PH₃)和砷烷(AsH₃)，而P型則主要是硼烷(B₂H₆)。

上述現有技術的非選擇性生長鍺硅外延的方法存在以下幾個問題：首先， 氫氣烘烤的溫度高達1100攝氏度，如此高溫會影響半導體器件的熱預算，在半 導體制造中，設備制造商和晶圓廠一直在尋找降低熱預算的方法以提高生產率 且降低原材料、設備以及能源的消耗；再者，烘烤后直接通過RPCVD工藝分別 在單晶硅區和隔離結構區生成單晶鍺硅層和多晶鍺硅層，導致所生成的多晶鍺 硅層顆粒較大且與單晶鍺硅層的連接不夠連續，從而導致HBT基極電阻過大， 進而影響HBT的頻率性能。