一種高鍺濃度的鍺矽外延方法

2023-06-07 15:28:26 2

專利名稱：一種高鍺濃度的鍺矽外延方法
技術領域：
本發明屬於半導體製造方法，尤其是一種高鍺濃度的鍺矽外延方法。
背景技術：
SiGe是繼Si和GaAs之後的又一重要的半導體材料，具有優於純Si材料的良好特性，工藝和製程又可以與矽工藝兼容，SiGe異質結雙極型電晶體(HBT)電性能幾乎可達到 GaAs等化合物半導體製作同類器件的水平，其在RF(射頻)尤其是超高頻領域有廣泛應用前景，而且其能與CMOS工藝集成，充分發揮CMOS工藝高集成度、低成本的優勢，同時還能實現SiGe/Si HBT的高頻性能和低噪聲性能。鍺因為禁帶寬度較窄(約0.67eV，矽為1. 12eV)，與矽結合後在基區形成加速電場，以達到載流子快速輸運特性和器件的高頻特性。HBT電流增益β = (NeWeDb/ NBWBDE)*exp(AEg/kt)，鍺的濃度增加能夠提高β值，這樣保證β的同時可以提高基區摻雜濃度，因而降低基區度越時間，改善高頻特性。理論上，要求鍺的濃度儘可能高。從目前的資料來看，鍺濃度一般都低於20% (原子百分比)，而且對於較高鍺濃度的鍺矽外延，沒有公開具體的生長方法。這可能基於以下幾方面的限制，第一，考慮到鍺矽外延在矽外延上太高的鍺濃度，失配較大，容易弛豫產生缺陷；第二，可以通過外延溫度的降低來提高鍺濃度，但外延生長速率會降低很多，我們通過實驗得知，溫度降低30°C，生長速率降低為原來的1/3，使得產能降低，同時通過降溫這種方式對提高鍺濃度有限，溫度降低30°C鍺濃度也就提高了 2% ；第三，可以通過增加鍺烷流量來提高鍺濃度，但是隨著鍺烷流量的增加，外延生長速率增加，這樣使得鍺濃度的提高有限，我們把流量開到最大，鍺濃度僅提高了 2%。因此，第三種方法，想要做到高鍺濃度，必須增加一路鍺烷的流量計，目前我們做10% 20% 鍺濃度，因為需要做出Ge梯度(即鍺濃度從高濃度漸變到低濃度)，已經需要兩路鍺烷流量計，所以要做高鍺濃度外延，必須至少需要三路鍺烷，這增加了設備成本及工藝的複雜度。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種高鍺濃度的鍺矽外延方法，不僅鍺濃度要高，比如達到原子百分比為25 35%，而且能保證鍺矽外延沒有缺陷，達到器件要求，同時有足夠的產能(Throughput)。為解決上述技術問題，本發明提供一種高鍺濃度的鍺矽外延方法，當通入矽烷和鍺烷氣體時，以降低矽烷和鍺烷的百分比來增加鍺矽外延的鍺的含量，在相同的鍺源流量時，隨著矽源流量的降低，鍺濃度有較大的提高，最終能夠得到鍺原子百分比為25 35% 的無缺陷的鍺矽外延薄膜。所述鍺矽外延薄膜中的高鍺濃度區是通過低矽烷分壓來生長的，即以降低矽烷的流量來實現鍺濃度的提高。所述高鍺濃度區生長時其矽烷流量為20 50SCCm，鍺烷流量為300 500sCCm， 矽烷流量/鍺烷流量為1/20 1/5。
所述高鍺濃度區生長時其矽烷流量為20 50SCCm，鍺烷流量為300 500sCCm， 矽烷流量/鍺烷流量為1/12 1/8。所述鍺矽外延薄膜中鍺的分布為梯形、矩形或三角形分布。為了實現鍺矽外延薄膜中高鍺濃度梯形分布，採用如下方法從右往左依次生長低鍺濃度區、高鍺濃度區和低鍺濃度區首先採用高矽烷分壓生長低鍺濃度區，高矽烷分壓中矽烷流量/鍺烷流量為1/3. 5 1/0 (1/0表示鍺烷流量已經小到為Osccm)，鍺烷流量為 0 lOOsccm，矽烷流量為50 200sCCm ；然後再切換到低矽烷分壓生長高鍺濃度區，低矽烷分壓中矽烷流量/鍺烷流量為1/20 1/5，矽烷流量為20 50sCCm，鍺烷流量為300 500sccm ；最後再切換到高矽烷分壓生長低鍺濃度區，高矽烷分壓中矽烷流量/鍺烷流量為 1/3. 5 1/0，鍺烷流量為O lOOsccm，矽烷流量為50 200sccm。為了實現鍺矽外延薄膜中高鍺濃度梯形分布，採用如下方法從右往左依次生長矽緩衝層、鍺矽層和矽覆蓋層首先採用高矽烷分壓生長矽緩衝層，該矽緩衝層生長過程中鍺烷流量為Osccm，矽烷流量為50-200SCCm，生長出的矽緩衝層不含鍺，即鍺濃度為O ；然後再切換到低矽烷分壓生長鍺矽層，低矽烷分壓中矽烷流量/鍺烷流量為1/20 1/5，矽烷流量為20 50SCCm，鍺烷流量為300 500sCCm ；最後再切換到高矽烷分壓生長矽覆蓋層，該矽覆蓋層生長過程中鍺烷流量為Osccm，矽烷流量為50-200sCCm，生長出的矽覆蓋層的鍺濃度為O。所述鍺矽外延薄膜單晶區為沒有缺陷的單晶體。所述鍺矽外延生長採用減壓化學氣相澱積工藝，生長壓力為60 700Torr，矽源氣體為矽烷，鍺源氣體為鍺烷，載氣為氫氣，生長溫度為600 680°C。所述鍺矽外延薄膜中硼的濃度為1E18 5E20/cm3，所述鍺矽外延薄膜中碳的濃度為 1E19 5E20/cm3。和現有技術相比，本發明具有以下有益效果本發明一種高鍺濃度的鍺矽外延方法，其能利用現有設備並不需要添加額外的鍺源和流量計，即可在較低的工藝溫度如 600 680°C獲得較高鍺濃度的鍺矽外延，Ge的原子百分比濃度約25 35%，通過該方法， 壓力控制比較穩定，而且外延出的鍺矽薄膜沒有缺陷，滿足器件要求，如圖4、圖5所示，其鍺矽外延單晶區為完美的單晶體，沒有缺陷。


圖1是鍺矽外延層深度分布示意圖，其中，1是矽覆蓋層，2是鍺矽層，3是矽緩衝層，4是低鍺濃度區，5是高鍺濃度區，6是低鍺濃度區；圖2是本發明不同矽源/鍺源比的鍺摻雜濃度示意圖；圖3是本發明鍺矽外延鍺摻雜狀態示意圖；圖4是本發明高鍺濃度鍺矽外延SEM俯視圖；圖5是本發明高鍺濃度外延單晶區TEM橫截面圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。本發明公布了一種高鍺濃度的鍺矽外延方法，當通入矽烷和鍺烷氣體時，如果降
4低矽烷和鍺烷的百分比即可增加鍺矽外延的鍺(Ge)的含量。如圖2所示本發明不同矽源 /鍺源比的鍺摻雜濃度示意圖，在相同的鍺源流量時，隨著矽源流量的降低(圖2中較低流量SiH4),鍺濃度有比較大的提高；同時，鍺濃度也隨著鍺流量的增大而增大，但鍺烷流量的增加對鍺濃度增加的影響小於矽烷流量的降低。降低矽烷/鍺烷的分壓比(鍺烷流量不變，矽烷流量降低)，外延的澱積速率會降低。如矽烷流量從eOsccm降至40sCCm，外延的澱積速率降低約10%。澱積速率的降低將會提高Ge摻雜濃度，同時Ge濃度的提高又提高了澱積速率，所以外延的澱積速率降低僅為約 10%，小於矽烷流量降低的百分比，本發明最終能夠得到Ge濃度原子百分比為25 35%的無缺陷的鍺矽外延。本發明的鍺矽外延生長採用減壓化學氣相澱積工藝(RPCVD)，生長壓力為60 700ΤΟΠ·，矽源氣體為矽烷(SiH4),鍺源氣體為鍺烷(GeH4),載氣為氫氣(H2)，生長溫度為 600 680"C。本發明的優點是在利用現有設備的前提下，平衡了生長速率與Ge的摻雜濃度，獲得高Ge濃度的同時，外延的生長速率僅有很少的降低，這是本發明的重點。如圖1，是鍺矽外延層深度分布示意圖，Ge的濃度呈梯形分布，其最高濃度為25 35%原子百分比，其中4和6是低鍺濃度區，5是高鍺濃度區。圖3是本發明鍺矽外延鍺摻雜狀態圖，鍺矽外延的鍺摻雜方案是首先高矽烷分壓生長低鍺濃度區，然後低矽烷分壓生長高鍺濃度區，最後高矽烷分壓生長低鍺濃度區。其中，高矽烷分壓指矽烷流量/鍺烷流量 (矽烷流量與鍺烷流量之比)較大時，而低矽烷分壓指矽烷流量/鍺烷流量較小時。本發明鍺矽外延中高鍺濃度區的生長是通過低矽烷分壓來實現的，即可以降低矽烷的流量來提高鍺烷濃度，這區別於通常增加鍺烷流量來實現鍺濃度的提高。高鍺濃度區生長時其矽烷流量為20 50sccm，鍺烷流量為300 500sccm，矽烷流量/鍺烷流量為1/20 1/5，或者矽烷流量/鍺烷流量為1/12 1/8。鍺矽外延中鍺的分布可以為梯形、矩形或三角形分布。對於圖1的鍺矽外延層深度分布示意圖，生長順序為從右往左，即從低鍺濃度區 6- >高鍺濃度區5- >低鍺濃度區4。為了實現圖1鍺濃度梯形分布，實施例一可以首先採用高矽烷分壓(矽烷流量/ 鍺烷流量為1/3. 5 1/0，1/0表示鍺烷流量已經小到為Osccm，鍺烷流量為O lOOsccm，矽烷流量為50 200sCCm)生長低鍺濃度區6 (步驟110)；然後再切換到低矽烷分壓(矽烷流量/鍺烷流量為1/20 1/5，矽烷流量為20 50SCCm，鍺烷流量為300 500sCCm)生長高鍺濃度區5 (步驟120)；最後再切換到高矽烷分壓(矽烷流量/鍺烷流量為1/3. 5 1/0， 1/0表示鍺烷流量已經小到為Osccm，鍺烷流量為O lOOsccm，矽烷流量為50 200sccm) 生長低鍺濃度區4(步驟130)，最終形成所需的雜質深度分布如圖1所示。為了實現圖1鍺濃度梯形分布，實施例二 可以首先採用高矽烷分壓(矽烷流量 /鍺烷流量為1/0，即鍺烷流量為Osccm，矽烷流量為50-200SCCm)生長矽緩衝層3 (不含鍺，即鍺濃度為0)(步驟110)；然後再切換到低矽烷分壓(矽烷流量/鍺烷流量為1/20 1/5，矽烷流量為20 50SCCm，鍺烷流量為300 500sCCm)生長鍺矽層2 (步驟120)；最後再切換到高矽烷分壓(矽烷流量/鍺烷流量為1/0，即鍺烷流量為Osccm，矽烷流量為 50-200sccm)生長矽覆蓋層1 (不含鍺，即鍺濃度為0)(步驟130)，最終形成所需的雜質深度分布如圖1所示。
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上述方法同樣適合於鍺矽外延中硼(B)或碳(C)濃度的提高。採用本發明方法生長的鍺矽外延薄膜中，B的濃度為1E18 5E20/cm3，C的濃度為 1E19 5E20/cm3。
權利要求
1.一種高鍺濃度的鍺矽外延方法，其特徵在於，當通入矽烷和鍺烷氣體時，以降低矽烷和鍺烷的百分比來增加鍺矽外延的鍺的含量，在相同的鍺源流量時，隨著矽源流量的降低， 鍺濃度有較大的提高，最終能夠得到鍺原子百分比為25 35%的無缺陷的鍺矽外延薄膜。
2.如權利要求1所述的高鍺濃度的鍺矽外延方法，其特徵在於，所述鍺矽外延薄膜中的高鍺濃度區是通過低矽烷分壓來生長的，即以降低矽烷的流量來實現鍺濃度的提高。
3.如權利要求1或2所述的高鍺濃度的鍺矽外延方法，其特徵在於，所述高鍺濃度區生長時其矽烷流量為20 50sCCm，鍺烷流量為300 500sCCm，矽烷流量/鍺烷流量為 1/20 1/5。
4.如權利要求1或2所述的高鍺濃度的鍺矽外延方法，其特徵在於，所述高鍺濃度區生長時其矽烷流量為20 50sCCm，鍺烷流量為300 500sCCm，矽烷流量/鍺烷流量為 1/12 1/8。
5.如權利要求1所述的高鍺濃度的鍺矽外延方法，其特徵在於，所述鍺矽外延薄膜中鍺的分布為梯形、矩形或三角形分布。
6.如權利要求5所述的高鍺濃度的鍺矽外延方法，其特徵在於，為了實現鍺矽外延薄膜中高鍺濃度梯形分布，採用如下方法從右往左依次生長低鍺濃度區、高鍺濃度區和低鍺濃度區首先採用高矽烷分壓生長低鍺濃度區，高矽烷分壓中矽烷流量/鍺烷流量為1/3. 5 1/0，鍺烷流量為0 lOOsccm，矽烷流量為50 200sCCm ；然後再切換到低矽烷分壓生長高鍺濃度區，低矽烷分壓中矽烷流量/鍺烷流量為1/20 1/5，矽烷流量為20 50sCCm，鍺烷流量為300 500sCCm ；最後再切換到高矽烷分壓生長低鍺濃度區，高矽烷分壓中矽烷流量/鍺烷流量為1/3. 5 1/0，鍺烷流量為0 lOOsccm，矽烷流量為50 200sccm。
7.如權利要求5所述的高鍺濃度的鍺矽外延方法，其特徵在於，為了實現鍺矽外延薄膜中高鍺濃度梯形分布，採用如下方法從右往左依次生長矽緩衝層、鍺矽層和矽覆蓋層首先採用高矽烷分壓生長矽緩衝層，該矽緩衝層生長過程中鍺烷流量為Osccm，矽烷流量為50-200sCCm，生長出的矽緩衝層不含鍺，即鍺濃度為O ；然後再切換到低矽烷分壓生長鍺矽層，低矽烷分壓中矽烷流量/鍺烷流量為1/20 1/5，矽烷流量為20 50sCCm，鍺烷流量為300 500sCCm ；最後再切換到高矽烷分壓生長矽覆蓋層，該矽覆蓋層生長過程中鍺烷流量為Osccm，矽烷流量為50-200sCCm，生長出的矽覆蓋層的鍺濃度為O。
8.如權利要求1所述的高鍺濃度的鍺矽外延方法，其特徵在於，所述鍺矽外延薄膜單晶區為沒有缺陷的單晶體。
9.如權利要求1所述的高鍺濃度的鍺矽外延方法，其特徵在於，所述鍺矽外延生長採用減壓化學氣相澱積工藝，生長壓力為60 700ΤΟΠ·，矽源氣體為矽烷，鍺源氣體為鍺烷， 載氣為氫氣，生長溫度為600 680°C。
10.如權利要求1所述的高鍺濃度的鍺矽外延方法，其特徵在於，所述鍺矽外延薄膜中硼的濃度為1E18 5E20/cm3，所述鍺矽外延薄膜中碳的濃度為1E19 5E20/cm3。
全文摘要
本發明公開了一種高鍺濃度的鍺矽外延方法，當通入矽烷和鍺烷氣體時，以降低矽烷和鍺烷的百分比來增加鍺矽外延的鍺的含量，在相同的鍺源流量時，隨著矽源流量的降低，鍺濃度有較大的提高，最終能夠得到鍺原子百分比為25～35％的無缺陷的鍺矽外延薄膜。本發明在利用現有設備的前提下，平衡了生長速率與鍺的摻雜濃度，獲得高鍺濃度的同時，外延的生長速率僅有很少的降低，能保證鍺矽外延沒有缺陷，達到器件要求，同時有足夠的產能。
文檔編號C30B25/16GK102465336SQ201010533250
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月5日 優先權日2010年11月5日
發明者季偉, 繆燕 申請人:上海華虹Nec電子有限公司