專利名稱：在半導(dǎo)體襯底上制造外延層的方法及用這種方法制造的器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在半導(dǎo)體襯底上生長外延層?，F(xiàn)在，將許多半導(dǎo)體器件制造到在半導(dǎo)體襯底上生長的外延層中或?qū)由?。在半?dǎo)體襯底上生長這種外延層要求將輕摻雜層(例如，1E14-1E17原子/cm3)外延沉積到重?fù)诫s襯底(例如，1E19-1E21原子/cm3)上或這種襯底的一部分上。所述襯底可以采用摻雜劑均勻地?fù)诫s，或可以包括多個(gè)掩埋層。這種掩模層存在于預(yù)定位置中。它們可以在全部襯底上是相同的導(dǎo)電類型，即或者是p型或者是n型，或者備選地，可以將不同導(dǎo)電類型的掩埋層設(shè)置在所述襯底上的不同位置中。在所述襯底上的外延沉積期間，摻雜劑可以非故意地從以下幾個(gè)來源進(jìn)入所述生長外延層-向外擴(kuò)散這涉及摻雜劑從重?fù)诫s襯底到生長外延層中的固態(tài)源擴(kuò)散；-氣相自動(dòng)摻雜這涉及摻雜劑從重?fù)诫s襯底蒸發(fā)到圍繞所述襯底的空間中，并且將相同的摻雜劑再結(jié)合到所述生長外延層中。
背景技術(shù)：
如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的，在垂直自動(dòng)摻雜和側(cè)向自動(dòng)摻雜之間常常有差別。如果沒有向外擴(kuò)散和自動(dòng)摻雜，摻雜濃度將從高摻雜襯底到輕摻雜外延層突然地變化。從在所述外延層中形成的器件性能的觀點(diǎn)來看，這種情況是優(yōu)選的情況。然而，由于向外擴(kuò)散和自動(dòng)摻雜，這種濃度變化并不是如所需要那樣的突然。
已經(jīng)進(jìn)行了許多嘗試以防止自動(dòng)摻雜和/或向外擴(kuò)散。在US2003/0082882中公開了一種防止自動(dòng)摻雜和/或向外擴(kuò)散的方式。該現(xiàn)有技術(shù)公開了使用襯底中的掩埋集電極區(qū)上的擴(kuò)散阻擋層，例如包括高濃度的硼(B)。例如，所述擴(kuò)散阻擋層包括硅-鍺-碳(SiGeC)。這種擴(kuò)散阻擋層公知為當(dāng)所述外延層生長到所述襯底上時(shí)，阻止B從所述掩埋阻擋層的向外擴(kuò)散。這種擴(kuò)散阻擋層也可以用于所述掩埋層中的其它p型材料。然而，對(duì)于象砷(As)或磷(P)那樣的n型材料，使用SiGeC作為擴(kuò)散阻擋層是不可以的。這是因?yàn)橄驛s或P那樣的n型材料易于擴(kuò)散到SiGeC中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在半導(dǎo)體襯底上生長外延層的方法，導(dǎo)致n型摻雜劑較少地自動(dòng)摻雜和/或向外擴(kuò)散到所述襯底中，所述襯底已經(jīng)用摻雜劑摻雜。
為此目的，本發(fā)明提出了如權(quán)利要求1所述的方法。
權(quán)利要求2限定了權(quán)利要求1所述方法的備選。
本發(fā)明是基于以下認(rèn)識(shí)可以將襯底的頂部上的Si-X層之內(nèi)的X原子(可能包括Ge)用于在可觀的程度上防止在襯底上生長所述外延層期間，n型摻雜劑從摻雜襯底上逃逸，盡管象As那樣的n型原子容易擴(kuò)散到SiGe(C)層中。如以下詳細(xì)解釋的，這可以通過以下方法實(shí)現(xiàn)通過在生長外延層之前使用X原子，以將n型摻雜劑更深地推入摻雜襯底中，使得減小了襯底表面上的薄頂層中的n型摻雜劑的量。原子X將n型原子從襯底的表面推入半導(dǎo)體襯底中的效應(yīng)由氧化作用引起，由此，在所述襯底已經(jīng)配置有Si-X層之后、并且在生長外延層之前，在襯底上形成二氧化硅(SiO2)層?？梢宰C明，象As那樣的摻雜劑原子在該氧化期間在SiO2/Si界面處一定程度上由X原子代替。因此，當(dāng)去除所述SiO2時(shí)，頂部層導(dǎo)致包括減少量的n型摻雜劑。當(dāng)隨后將外延層生長于襯底上時(shí)，在襯底的頂部層上將存在更少的n型摻雜劑，導(dǎo)致更少的n型摻雜劑自動(dòng)摻雜和/或向外擴(kuò)散。


現(xiàn)在將參考一些示例解釋本發(fā)明，不是意欲限制本發(fā)明的范圍，僅是為了說明本發(fā)明。
圖1a至圖1f示出了將外延層生長到硅襯底上的一個(gè)示例，具有減小的向外擴(kuò)散和/或自動(dòng)摻雜。
圖2示出了在襯底中和襯底頂部上的外延層中的n型摻雜劑的測(cè)量分布。
圖3按照放大比例示出了圖2的一部分。
將參考圖1a至圖1f解釋根據(jù)本發(fā)明方法的示例。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了p型襯底1。p型襯底1可以是整個(gè)為p型的大襯底的一部分。備選地，p型襯底1可以是具有不同的p型部分和n型部分的大襯底的一部分。在大多數(shù)情況下，將p型襯底1摻雜到典型地1E15原子/cm3的水平。例如，摻雜劑可以是硼(B)，但是備選地，襯底1可以是本征型的。作為另外的備選，襯底可以是n型的，盡管這不是標(biāo)準(zhǔn)的?？梢詫⒁r底1設(shè)置為另一個(gè)層(未示出)上的薄層，例如，絕緣層等。
在下一個(gè)動(dòng)作中，圖1b，將薄層5生長到襯底1上。薄層5包括Si-X，其中X例如包括Ge。X還可以包括一些碳C。如果使用Ge，Ge的量可以是10at％。然而，可以使用其它量的Ge，只要在隨后的工藝期間不會(huì)發(fā)生應(yīng)變層的弛豫。典型的值在5at％至30at％的范圍。
層5可以具有5-15nm的厚度。然而，本發(fā)明沒有限制所述層5具有這樣的厚度。
在下一個(gè)步驟中，也如圖1b所示，將Si本征層7生長到薄層5上。本征層7可以具有180nm的厚度，然而這只是打算作為示例。
如果X＝Ge，可以在一個(gè)相同的外延生長動(dòng)作中生長層5和層7。可以在973K(700℃)的溫度、532Pa(40torr)的壓力、H2＝20slm、SiH2Cl2＝20sccm、GeH4＝40sccm的外延生長動(dòng)作中生長SiGe。SiGe層5的厚度對(duì)于25秒或1分15秒的沉積時(shí)間將分別是5或15nm。然后在4分25秒期間，在相同的溫度和壓力條件下，將SiH2Cl2的供應(yīng)改變?yōu)?00sccm的SiH4的供應(yīng)，而生長Si層7。
接下來，也如圖1b所示，將SiO2的薄層2形成于層5上。例如，這可以在干法氧化作用中實(shí)現(xiàn)。SiO2層2的厚度可以是20nm。然而，如果需要，SiO2層可以具有任意其它厚度。
在已經(jīng)產(chǎn)生了SiO2層2之后，執(zhí)行n型注入動(dòng)作。在圖1c的示例中，將As用作注入摻雜劑。然而，可以代替地使用P、或任意其它合適的n型摻雜劑。可以采用E＝50KeV的能量和1E16原子/cm-2的劑量注入As原子。然而，可以使用其它數(shù)字，例如能量可以在10和150keV之間，并且劑量可以在1E15cm-2至2E16cm-2之間。
如圖1d所示，掩埋層3將導(dǎo)致延伸到襯底1內(nèi)比Si-X層5更深。注意，如圖1d所示，襯底1、Si-X層5和本征Si層7全部包括摻雜劑原子(例如，As)。
在已經(jīng)將n型摻雜劑注入到襯底中以形成掩埋層3之后，例如通過剝離去除SiO2層2。觀察到使用SiO2作為層2可能是優(yōu)選的，但是本發(fā)明不局限于使用SiO2?？梢源娴厥褂萌我馄渌线m的絕緣層2。
在已經(jīng)去除了SiO2層2之后，通過干法氧化生長10nm厚的另一個(gè)SiO2層(未示出)。該SiO2層用作隨后退火動(dòng)作的帽層。該退火動(dòng)作可以在50分鐘的時(shí)間段期間在約1373K(約1100℃)的溫度下進(jìn)行。如果需要，可以使用其它溫度或時(shí)間段。
在下一個(gè)動(dòng)作中，如圖1e所示，將SiO2層9生長到襯底上。這可以通過約1323K(約1050℃)下的濕法氧化實(shí)現(xiàn)，將180nm厚的Si層7轉(zhuǎn)化為SiO2層9。在這種情況下，SiO2層9的厚度可以是約250nm。然而，如果需要，SiO2層9可以具有其它厚度。在SiO2層9的生長期間可能發(fā)生幾種效應(yīng)。首先，將Si層4中的n型摻雜劑推入到襯底中。在一定的時(shí)刻，生長的SiO2到達(dá)Si-X層5。如果Si-X層5包括SiGe，將Ge原子推入到襯底1中SiO2和Si的界面處。然而，也將n型原子(例如As)推入到襯底1中所述SiO2/Si界面處。因?yàn)橐呀?jīng)移動(dòng)了這些原子，現(xiàn)在可以將SiGe層稱為5’，并且現(xiàn)在掩模層稱為3’。可以示出Ge原子比諸如As之類的n型摻雜劑原子更難以被推入到襯底1中，結(jié)果將As原子比Ge原子更深地推入到襯底1中。Ge占據(jù)了本來As原子應(yīng)該占據(jù)的位置，導(dǎo)致SiO2/Si界面處的高Ge濃度和減小的As濃度。同時(shí)，在SiGe層5內(nèi)部的Ge的量不是太大的情況下，即進(jìn)一步遠(yuǎn)離該界面的情況下，As易于擴(kuò)散入SiGe層中。這會(huì)導(dǎo)致了具有減小的n型摻雜劑濃度和增加的Ge濃度的頂部層的層5’。
在襯底1上產(chǎn)生外延層的方法中的下一個(gè)動(dòng)作將參考圖1f解釋。首先，去除SiO2層9。例如，這可以通過在2％體積比的HF酸水溶液中HF浸漬40分鐘、接下來在約1273K(約1000℃)下H2烘烤30秒來實(shí)現(xiàn)(H2＝60slm、P＝532Pa(40torr))。可以使用其它濃度、溫度和時(shí)間段。還可以使用去除SiO2層4的備選方法。然后，將外延層6生長到襯底上，例如在1273K(約1000℃)的溫度、30秒的時(shí)間段、H2＝60slm、P＝532Pa(40torr)、SiH2Cl2＝300sccm下。然后外延層6將具有340nm的厚度，并且優(yōu)選地是本征的。可以使用其它厚度。類似地，可以使用其它溫度和時(shí)間段。
圖2示出了在生長外延層6之后，以原子/cm3為單位的As作為以微米為單位的距上表面深度的函數(shù)的測(cè)量分布。也參考圖3，按照放大比例示出圖2的一部分，涉及0.15至0.35微米之間的深度。
正如可以從圖2和圖3清楚地看出的那樣，與掩埋層3’相比，實(shí)質(zhì)上減小了外延層6內(nèi)部的As濃度，向下延伸到0.34微米。在生長外延層6期間，沒有完全地防止As向外擴(kuò)散到外延層6中，但是強(qiáng)烈地減小了這種向外擴(kuò)散。尤其是如果使用15nm的SiGe層5，該分布示出了As向外擴(kuò)散比層6的外延生長減慢，導(dǎo)致比現(xiàn)有技術(shù)更少的向外擴(kuò)散。
此外，如上所示，在SiO2層9的生長期間，As已經(jīng)容易地?cái)U(kuò)散到SiGe層5’中，其中SiGe層5’內(nèi)部的Ge量不是太多，即，不是直接在SiO2和Si界面處，而是在離開所述界面一定距離處。由于As進(jìn)入SiGe層中富Ge區(qū)下方的這種高擴(kuò)散能力，并且由于Si中Ge的總?cè)芙舛?，在SiO2層9和掩埋層3’之間的界面處形成有序的SiGe層。該高度有序的SiGe層形成非常平坦的界面，作為用于隨后外延生長的極好基礎(chǔ)。
因此，本發(fā)明的一般概念是在SiO2/Si界面處用具有“更高”離析(segregation)性質(zhì)的另一種原子X來代替襯底中的n型摻雜劑。這導(dǎo)致以下優(yōu)點(diǎn)SiO2/Si界面的粗糙度由夾在SiO2層和Si襯底1之間的Si-X層5、5’來控制。這允許使用更高的n型摻雜劑濃度(或注入劑量)；掩埋層的頂部層處的減小量的n型摻雜劑減小了自動(dòng)摻雜和/或向外擴(kuò)散。
如圖1f所示的半導(dǎo)體襯底形成了中間產(chǎn)物?？梢詫⒀诼駥?’用作pnp-晶體管中的集電極?？梢詫⑷糠N類的不同(半導(dǎo)體)部件制作在外延層6的頂部中或頂部上，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的。
以上已經(jīng)示出了可以將SiGe層用在n型掩埋層的制造中。例如正如在US 2003/0082882中解釋的那樣，在產(chǎn)生具有減小的自動(dòng)摻雜和/或向外擴(kuò)散的p型掩埋層時(shí)，如上解釋的方法與SiGe層的使用兼容，可選地具有預(yù)定量的C。然而要注意的是，將SiGe層按照完全不同的方式使用，即當(dāng)將SiGe層用在p型掩埋層上時(shí)，當(dāng)隨后生長外延層時(shí)將SiGe層用作保持在原位的擴(kuò)散阻擋層。通過如本發(fā)明那樣生長SiO2層，沒有將Ge和摻雜劑原子推入到硅襯底中。
參考圖1a至圖1f解釋的工藝動(dòng)作僅作為示例。對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯然的是，一些修改是可能的。
例如，如圖1b和圖1c的動(dòng)作可以顛倒，即可以在將SiGe層5(或除了Ge之外的任意合適原子種類)設(shè)置在襯底1上之前，首先形成掩埋層3。例如，這可以通過將絕緣層2直接設(shè)置在襯底1上、然后例如采用As執(zhí)行n型注入來實(shí)現(xiàn)，如參考圖1c所解釋的那樣。然后可以去除絕緣層2，并且可以形成SiGe層5和Si層7。如果執(zhí)行這些動(dòng)作，SiGe層5可以包括比參考圖1a至圖1d所解釋的方法中更少的n型摻雜劑。
可以根據(jù)在掩埋n型層的邊緣處具有陡峭的摻雜分布的本發(fā)明制造的外延層中制造雙極型晶體管。因?yàn)樵黾恿穗p極型晶體管的工作頻率(可以是＞200GHz)，這是非常有利的。
為了總結(jié)，可以通過本發(fā)明一次獲得以下優(yōu)點(diǎn)1.在生長外延層期間減小自動(dòng)摻雜和/或向外擴(kuò)散；2.減小了生長外延層之前掩埋層的表面粗糙度，這轉(zhuǎn)換為在其后制造的外延層中或上面較高質(zhì)量的外延層和器件；以及3.在掩埋n型層的邊緣處所得到的摻雜分布比現(xiàn)有技術(shù)陡峭。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體產(chǎn)品的方法，包括步驟提供半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底的至少一部分上提供Si-X層，所述Si-X層具有第一深度和表示預(yù)定原子種類的X；向所述半導(dǎo)體襯底的所述至少一部分提供具有n型摻雜劑材料并且具有實(shí)質(zhì)大于所述第一深度的第二深度的摻雜層；執(zhí)行氧化作用以在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)部形成具有二氧化硅/硅界面的二氧化硅層，使得在所述二氧化硅/硅界面處通過所述二氧化硅層將X原子和n型原子推入到所述半導(dǎo)體襯底中，選擇所述X原子使得它們?cè)谒龆趸?硅界面處具有比所述n型原子更高的離析性質(zhì)；去除所述二氧化硅層；在所述半導(dǎo)體襯底上生長硅外延層。
2.一種制造硅半導(dǎo)體襯底的方法，包括步驟提供半導(dǎo)體襯底；向所述半導(dǎo)體襯底的至少一部分提供具有n型摻雜劑材料并且具有第一深度的摻雜層；在所述半導(dǎo)體襯底的所述至少一部分上提供Si-X層，具有實(shí)質(zhì)小于所述第一深度的第二深度，X表示預(yù)定的原子種類；執(zhí)行氧化動(dòng)作以在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)部形成具有二氧化硅/硅界面的二氧化硅層，使得在所述二氧化硅/硅界面處通過所述二氧化硅層將X原子和n型原子推入到所述半導(dǎo)體襯底中，選擇所述X原子使得它們?cè)谒龆趸?硅界面處具有比所述n型原子更高的離析性質(zhì)；去除所述二氧化硅層；在所述半導(dǎo)體襯底上生長硅外延層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述X原子種類包括Ge。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述n型摻雜劑材料是As和P的至少一種。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，向所述半導(dǎo)體襯底的所述至少一部分提供摻雜層的步驟包括子步驟在所述半導(dǎo)體襯底的所述至少一部分上，提供預(yù)定厚度的絕緣層；通過所述絕緣層執(zhí)行所述n型摻雜劑材料的注入動(dòng)作以產(chǎn)生所述摻雜層；去除所述絕緣層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述絕緣層包括二氧化硅。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述Si-X層包括預(yù)定濃度的C。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述外延層包括比所述掩埋層中的摻雜劑濃度低的濃度的n型摻雜劑。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，包括步驟向所述半導(dǎo)體襯底提供至少一個(gè)其它部分，該部分具有p型摻雜層和所述p型掩埋層的頂部上的p型外延層。
10.一種半導(dǎo)體器件，通過根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法制造。
全文摘要
本發(fā)明涉及外延層的制造，包括以下步驟提供半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底上提供具有第一深度的Si－Ge層；向半導(dǎo)體襯底提供具有n型摻雜劑材料并且具有實(shí)質(zhì)大于所述第一深度的第二深度的摻雜層；執(zhí)行氧化步驟以形成二氧化硅層，使得在二氧化硅/硅界面處通過二氧化硅層將Ge原子和n型原子推入到半導(dǎo)體襯底中；其中，將n型原子比Ge原子推入更深地到半導(dǎo)體襯底中，導(dǎo)致具有減小的n型原子濃度的頂部層；去除二氧化硅層；在具有減小的向外擴(kuò)散或自動(dòng)摻雜的半導(dǎo)體襯底上生長硅外延層。
文檔編號(hào)H01L21/265GK101073148SQ200580041921
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月6日
發(fā)明者菲利浦·默尼耶-貝拉德, 亨特里?！·A·赫伊津 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司