專利名稱：原位摻雜n型發(fā)射極的摻雜分布改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及雙極性工藝，更具體地涉及通過(guò)用鍺(Ge) 共摻雜外延層作為最初幾秒的沉積來(lái)使N型原位慘雜硅外延(印i) 層摻雜分布的主斜率更陡峭的工藝。
背景技術(shù)：
在一般的雙極性工藝中，典型地按照?qǐng)D1中示出的下列步驟形 成晶體管的發(fā)射極-基極結(jié)。首先，在步驟A，在單晶硅基片12中注 入硼(B) 10。隨后，如步驟B所示，在基片12的頂部沉積多晶硅層 (poly) 14，用非常薄的氧化硅層16把基片12和多晶硅層14隔離 開(kāi)。多晶硅層14必須是利用原位摻雜的N型摻雜，或者是首先生長(zhǎng) 未摻雜多晶硅的N型摻雜，然后在多晶硅層上注入砷(As)、磷(P) 或銻(Sb)。其中，常用的是As， P次之，而Sb很少用。最后，如 步驟C所示，在高溫處理中形成發(fā)射極-基極結(jié)18。高溫導(dǎo)致B和As (或P/Sb)擴(kuò)散。在B和As的擴(kuò)散前沿接觸的地方形成結(jié)18。高溫 可以導(dǎo)致界面氧化物層16分解，導(dǎo)致多晶硅層14的某種再結(jié)晶。
在圖2中描述了摻雜分布(1)注入(實(shí)線)；(2)在形成 發(fā)射極-基極結(jié)的高溫處理之后(短劃線)。As分布20顯示在圖的 左側(cè)以及B分布22顯示在圖的右側(cè)，圖中，y軸表示濃度，x軸表示 深度。由于多晶硅的擴(kuò)散常數(shù)比單晶硅的高幾個(gè)量級(jí)的事實(shí)，所以當(dāng) 放置在足夠高的溫度以驅(qū)使As原子穿過(guò)界面氧化層進(jìn)入基片時(shí)，注 入的高斯分布極有可能變成平坦的。因此，在放置在合適的溫度預(yù)算 后，多晶硅中的As分布24幾乎變成平坦的。
在單晶硅和多晶硅之間的界面氧化物16降低了晶體管的基極電 流，并引起高電流放大系數(shù)。它還像多晶硅層14中的晶界那樣對(duì)發(fā) 射極中的串聯(lián)電阻有貢獻(xiàn)。
在最近的發(fā)展中，原位B摻雜外延層己經(jīng)取代了硼基極注入， 這樣可以更好地控制摻雜分布。利用摻雜濃度的突變可以形成真正的
塊狀慘雜分布。例如，在SiGe HBT (異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管)中采用 基于低溫外延性而不是基于注入以確定摻雜分布的技術(shù)，不僅可以確 定B的分布，還可以確定Si以及，如果適用的話，可以確定C的分 布。陡峭的摻雜劑變化和更薄的層，加上SiGe帶隙工程，對(duì)這些晶 體管產(chǎn)生非常高的操作頻率。
由于尺寸的減小，更加難以均勻地在這些晶體管中注入多晶發(fā) 射極，從而，原位摻雜多晶硅成為主流。由于發(fā)射極電阻成為高頻操 作中的限制因素，降低該電阻是非常有利的。通過(guò)生長(zhǎng)外延層，而不 是生長(zhǎng)多晶硅層，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射極電阻的降低。由于在外延中缺少晶 界，所以外延層的電阻率要比多晶硅層的電阻率低。而且，很明顯當(dāng) 頂層是外延生長(zhǎng)時(shí)，沒(méi)有增加電阻的界面氧化層。
圖3描述了外延地生長(zhǎng)一個(gè)發(fā)射極的工藝步驟。步驟A描述了 生長(zhǎng)一個(gè)B摻雜基極外延層26的結(jié)果(在HBT中，SiGe層和C摻雜 SiGe層也是外延生長(zhǎng)的，在圖中未示出)。步驟B描述了在外延生 長(zhǎng)As摻雜頂層(也就是單晶發(fā)射極層)28的工藝。要注意這里沒(méi)有 界面氧化層。步驟C描述了進(jìn)行高溫處理后的工藝，發(fā)射極-基極結(jié) 30被形成。
雖然多晶發(fā)射極和單晶發(fā)射極的工藝步驟看起來(lái)非常的相似， 但這里有很大的區(qū)別。在示出了沉積的基極層和單晶發(fā)射極層的摻雜 分布的圖4中，這些區(qū)別非常明顯。與圖2相似，圖4示出了生長(zhǎng)的 摻雜分布(實(shí)線)和高溫處理后的摻雜分布(短劃線)。再次，As 的分布32顯示在圖的左側(cè)，B的分布34顯示在圖的右側(cè)。要注意塊 狀摻雜分布是通過(guò)低溫外延性獲得的。將圖4和圖2進(jìn)行比較，可以 看到得到了更陡峭的摻雜分布。更陡峭的摻雜分布允許晶體管垂直方 向的尺寸減小，從而增強(qiáng)晶體管的高頻性能。
不幸的是，實(shí)際上，As的摻雜分布并不像圖4中所畫(huà)的那么理想。將As和其他用于低溫外延摻雜的摻雜劑(例如，B、 Ge、 C)進(jìn) 行比較，這些摻雜劑可以生長(zhǎng)超過(guò)SIMS (次級(jí)離子質(zhì)譜法，對(duì)這些層
的一種分析方法)分辨能力的有陡峭斜率的塊狀，As分布的斜率的
陡峭度不是很好。在打開(kāi)AsH3氣流后，As的濃度傾向于緩慢增加， 直到達(dá)到均衡值。例如，見(jiàn)W. B.de Boer， F. Roozeboora著，題為 "Advances in Rapid Thermal and Integrated Processing, ，，， Kluwer Academic Publishers出版，101 Philip Drive, Norwell， MA 02601， ISBN 0-7923-4011-6， p. 443-463(1995)。這個(gè)問(wèn)題非常糟糕，以至于 非常難以控制外延生長(zhǎng)的薄層中的As摻雜水平。例如，見(jiàn)De Boer 于2003年6月17日提交的題目為"phosphorus Dopant Control in Low Temperature Si and SiGe Epitaxy"的美國(guó)專利6,579,752， 該專利中的內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。雖然單晶發(fā)射極在厚度和摻雜水 平方面可能不是非常重要，但在發(fā)射極層生長(zhǎng)開(kāi)始處的斜率分布是不 希望看到的。也就是，陡峭的斜率能夠減小晶體管的垂直方向尺寸， 從而增強(qiáng)它的速度。當(dāng)斜率變得平緩時(shí)，就失去了這個(gè)好處。
圖5是一個(gè)砷摻雜單晶發(fā)射極層的SIMS (二次離子質(zhì)譜)圖， 清楚地示出了在AsH3氣流被打開(kāi)后As濃度上升的低速度。在濃度達(dá) 到均衡水平之前的長(zhǎng)斜率在低溫外延中對(duì)于N型慘雜劑是非常典型 的。大約23nm/dec的斜率要比4-6nra/dec弱得多，當(dāng)SIMS分辨率測(cè) 定斜率時(shí)，4-6nm/dec是通常形成真正的塊狀分布的斜率。23nra/dec 的斜率是真實(shí)的，并不是由SIMS測(cè)定的。
(注意到當(dāng)SIMS分布是以對(duì)數(shù)標(biāo)尺繪制時(shí)，這種標(biāo)尺上的線的 斜率通常以nm/dec表示，也就是，需要多少水平標(biāo)尺來(lái)表示濃度增 加10倍。數(shù)越小，斜率越陡。)
改善斜率陡峭度的己知方法是在開(kāi)始生長(zhǎng)之前將生長(zhǎng)外延層的 表面放置在確定濃度的AsHs中。例如，見(jiàn)W.D. vanNoor等人著，題 為"Advance in Rapid Thermal Processing, ，， The Electrochemical Society Proceedings, Volume 99-10， ISBN 1-56677-232-X， p. 335-342 (1999)。然而，在這些As高濃度時(shí)，存在的風(fēng)險(xiǎn)是可能超 過(guò)均衡濃度，這會(huì)在隨后的外延層中導(dǎo)致結(jié)晶缺陷。通常，這些缺陷 是不希望看到的，尤其是因?yàn)檫@些缺陷源于非常敏感并對(duì)晶體管性能 有很大影響的界面，這與從多晶發(fā)射極中知道的一樣。不能確定在單
晶發(fā)射極所需的高濃度中這種方法(也就是再生長(zhǎng)之前將表面放置在 AS濃度中)如何有效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種改進(jìn)生長(zhǎng)單晶發(fā)射極時(shí)N型摻雜分布的斜率陡 峭度的方法。在生長(zhǎng)的最初幾秒時(shí)間內(nèi)，鍺(Ge)源(例如GeHJ被 加入氣流中。單晶發(fā)射極層的剩余部分像通常那樣沉積，僅將硅源(例 如SiH4)和N型摻雜源(例如AsH3)加入Ha的主流中。利用這種技 術(shù)，N型摻雜劑幾乎立刻達(dá)到它的均衡濃度。
在第一方面，本發(fā)明提供了一種用以形成發(fā)射極-基極結(jié)的方法，包含步驟提供基區(qū)外延層；以及利用包含一組工藝氣體的氣流 在基區(qū)外延層上生長(zhǎng)摻雜的單晶發(fā)射極層，其中，氣流包括加入到工 藝氣體中作為最初幾秒鐘的氣流的鍺源。
在第二方面，本發(fā)明提供了一種加工晶片的方法，包含下列步驟將晶片放入反應(yīng)腔；在處理之前保持反應(yīng)腔內(nèi)的已經(jīng)升高的溫度； 使氫氣通過(guò)反應(yīng)腔；打開(kāi)一組工藝氣體，其中，工藝氣體中包括鍺源； 在幾秒內(nèi)關(guān)閉鍺源；以及在足夠長(zhǎng)的時(shí)間后關(guān)閉剩余的工藝氣體。
在第三方面，本發(fā)明提供了一種加工半導(dǎo)體的方法，包含利 用包含一組工藝氣體的氣流在基區(qū)層生長(zhǎng)摻雜的單晶發(fā)射極層，其 中，氣流包括加入到工藝氣體中作為最初幾秒鐘的氣流的鍺源(Ge)。


結(jié)合附圖，從本發(fā)明的多個(gè)方面的下列詳細(xì)描述中可以更容易地理解本發(fā)明的這些和其他特征，其中
圖1描述了利用多晶硅層形成發(fā)射極-基極結(jié)的步驟；
圖2描述了用以形成發(fā)射極-基極結(jié)時(shí)在注入時(shí)和在高溫處理后
的摻雜分布；
圖3描述了利用外延層而不是利用多晶硅層形成發(fā)射極-基極結(jié) 的可供選擇的方法的步驟；
圖4描述了利用外延層形成發(fā)射極-基極結(jié)時(shí)在注入時(shí)和在高溫
處理后的摻雜分布；
圖5描述了砷摻雜單晶發(fā)射極層的SIMS圖6描述了按照本發(fā)明在界面有一個(gè)鍺峰的砷摻雜單晶發(fā)射極 層的SIMS圖7描述了按照本發(fā)明在界面有一個(gè)鍺峰的砷慘雜單晶發(fā)射極 層的第二張SIMS圖8描述了示出實(shí)現(xiàn)按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
描述了本發(fā)明的一個(gè)提供一種用以利用外延層生長(zhǎng)發(fā)射極-基 極結(jié)的方法的圖示實(shí)施例，該方法包括在As摻雜外延層開(kāi)始生長(zhǎng)時(shí) 將鍺(Ge)源(例如GeH4)加入氣流幾秒鐘的步驟。這不僅在B摻雜 基片的界面生成一個(gè)Ge峰，而且改善了 As分布的斜率。在SiGe中 并入As與在Si中并入As不同，其區(qū)別在于一個(gè)非常薄的SiGe層足 夠很快地達(dá)到一個(gè)非常高的As濃度，從而，斜率很陡峭。圖6示出 了界面上有一個(gè)Ge峰40的單晶發(fā)射極層的SIMS圖。對(duì)于不加GeH4 制成的單晶發(fā)射極層而言，As分布46的前沿斜率相對(duì)于圖5中所示 的SIMS圖有了顯著改善?？梢钥闯觯鄬?duì)于圖5中的23nra/dec的 斜率44，圖6中的斜率46大約是4nm/dec。
參照?qǐng)D8，下面描述了如何在界面生長(zhǎng)一個(gè)有Ge峰的As摻雜單 晶發(fā)射極層。首先，在步驟S1，以外延層沉積的Si窗中沒(méi)有剩余或 很少剩余自然氧化物的方式清洗晶片。其次，在步驟S2，晶片被放 置在外延反應(yīng)腔的負(fù)載鎖定裝置中，例如，ASM EPSILONTM 2000，要 注意晶片暴露到鄰近空氣中的部分要盡可能地小。在步驟S3，執(zhí)行 循環(huán)換氣以從負(fù)載鎖定裝置中排除空氣，然后，將晶片移至反應(yīng)腔中。
在步驟S4，在反應(yīng)腔中的晶片溫度保持在70(TC左右。大約20
標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(slm)的連續(xù)氫氣流也持續(xù)通過(guò)反應(yīng)腔。在外延生長(zhǎng)之 前，溫度比沉積溫度高的通常烘焙階段(清除自然氧化物)被跳過(guò)， 以降低晶片的溫度預(yù)算。在打開(kāi)工藝氣體之前，晶片會(huì)在70(TC的腔 內(nèi)停留一分鐘以穩(wěn)定它的溫度。這足夠生長(zhǎng)一個(gè)高質(zhì)量的外延層。在
步驟S5，打開(kāi)工藝氣體。在該圖示的實(shí)施例中，工藝氣體大約包括
100標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘(sccm)的SiH4 (100%) 、 50sccm的GeH4 (1% 的H2)和180sccm的AsH3(0. 7%的H2) 。 &流持續(xù)保持在大約20slm， 在大氣壓下完成沉積過(guò)程。在步驟S6，大約2秒后，關(guān)閉GeHr流。 其他的氣流在關(guān)閉前保持大約180多秒。在步驟S7，在工藝氣體被 排出反應(yīng)腔之后，將晶片從反應(yīng)腔中移開(kāi)，在晶片被拆下來(lái)之前冷卻 晶片。
應(yīng)當(dāng)理解的是，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，可以改變鍺源 被加入工藝氣體的特定持續(xù)時(shí)間。通常，在很小部分(典型地5%) 或更少部分的所需時(shí)間內(nèi)加入Ge以生長(zhǎng)單晶發(fā)射極。
如圖6描述的那樣，該工藝使得外延層具有在界面處的Ge峰40 以及As分布的陡峭主斜率46的摻雜分布。圖7示出了在5秒鐘內(nèi) Si仏流增加至150sccm, GeH4 (1%)流降低至只有10sccm的情況下的 SIMS圖。圖7中該層的SIMA圖示出了一個(gè)像預(yù)料的那樣的更小的Ge 峰42?？梢钥闯觯档虶e峰42使As分布的前沿斜率48惡化。因 此，更小的Ge峰42在改善As分布的前沿斜率48的陡峭方面效果很 小。斜率從圖6 (具有大的Ge峰40)中的4nm/dec惡化至圖7中的 17mn/dec(具有小的Ge峰42)，惡化至圖5中沒(méi)有應(yīng)用Ge時(shí)的 23腿/dec。
雖然這里的描述參照HBT技術(shù)中的單晶發(fā)射極，但是應(yīng)當(dāng)理解 的是這里描述的方法可以被用于普遍改進(jìn)原位沉積N型摻雜層的主 斜率。例如，該方法可以用于利用化學(xué)氣相沉積(CVD)的As、 P和 Sb摻雜原位外延和多晶硅沉積層。而且，應(yīng)理解的是本發(fā)明可以應(yīng) 用適于利用CVD來(lái)生長(zhǎng)Si層的任何Si源。最通常的源是SiH4、Si2H6、 Si3H8、 SiH2Cl2、 SiHCh和SiCl4。可以使用任何適于生長(zhǎng)SiGe層的 Ge源，例如GeH4、 GeCl4。
該方法在600-85(TC的溫度范圍內(nèi)特別有用，其中，溫度上限取 決于擴(kuò)散(例如，在HBT中，由擴(kuò)散導(dǎo)致的基極B分布惡化)，以及 下限取決于生長(zhǎng)率(例如，低于60(TC，在沉積相對(duì)厚的層時(shí)，生長(zhǎng) 率太低而沒(méi)有現(xiàn)實(shí)意義)。
由于SIMS不能完全解析峰值，也許最好是以劑量(at/cm2)形 式表示的峰值中的Ge含量應(yīng)當(dāng)高于2E14at/cm2,這個(gè)大概是圖7的 Ge峰的(不足的)Ge含量。大約5E14 at/cm2 (在處理(100個(gè))晶 向硅片(oriented silicon wafer)時(shí)，幾乎半個(gè)單層)或者更高的 Ge劑量可以提供足夠的結(jié)果。
注意到，本發(fā)明通?？梢詰?yīng)用于改善在通過(guò)CVD生長(zhǎng)的Si層上 的N型摻雜劑的分布。本發(fā)明非常有用的一個(gè)說(shuō)明性領(lǐng)域是，在雙極 性(叩n)晶體管中的發(fā)射極通過(guò)CVD方法制成并且是原位摻雜時(shí)， 更好地控制發(fā)射極的摻雜劑分布。當(dāng)發(fā)射極是外延生長(zhǎng)的(單晶發(fā)射 極)時(shí)，由于本發(fā)明使N型摻雜劑分布的主要斜率變得更陡峭，因此 將改善晶體管的性能。除了更好的分布控制外，本發(fā)明還允許減小晶 體管的垂直尺寸，這會(huì)帶來(lái)更好的高頻性能。
為了描述和說(shuō)明目的而呈現(xiàn)本發(fā)明的以上描述。并非意在窮盡 或?qū)⒈景l(fā)明限定為公開(kāi)的確切形式，并且明顯可以進(jìn)行很多的修改和 變化。這些對(duì)所屬技術(shù)領(lǐng)域人員很明顯的修改和變化應(yīng)該被包括在由 所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種形成發(fā)射極-基極結(jié)的方法，包括步驟提供基極層(26)；以及利用包含一組工藝氣體的氣流在基極層(26)上生長(zhǎng)一個(gè)摻雜的單晶發(fā)射極層(28)，其中，氣流包括加入到工藝氣體中作為最初幾秒的氣流的鍺(Ge)源。
2. 按照權(quán)利要求l所述的方法，其中，基極層包含一個(gè)硼摻雜 基極外延層。
3. 按照權(quán)利要求2所述的方法，其中，摻雜的單晶發(fā)射極層是 從包含砷摻雜外延層、磷摻雜外延層和銻摻雜外延層的組中選擇的。
4. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，在大約5%或更少的生長(zhǎng) 摻雜單晶發(fā)射極層所需的時(shí)間內(nèi)加入鍺源。
5. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，鍺源是從包含GeH4和 GeCl,的組中選擇的。
6. 按照權(quán)利要求l所述的方法，其中，工藝氣體另外還包括 硅源和砷源。
7. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，基極層包含一個(gè)碳摻雜 SiGe層。
8. —種加工晶片的方法，其中包括下列步驟 將晶片放入反應(yīng)腔；在處理之前保持反應(yīng)腔內(nèi)已升高的溫度； 使氫氣通過(guò)反應(yīng)腔；打開(kāi)一組工藝氣體，其中，工藝氣體中包括鍺(Ge)源； 在頭幾秒內(nèi)關(guān)閉鍺源；和 在足夠長(zhǎng)的隨后時(shí)間后關(guān)閉剩余的工藝氣體。
9. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其中，已升高的溫度大約是 700°C 。
10. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其中，已升高的溫度持續(xù)提 供大約1分鐘。
11. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其中，工藝氣體包括硅源和砷源。
12. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其中，鍺源是從包含GeH4和 GeCl4的組中選擇的。
13. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其中，在大約5%或更少的生 長(zhǎng)摻雜單晶發(fā)射極層所需的時(shí)間內(nèi)加入鍺源。
14. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其中，在大約180秒后關(guān)閉 剩余的工藝氣體。
15. —種加工半導(dǎo)體的方法，包括步驟利用包含一組工藝氣體的氣流在基極外延層(26)上生長(zhǎng)一個(gè) 摻雜單晶發(fā)射極層(28)，其中氣流包括加入到工藝氣體中作為最初 幾秒的氣流的鍺(Ge)源。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種形成發(fā)射極-基極結(jié)的原位摻雜N型發(fā)射極的摻雜分布改進(jìn)的方法。該方法包括以下步驟提供一個(gè)基極層(26)；并利用包含一組工藝氣體的氣流在基極層(26)上生長(zhǎng)摻雜的單晶發(fā)射極層(28)，其中，氣流包括在工藝氣體中加入鍺(Ge)源以作為最初幾秒的氣流。
文檔編號(hào)H01L21/331GK101208785SQ200680023313
公開(kāi)日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2006年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月28日
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