專利名稱：用于半導體器件的外延膜生長方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于制造半導體器件的外延膜生長方法，特別涉及用化學汽相淀積(CVD)在單晶硅襯底上形成硅基材料外延膜的方法。
近來，用室(反應腔)內(nèi)壓力可設定于10-9乇以下的超高真空CVD設備在半導體襯底上生長硅(Si)外延膜或硅鍺合金(SiGe)外延膜。用超高真空CVD設備能抑制室內(nèi)氧的分壓，因而，能在接近600℃的較低溫度外延生長。
為了在硅襯底上外延生長硅膜等，必須預處理硅襯底，以除去硅襯底上形成的氧化硅膜。用超高真空CVD的常規(guī)處理方法中，用汽化作用除去氧化硅膜。用在超高真空氣氛中熱處理，使氧化硅與硅襯底反應，由此生成高揮發(fā)性的SiO分子，以除去氧化硅。由于處理溫度必須高到能實現(xiàn)反應的程度，該熱處理必須在900℃以上的溫度進行。由于在較低溫度不能進行外延生長，整個工藝的最高溫度應高于預處理溫度。為了控制半導體襯底的導電類型，對允許摻雜的雜質(zhì)如硼(B)或磷的擴散，900℃的溫度是足夠的。以前，熱預處理中的硼、磷等的擴散距離與器件的大小相比可以忽略不計，因此，雜質(zhì)擴散不構(gòu)成問題。然而，近來，隨著器件結(jié)構(gòu)小型化程度的提高，設計的結(jié)深度減小，對于制造高集成度的半導體器件而言，處理中雜質(zhì)擴散便成了問題。
為此，必須有低溫度下除去氧化硅膜的工藝，因此，研究了包括在室溫將硅襯底浸入氫氟酸(HF)水溶液中進行預處理的技術。用氫氟酸水溶液預處理后，在超高真空CVD設備中成功地進行外延生長，用電子顯微鏡觀察，或用選擇腐蝕觀察腐蝕坑，生成的外延膜中沒發(fā)現(xiàn)缺陷。
但是，用氫氟酸水溶液處理的缺點是難以去除硅襯底表面上的碳雜質(zhì)，因而，使外延膜與硅襯底的界面出現(xiàn)了高濃度碳的問題。其原因是，用氫氟酸水溶液處理難以去除硅襯底上的碳污染。
上述的熱預處理中，在超高真空下高溫熱處理使附著在氧化硅膜上的碳原子與氧原子化合，因而用汽化作用去除。因而，常規(guī)熱預處理法沒有在外延膜與硅襯底界面存在殘留的碳的問題。相反，用氫氟酸水溶液預處理，由于缺乏與硅襯底表面上的碳化合的氧，因而，不能去除碳，因而，在隨后的UHV-CVD室內(nèi)熱處理不能去除碳。因此，當繼續(xù)外延生長時，碳仍留在界面。
圖4是，用氫氟酸水溶液預處理后，硅襯底上生長的外延膜中碳的SIMS(二次離子質(zhì)譜儀)分布圖。圖中，“深度”是指離外延膜表面的距離。在襯底溫度為625℃、壓力為5×10-4乇、用Si2H6作源材料氣的條件下，用超高真空CVD進行外延生長。附圖表明，在外延膜與硅襯底界面存在5×1019/cm3的高濃度碳。界面存在的高濃度碳引起晶體缺陷，并引起PN結(jié)的較大漏電流和其它有損半導體器件電特性的缺陷。
因此，本發(fā)明的目的是，防止甚至用氫氟酸水溶液進行預處理的情況下，用超高真空CVD在硅襯底上形成外延膜過程中，在外延膜與硅襯底間的界面上存在高濃度碳。
本發(fā)明的基礎是本發(fā)明人的以下發(fā)現(xiàn)，用超高真空CVD進行外延膜的生長的溫度在725℃附近的一個溫度范圍內(nèi)時，引起所稱的“表面分凝”現(xiàn)象，外延生長中，單晶硅襯底表面上存在的碳原子朝外延膜表面向上移動，使外延膜與硅襯底間的界面上的碳濃度下降。因而，提出了按本發(fā)明的用于制造半導體器件的外延膜生長方法，它是用超高真空CVD淀積法在硅襯底上生長外延膜的方法，其特征是，用氫氟酸水溶液除去硅襯底表面上的氧化硅膜，然后，在650℃至800℃，最好在650℃至775℃的生長溫度，在硅襯底表面上生長外延膜。
通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的說明，將會更清楚理解本發(fā)明的上述目的和其它目的，發(fā)明的優(yōu)點和特征。
圖1(a)至1(c)是說明外延膜生長中碳原子向上移動(表面分凝)的示意剖視圖；圖2是沿圖1所示外延膜深度分布的碳的SIMS分布圖；圖3是在較低的材料氣體壓力下外延生長的，沿圖1所示外延膜的深度方向分布的碳的SIMS分布圖，圖4是在常規(guī)生長條件下制成的外延膜深度方向分布的碳的SIMS分布圖。
結(jié)合


本發(fā)明的實施例。圖1(a)至1(c)是在硅襯底1上外延生長工藝中碳原子向上移動的示意圖。
圖1(a)中，襯底表面上的氧化硅膜已用氫氟酸水溶液處理去除。如圖1(a)所示，開始外延生長之前，碳原子2附著在硅襯底1的表面上。生長硅外延膜4時，如圖1(b)所示，硅原子3淀積在硅襯底1上。這里，“碳原子向上移動”是指在外延膜4生長中，加到硅襯底1上的硅原子3與位于其下的碳原子2互換，使碳原子2分凝到生長面上(生長前沿)的現(xiàn)象。這種狀態(tài)示于圖1(b)至圖1(c)中。本發(fā)明人的實驗發(fā)現(xiàn)，“向上移動”現(xiàn)象，即在特定條件下產(chǎn)生的表面分凝，最終導致外延膜與硅襯底間的界面的碳濃度下降。更具體地說，已發(fā)現(xiàn)、為了產(chǎn)生向上移動，生長溫度必須在650℃以上，以產(chǎn)生克服防止硅原子與碳原子位置互換勢壘所必需的能量。另一方面，約在800℃以上的溫度，硅和碳相互劇烈反應，形成碳化硅，因而，不產(chǎn)生向上移動。這就是說，在650℃至800℃的有限溫度范圍內(nèi)才產(chǎn)生碳向上移動。
還發(fā)現(xiàn)，在超過外延膜生長速率的外延膜生長表面上，最外邊的第1表面層中的硅原子與第2表面層中的碳原子之間位置互換速率之比確定表面分凝程度。而且，在膜生長速率增大的條件下，不產(chǎn)生碳表面分凝，不能達到減小外延膜與硅襯底間界面上的碳濃度的目的。反之，用減小源氣的分壓而抑制生長速率，能促使碳向上移動。為此，實現(xiàn)本發(fā)明時，最好將外延生長中的壓力設定在小于或等于5×10-4乇。
按本發(fā)明，用硅或硅-鍺合金構(gòu)成外延膜。例如，用乙硅烷(Si2H6)作源氣，進行硅膜外延生長。用乙硅烷和鍺烷(GeH4)的混合氣體作源氣，進行硅鍺合金膜的外延生長。
例1用氫氟酸處理單晶硅(001)襯底，去除其表面上的氧化硅膜，然后，在襯底溫度為700℃，在超高真空CVD設備中，進行外延硅膜生長。將硅襯底浸入按HF∶H2O＝1∶100的氫氟酸水溶液中30秒進行有效的氫氟酸處理，然后，用去離子水漂洗2分鐘。在5×10-4乇的分壓下用于外延膜生長的源氣是乙硅烷(Si2H6)。用SIMS檢測用該方法生長的外延膜，觀察沿其深度方向分布的碳濃度。結(jié)果顯示于圖2中。盡管在外延膜與硅襯底間界面出現(xiàn)碳濃度峰值，但該峰值濃度是圖4所示的在625℃進行外延生長的常規(guī)技術中的濃度的1/20。而且朝襯底表面的碳按指數(shù)式減小。這是因為，該衰變的距離遠大于只由擴散引起的衰變距離，因而，在外延中清楚地顯示出碳朝生長面進行向上移動?？梢詳喽ㄌ荚酉蛏弦苿邮沟迷诮缑嫣幪紳舛容^低。
例2設定外延生長中的分壓小于例1中的壓力。本例中，用Si1-xGex制成外延膜。生長溫度是700℃，Si2H6和GeH4的分壓都是5×10-5乇，用SIMS測試按本方法生長的外延膜深度方向的碳分布，結(jié)果示于圖3。本例中形成的外延膜在外延膜與硅襯底間界面沒有碳濃度峰值。這種情況認為是由生長中因較低的分壓而使膜生長速率減小引起的，而且，與生長速率相比，碳的向上移動速率相對增大。這促進了碳向上移動，使最初在界面上的碳大量向外延膜表面分凝。與用在625℃生長的常規(guī)技術相比(見圖4)，外延膜與硅襯底間界面處的碳濃度是常規(guī)生長膜中碳濃度的1/100以下。
將上述方法形成的外延膜在950℃熱處理5分鐘，以增加任何缺陷的形成，即使有缺陷也不多，然后用透射電子顯微鏡觀察，結(jié)果，沒檢測出碳化硅沉淀物。而且，用按本例制成的Si1-xGex為基極層的NPN型HBT(異質(zhì)雙極性晶體管)通過集電極/基極的漏電流更小。更具體地說，給有常規(guī)基極層的HBT加5伏的反偏置電壓時，偏電流是10-8A/μm2，而包括按本例制成的外延膜的HBT的漏電流是10-13A/μm2。
上述實例中，在700℃襯底溫度進行外延生長。盡管該溫度在650℃至800℃的范圍內(nèi)，但為了完全消除碳化硅形成的影響，生長溫度最好低于775℃。還應注意，外延膜也可用適當?shù)牟牧蠚怏w，如硼或磷摻雜。而且，用氣體氫氟酸處理以及其它汽相處理代替用氫氟酸水溶液處理，也能除去硅表面上的氧化硅。
如上所述，與常規(guī)方法的性能相比，按本發(fā)明，用650℃至800℃的生長溫度，可使外延膜與硅襯底間界面處的碳量明顯減小到常規(guī)方法生長的外延膜與硅襯底間界面處碳量的1/100以下。這極有助于改善器件特性。此外，用氫氟酸水溶液處理作外延膜生長的預處理，能降低工藝中的最大臨界溫度，從而防止因硼、磷等擴散引起的反作用。
盡管結(jié)合優(yōu)選實施例說明了本發(fā)明，但本發(fā)明的主題并不限于這些具體例，本發(fā)明還包括所有的替換、改型和等效物，這些均包括在本發(fā)明要求保護的發(fā)明精神和范圍內(nèi)。
權利要求
1.硅襯底上外延膜的生長方法，包括以下步驟用氫氟酸處理，除去所述硅襯底上的氧化硅；在650至775℃的生長溫度，超高真空CVD在所述被氫氟酸處理過的襯底表面上生長外延膜。
2.硅襯底上外延膜的生長方法，包括以下步驟用氫氟酸水溶液處理，除去所述硅襯底表面上的氧化硅膜；用超高真空CVD在所述處理過的表面上生長包括硅的外延膜材料，其特征是，所述生長過程中襯底的溫度范圍是650℃至775℃，材料氣體的分壓是5×10-4乇以下。
3.按權利要求1或2的外延膜生長方法，其特征是，所述硅襯底表面是(001)面取向。
4.按權利要求1或2的外延膜生長方法，其特征是，所述外延膜由硅或硅-鍺合金構(gòu)成。
5.按權利要求1或2的外延膜生長方法，其特征是，外延膜由硅或硅-鍺合金構(gòu)成，并且，用乙硅烷和鍺烷(Si2H6和GeH4)中至少一種作材料氣。
6.硅襯底上外延膜的生長方法，包括以下步驟用氫氟酸水溶液處理，除去所述硅襯底表面上的氧化硅膜；用超高真空CVD在所述處理過的表面上生長包括硅的外延膜材料，其特征是，所述生長過程中的襯底溫度是700℃，所述外延用的材料氣的分壓是5×10-5乇。
7.按權利要求1或2的外延膜生長方法，其特征是，所述氫氟酸處理后和完成所述生長前的所述襯底溫度不超過800℃。
全文摘要
這里公開了用超高真空CVD在硅襯底上外延生長硅或硅-鍺合金膜的方法。該方法防止在用氫氟酸水溶液進行預處理以去除襯底表面上的氧化膜的情況下，在外延膜與硅襯底界面上存在高濃度碳。外延膜生長的溫度規(guī)定在650℃至800℃。該溫度條件下，使外延生長中生長面下的最外邊的最外層中的硅原子與第2層中的碳原子位置互換，使碳向上移動并分凝到生長面。因此，外延膜與硅襯底界面的碳濃度下降。
文檔編號H01L21/285GK1157477SQ9612163
公開日1997年8月20日 申請日期1996年10月30日 優(yōu)先權日1995年10月30日
發(fā)明者青山亨 申請人:日本電氣株式會社