(57)【要約】本発明は、シリコン基材上にIV族元素をベースとするエピタキシャル層を化学蒸着により堆積させる方法であって、キャリヤーガスとして窒素または希ガスの一種を使用する、方法を提供する。本発明はさらに、ガス入口（１４）およびガス出口（１６）を有するチャンバー（１２）と、チャンバー（１２）の中にシリコン基材を取り付ける手段（１８）とを備えてなる化学蒸着装置（１０）を提供するが、該装置は、入口に接続され、なおかつキャリヤーガスとして窒素または希ガスを供給するように配置されたガス供給源を包含する。
2006501664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基材上にIV族元素をベースとするエピタキシャル層を化学蒸着により堆積させる工程を含んでなり、キャリヤーガスとして窒素または希ガスを使用する、半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
シリコン、ゲルマニウムおよび／または炭素をベースとするエピタキシャル層を形成するために使用する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記エピタキシャル層がＳｉ１−ｙＣｙを含んでなる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記エピタキシャル層がＳｉＧｅエピタキシャル層を含んでなる、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記エピタキシャル層がＳｉ１−ｘ−ｙＧｅｘＣｙを含んでなる、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記エピタキシャル層がシリコンエピタキシャル層を含んでなる、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
低温で行われる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
温度約６００℃未満で行われる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ガス入口およびガス出口を有するチャンバーと、前記チャンバーの中にシリコン基材を取り付ける手段とを備えてなる化学蒸着装置であって、前記入口に接続され、なおかつキャリヤーガスとして窒素または希ガスを供給するように配置されたガス供給源をさらに備えた、化学蒸着装置。
【請求項１０】
請求項２〜８のいずれか一項に記載の方法によりエピタキシャル層を堆積させるように配置された、請求項９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に化学蒸着（ＣＶＤ）によりシリコン基材上にエピタキシャル層を形成する工程を含んでなる、半導体デバイスの製造方法、およびそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンマイクロエレクトロニクス技術を使用するデバイスのための材料の多様性を広げるために、Ｓｉ基材上にエピタキシャル成長させたＳｉ１−ｘ−ｙＧｅｘＣｙ（およびＳｉ１−ｙＣｙ）結晶のような材料に大きな関心が寄せられている。
【０００３】
シリコン：炭素（Ｓｉ１−ｙＣｙ）は、例えばJ.P. LiuおよびH.J. Osten、「Substitutional carbon incorporation during Si1-x-yGexCy growth on Si(100) by molecular-beam epitaxy: Dependence on germanium and carbon」Applied Physics Letters, Vol. 76, No. 24, (2000), P.3546-48およびH.J. Osten、「MBE growth and properties of supersaturated, carbon-containing silicon/germanium alloys on Si(100)」、Thin Solid Films, Vol. 367, (2000), P.101-111、で考察されている新材料であり、ケイ素と同じダイアモンド構造を有する。典型的には、Ｃ濃度は０〜５％である、すなわちＳｉ中へのＣの溶解度を十分に超えている。Ｓｉ１−ｙＣｙ中では、すべての炭素原子が置換型であり、シリコン構造中でケイ素原子の場所を取るべきである。従って、この材料の製造で特に難しいのは、置換型炭素をケイ素中に導入することである。上記のように、ＳｉおよびＧｅ中へのＣ原子の平衡固溶解度は極めて小さく、従って、置換型Ｃ濃度が数％までの高品質Ｓｉ１−ｘ−ｙＧｅｘＣｙ結晶を成長させることが望ましい。置換型炭素の画分は低温で増加する。炭素原子が格子位置に無い場合、すなわち置換型ではない場合、これらの炭素は様々な欠陥、例えばＳｉＣ沈殿物（ただし、これに限定するものではない）、を引き起こすことがある。そのような欠陥は、半導体用途およびエピタキシャル成長には不適当である。
【０００４】
Ｓｉ１−ｘ−ｙＧｅｘＣｙおよびＳｉ１−ｙＣｙエピタキシャル層は、様々な技術、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、急速熱化学蒸着（ＲＴ−ＣＶＤ）、低圧化学蒸着（ＬＰ−ＣＶＤ）および超高真空化学蒸着（ＵＨＶ−ＣＶＤ）、を使用してＳｉ（００１）基材上に成長させることができることが分かっている。後者は、B. Tillack, B. Heinemann, D. Knoll「Atomic layer doping of SiGe-fundamentals and device applications」、Thin Solid Films, Vol. 369, (2000), P.189-194、Y. Kanzawa, K. Nozawa, SaitohおよびM. Kubo、「Dependence of substitutional C incorporation on Ge content for Si1-x-yGexCy crystals grown by ultrahigh vacuum chemical vapor deposition」、Applied Physics Letters, Vol. 77, No. 24, (2000), P.3962-64およびS. John, E.J. Quinomes, B. Ferguson, S.K. Ray, B. Anantharan, S. Middlebrooks, C.B. Mullins, J. Ekerdt, J. RawlingsおよびS.K. Banerjee、「Properties of Si1-x-yGexCy epitaxial films grown by Ultrahigh Vacuum Chemical Vapor Deposition」、Journal of The Electrochemical Society, Vol. 146, No. 12 (1999), P. 4611-4618から公知である。特に重要なファクターの一つは、置換型および格子間炭素取込の間の関係であり、これは層の電気的および光学的特性に影響を及ぼす。炭素置換度、すなわち置換型で取り込まれた炭素原子の画分、および結晶品質は、成長条件により強い影響を受けると考えられている。
【０００５】
低温、すなわち一般的に約６００℃未満、では、エピタキシャル層の成長速度は表面上に存在する水素原子により制御されるが、この水素は、堆積工程の際に分子ガス、例えばＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＧｅＨ４、Ｈ２、の分解から生じ、その脱着過程は即時的ではない。ケイ素上の平衡水素被覆と水素圧および温度との関係は、P.V. SchwartzおよびJ.C. Sturm、「Oxygen incorporation during low temperature chemical vapor deposition growth of epitaxial silicon films」、Journal of the Electrochemical Society, Vol. 141, No. 5 (1994), P. 1284-1290で考察されているように、ラングミュアモデル吸着によりモデル化することができる。しかし、エピタキシャル層の成長には、水素が、最もよく選ばれる電流キャリヤーガスとして非常に支配的である。
【０００６】
以下に記載するように、水素がエピタキシーで決定的な役割を果たすことは明らかである。ＣＶＤはすべて、上記のような理由からキャリヤーガスとして水素を使用する。
【０００７】
ＳｉをＣＶＤによりガス前駆物質、例えばＳｉＨ４、から低温で成長させる時、水素が表面を不動態化し、エピタキシーを妨害する汚染物に対して不活性化することが分かっている。さらに、水素は、ヘテロ層に対する界面急変を助長することにより、および成長の際の表面吸収および拡散を低下させることにより、エピタキシーにとって有益であると考えられる。成長最前部上に様々なドーピング剤が吸収される際にも、類似の挙動が見られている。これは、E. Finkman, F. MeyerおよびM. Mamor、「Short-range order and strain in SiGeC alloys probed by phonons」、Journal of Applied Physics, Vol. 89, No. 5 (2001), p.2580-2587から知られている理由も説明しており、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）技術に水素を使用する試みがなされており、そこではキャリヤーガスを事実上必要としない。
【０００８】
さらに、水素脱着に対するゲルマンの影響は、M. Liehr, C.M. Greenlief, S.R. KasiおよびM. Offenberg、「Kinetics of silicon epitaxy using SiH4 in a rapid thermal chemical vapor deposition reactor」、Applied Physics Letters, Vol. 56, No. 7, (1990), P.629-631から公知である。考察された結果は、ＳｉＧｅ成長モデルに広く使用され、ゲルマンが、低温におけるシリコンの成長速度に非常に大きい触媒効果を有することを報告している。この触媒効果は、成長表面上のゲルマニウム箇所からの水素脱着を増加させ、成長化学種の吸着を増加させ、それによって成長速度を高める。この文献は、低温蒸気相エピタキシーにおいて、少量のゲルマンを添加することにより、シリコンの有効成長速度が２等級増加し得ると結論している。触媒作用の原因となる正確な機構は分かっていないが、この効果は、レーザー、プラズマ、その他の外部からの成長促進技術を使用せずに、低温でＧｅｘＳｉ１−ｘ被膜の成長速度（１００Å／分）が得られるので非常に好ましい。
【０００９】
J. Vizoso, F. Martin, J. SuneおよびM. Nafria、「Hydrogen desorption in SiGe films: A diffusion limited process」、Applied Physics Letters, Vol. 70, No. 24, (1997), P.3287-89で考察されているように、水素は、ＳｉＧｅエピタキシーで界面活性剤として作用し、粗さまたは島形成につながることがある三次元的な成長を抑制することが分かっている。
【００１０】
このように、水素は、最もよく選ばれるキャリヤーガスであると考えられ、一般的に、エピタキシャル製法で使用するための重要なガスである。
【００１１】
ＷＯ−Ａ−０１／１４６１９号は、炭化ケイ素および／または炭化ケイ素ゲルマニウムのエピタキシャル成長を開示し、キャリヤーガスとして窒素を使用している。しかし、この文献に開示されているエピタキシャル反応器は、超高温、すなわち１１００〜１４００℃で操作するように配置されている。
【発明の具体的説明】
【００１２】
本発明の目的は、ＣＶＤによりシリコン基材上にエピタキシャル層を形成するための、公知のそのような方法よりも有利な方法を提供することである。
【００１３】
そのような化学蒸着装置を提供することも本発明の目的である。
【００１４】
本発明の一態様によれば、シリコン基材上にIV族元素をベースとするエピタキシャル層を化学蒸着により堆積させる工程を含んでなり、キャリヤーガスとして窒素または希ガスの一種を使用する、半導体デバイスの製造方法が提供される。
【００１５】
特に、そのようなキャリヤーガスは、エピ−層の品質および炭素の取込を制御するのに有利である。
【００１６】
特に、キャリヤーガスとして窒素を使用することにより、キャリヤーガスとして水素を使用する公知のＳｉエピタキシー製法と比較して、より高い成長速度およびより低い成長温度で、平滑なエピタキシャルシリコン層が得られるようになった。
【００１７】
請求項２〜６に記載の特徴は、本発明のエピタキシャル系の一部を形成し得る特定のIV族元素を規定する。
【００１８】
請求項７および８に記載の特徴は、有利なことに堆積速度をさらに改良し、製造コストを制限するのに役立つ。
【００１９】
ケイ素、ケイ素：炭素、ケイ素ゲルマニウムおよびケイ素ゲルマニウム炭素の低温ＣＶＤエピタキシー用のキャリヤーガスとして窒素を使用することにより、処理寛容度を、キャリヤーガスとして水素を使用する製法に固有の制限を越えて著しく増加することができる。キャリヤーガスとして窒素を使用する低温エピタキシー製法は、キャリヤーガスとして水素を使用する低温エピタキシー製法と比較して異なった成長機構を有する。これによって、品質のより高い材料が得られ、炭素の取込が改良される。
【００２０】
本発明は特に、ドーピングした、またはドーピングしていないＳｉ１−ｘ−ｙＧｅｘＣｙおよびＳｉ１−ｙＣｙエピタキシャル層をＳｉ基材上に高い成長速度で、高い炭素置換度で、および低い製造コストで堆積させるのに使用できる。低い成長温度と高い成長速度の組合せは、熱的影響(thermal budget)を低くする必要がある用途、例えばＧｅ濃度が高い、ひずみを有するＳｉＧｅ層の上のＳｉキャップ層、にも魅力的である。
【実施例】
【００２１】
以下に添付の図面を参照しながら本発明を例としてのみ、さらに説明する。
【００２２】
実験は、市販の減圧化学蒸着反応器で行ったが、下記は、ＳｉＧｅ成長に対する基本的な影響に関連する。
【００２３】
キャリヤーガスとして水素および窒素を使用した場合のＳｉＧｅの成長速度と温度の関係を図１に示す。窒素の場合の成長条件は、圧力＝４０Torr、Ｎ２＝３３ｓｌｍ、ＳｉＨ４＝５ｓｃｃｍ、ＧｅＨ４＝１５０ｓｃｃｍであった。水素の曲線に関して、圧力＝４０Torr、Ｈ２＝３３ｓｌｍ、ＳｉＨ４＝２０ｓｃｃｍおよびＧｅＨ４＝１５０ｓｃｃｍであった。
【００２４】
これは、キャリヤーガスとして窒素を使用した場合のＳｉＧｅの成長速度が、キャリヤーガスとして水素を使用した場合のＳｉＧｅの成長速度と比較して、低温で１０のファクターで増加し得ることを明らかに示している。シリコンだけを成長させた場合にも、同様の効果が観察されているが、その場合、キャリヤーガスを水素から窒素に切り換えた時に、成長速度は６のファクターで増加した（５７５℃およびシラン流量４００ｓｃｃｍで）。
【００２５】
キャリヤーガス化学種の成長速度に対する影響を強調するために、同じ一般的な成長条件、すなわちキャリヤーガス流量、成長温度および総圧、等を使用した。無論、これによって実際には、ウェハー上エピ−層のＳｉＧｅ厚さおよびＧｅ濃度が１５％の範囲で非常に不均一になり、実際の用途には受け入れられない。
【００２６】
半導体工業では、エピタキシャル層の厚さおよび構成成分濃度の一様性は最も重要である。これに関して、反応器の設計、特にウェハーの位置に対するガス流の方向および強度は決定的な要素である。図２に示すように、キャリヤーガスとして窒素を使用し、様々な成長パラメータを調節することにより、平滑で一様なＳｉＧｅ（Ｃ）エピ−層を成長させることができる。
【００２７】
図３は、キャリヤーガスとして窒素を使用した場合の優位性を水素と比較してさらに示す。図３は、特に低温シリコンエピタキシーで達成される優位性を示し、図に示すようなＰ＝４０TorrおよびＮ２＝１５ｓｌｍの成長条件で、平滑なエピタキシャルシリコン層を比較的高い成長速度および低い成長温度で達成できる。従って、炭素取込が改良された、品質のより高い材料を製造することができる。
【００２８】
ここで図４に関して、本発明で使用するように配置された化学蒸着装置１０を示すが、この装置は、一端にガス入口１４および反対側の末端にガス出口１６を有する細長いチャンバー１２を含んでなる。チャンバー１２の中には支柱台１８があり、その上にシリコン基材２０が配置される。
【００２９】
チャンバー１２中の圧力は、入口１４を経由してガスを導入し、出口１６を経由して排出する様式で制御することができる。入口１４は、ガスマニホルド２２と連絡しており、そのマニホルド中にガスが複数の供給源から供給される。図に示す例では、第一供給源２４は、供給ライン２６を経由してガスマニホルド２２に第一ガスを供給し、第二ガス供給源２８は、供給ライン３０を経由してガスマニホルド２２に第二ガスを供給する。
【００３０】
ガス供給源の総数は、無論、基材２０の上に形成すべきエピタキシャル層の必要性に応じて配置することができる。
【００３１】
試験は、成長温度５７５℃で行った。この温度で、成長速度は、シラン流量に応じて、物質移動で制御されるか、または拡散制限で制御されるようであり、欠陥密度が低い、約１０ｎｍ／分の成長速度が達成された。Ｓｉ前駆物質ガスとして、成長温度に応じて、ＳｉＨ４とＳｉＨ２Ｃｌ２ガスの組合せも使用できる。５５０℃未満の温度では、表面で成長の副生成物として生じる水素原子がＳｉ表面を不動態化すると考えられる。
【００３２】
Ｓｉ中への炭素の固溶解度が低いために、シリコン中への炭素の取込は非常に困難であることが分かっている。
【００３３】
シランおよびキャリヤーガスとして窒素を使用し、成長温度５５０℃で、高品質シリコン炭素エピタキシャル層の成長が可能であることが立証された。
【００３４】
本発明により、平滑で高品質の材料を成長させることができる。窒素の場合の成長条件は、Ｐ＝４０Torr、Ｎ２＝３３ｓｌｍ、ＳｉＨ４＝５ｓｃｃｍ、ＧｅＨ４＝１５０ｓｃｃｍであり、水素での条件は、Ｐ＝２０〜４０Torr、Ｈ２＝３３ｓｌｍ、ＳｉＨ４＝２０ｓｃｃｍおよびＧｅＨ４＝１５０ｓｃｃｍであった。
【００３５】
従って、キャリヤーガスとして窒素を使用することにより、例えば２０％のオーダーのゲルマニウム濃度および１．３％までの炭素濃度で、高品質で平滑なシリコンゲルマニウム炭素エピタキシャル層が成長したことが分かる。そのような例の成長条件としては、堆積温度５２５℃、窒素流量１５ｓｌｍ、シラン（ＳｉＨ４）流量２０ｓｃｃｍ、ゲルマン（ＧｅＨ４）流量１５０ｓｃｃｍ、およびメチルシラン（ＳｉＨ３ＣＨ３）流量０〜２０ｓｃｃｍがあり、これらの結果は、キャリヤーガスとして窒素を使用する本発明の方法の有益性を明らかに示している。無論、置換型炭素濃度は、成長温度を下げ、マノ−メチル−シラン流量を下げることにより、増加させることができる。
【００３６】
本発明は、IV族元素Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃをベースとするエピタキシャル層をＳｉ基材上に市販のＣＶＤ反応器中で堆積させる方法であって、上記のように、キャリヤーガスとして窒素または希ガスを使用し、置換型炭素含有量が高い高品質エピタキシャル材料を、現在標準的な、キャリヤーガスとして水素を使用する製法と比較して、低製造コストで有利に成長させる方法を記載する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】キャリヤーガスとして水素の代わりに窒素を使用する、成長速度の温度依存性を図式的に示す図である。
【図２】ウェハー上の厚さとゲルマニウム濃度均質性を図式的に示す図である。
【図３】キャリヤーガスとして窒素を使用する有益性をさらに図式的に示す図である。
【図４】本発明で使用する化学蒸気相堆積装置を図式的に示すブロックダイアグラムである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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