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本发明提供用以沉积含硅材料的方法，例如选择性外延沉积一含有高掺杂剂浓度的硅锗材料的方法。在一实施例中，将一衬底暴露在至少两种不同的工艺气体中以沉积一层在另一层顶部。一种工艺气体含二氯硅烷、一锗源及一蚀刻剂，另一种工艺气体含硅烷及一蚀刻剂。在其它实施例中，一工艺气体包含二氯硅烷、甲基硅烷、及氯化氢，或是含硅烷、甲基硅烷及氯化氢。在一方案中，一沉积层在其晶格中具有间隙位置且在该间隙位置中包含约3原子％或更少量的碳，且后续经过退火以将至少一部分碳并入该晶格的取代位置。在另一方案中，一硅锗积层具有一分别含有约25原子％或更少、约25原子％或更多及约5原子％的锗的第一、第二及第三层。

1.  一种在衬底表面上生成以硅为主的材料的方法，其特征在于，包含：
将一衬底暴露在一第一工艺气体下以在该衬底上选择性地并且外延成长地沉积出一第一含硅层，该第一工艺气体包含硅烷、一碳源、一第一蚀刻剂及氢气；以及
将该衬底暴露在一第二工艺气体下以在该第一含硅层上选择性地并且外延成长地沉积出一第二含硅层，该第二工艺气体包含二氯硅烷及一第二蚀刻剂。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中该第一工艺气体包含：
流速介于约20sccm至约400sccm间的硅烷；
流速介于约0.3sccm至约5sccm间的碳源；
流速介于约30sccm至约500sccm间的第一蚀刻剂；以及
流速介于约10slm至约30slm间的氢气。

3.  根据权利要求2所述的方法，其中该第一含硅层在内压为约1torr至约10torr间的工艺室中沉积在该衬底上。

4.  根据权利要求1所述的方法，其中该第一蚀刻剂或第二蚀刻剂包含氯化氢。

5.  根据权利要求1所述的方法，其中该第一含硅层包含一碳浓度梯度。

6.  根据权利要求1所述的方法，其中该第一工艺气体还包含一掺杂剂前体。

7.  根据权利要求6所述的方法，其中该掺杂剂前体选自由二硼烷、胂、膦及其衍生物所组成的群组中。

8.  根据权利要求7所述的方法，其中该第一含硅层包含一掺杂剂浓度梯度。

9.  根据权利要求1所述的方法，其中该第一含硅层具有一介于约5×10¹⁹原子/cm³至约1×10²⁰原子/cm³间的硼浓度。

10.  根据权利要求1所述的方法，其中该第一含硅层具有一高于1×10²⁰原子/cm³的硼浓度。

11.  根据权利要求10所述的方法，其中该硼浓度为约2×10²⁰原子/cm³或更高。

12.  根据权利要求1所述的方法，其中该第二含硅层具有一高于1×10²⁰原子/cm³间的硼浓度。

13.  根据权利要求12所述的方法，其中该硼浓度为约2×10²⁰原子/cm³或更高。

14.  根据权利要求1所述的方法，其中该碳源包含甲基硅烷。

15.  一种在衬底表面上生成以硅为主的材料的方法，其特征在于，包含：
将一衬底暴露在一第一工艺气体下以在该衬底上选择性地并且外延成长地沉积出一第一含硅层，该第一工艺气体包含硅烷、一锗源、一第一蚀刻剂及一载气；以及
将该衬底暴露在一第二工艺气体下以在该第一含硅层上选择性地并且外延成长地沉积出一第二含硅层，该第二工艺气体包含二氯硅烷及一第二蚀刻剂。

16.  根据权利要求15所述的方法，其中该载气包含氢气。

17.  根据权利要求15所述的方法，其中该第一工艺气体还包含一碳源。

18.  根据权利要求17所述的方法，其中该碳源是甲基硅烷。

19.  根据权利要求17所述的方法，其中该第一含硅层在晶格中含有间隙位置且在该间隙位置含有约3原子％或更少的碳。

20.  根据权利要求19所述的方法，还包含将该第一含硅层退火以将至少一部分所述碳并入该晶格的取代位置。

21.  根据权利要求15所述的方法，其中该第一含硅层或第二含硅层具有一高于1×10²⁰原子/cm³的硼浓度。

22.  根据权利要求21所述的方法，其中该硼浓度为约2×10²⁰原子/cm³或更高。

23.  根据权利要求15所述的方法，其中该第一蚀刻剂包含氯化氢。

24.  根据权利要求15所述的方法，其中该第二蚀刻剂包含氯化氢。

25.  一种在衬底表面上生成以硅为主的材料的方法，其特征在于，包含：
将一衬底暴露在一第一工艺气体下以在该衬底上选择性地并且外延成长地沉积出一第一含硅层，该第一工艺气体包含硅烷、一碳源、一第一蚀刻剂及一载气，其中该第一含硅层在晶格中具有间隙位置且在该间隙位置含有约3原子％或更少的碳；以及
将该衬底暴露在一第二工艺气体下以在该第一含硅层上选择性地并且外延成长地沉积出一第二含硅层，该第二工艺气体包含二氯硅烷及一第二蚀刻剂；以及
将该衬底退火以将至少一部分所述碳并入该晶格的取代位置。

26.  一种在工艺室中的其上具有介电材料和源极/漏极区域的衬底上生成以硅为主的材料的方法，其特征在于，包含：
将该衬底暴露在一第一工艺气体下以在其上沉积出一第一含硅层，该第一工艺气体包含硅烷、甲基硅烷、一第一蚀刻剂及氢气，其中该第一含硅层被选择性地沉积在该衬底的源极/漏极区域上，同时在该衬底的介电材料的表面上蚀刻去除该第一含硅层；以及然后
将该衬底暴露在一第二工艺气体下以在该衬底上的该第一含硅层的表面之上选择性沉积出一第二含硅层，该第二工艺气体包含二氯硅烷及一第二蚀刻剂。

27.  根据权利要求26所述的方法，其中该第一工艺气体包含：
流速介于约20sccm至约400sccm间的硅烷；
流速介于约0.3sccm至约5sccm间的甲基硅烷；
流速介于约30sccm至约500sccm间的第一蚀刻剂；以及
流速介于约10slm至约30slm间的氢气。

28.  根据权利要求27所述的方法，其中该工艺室压被加压至约1torr到约10torr间。

29.  根据权利要求27所述的方法，其中该第一蚀刻剂包含氯化氢。

30.  根据权利要求26所述的方法，其中该第一含硅层包含一碳浓度梯度。

31.  根据权利要求26所述的方法，其中该第一工艺气体还包含一流速介于约0.2sccm至约3sccm间的掺杂剂前体。

32.  根据权利要求31所述的方法，其中该掺杂剂前体选自由二硼烷、胂、膦及其衍生物所组成的群组中。

33.  根据权利要求32所述的方法，其中该第一含硅层包含一掺杂剂浓度梯度。

34.  根据权利要求26所述的方法，其中该第一含硅层具有一介于约5×10¹⁹原子/cm³至约1×10²⁰原子/cm³间的硼浓度。

35.  根据权利要求26所述的方法，其中该第一含硅层具有一高于1×10²⁰原子/cm³的硼浓度。

36.  根据权利要求35所述的方法，其中该硼浓度为约2×10²⁰原子/cm³或更高。

37.  根据权利要求26所述的方法，其中该第二含硅层具有一高于1×10²⁰原子/cm³间的硼浓度。

38.  根据权利要求37所述的方法，其中该硼浓度为约2×10²⁰原子/cm³或更高。

39.  一种在工艺室中的其上具有介电材料和源极/漏极区域的衬底上生成以硅为主的材料的方法，其特征在于，包含：
将该衬底暴露在一第一工艺气体下以在其上沉积出一第一含硅层，该第一工艺气体包含硅烷、一锗源、一碳源、一第一蚀刻剂及一载气，其中该第一含硅层被选择性地沉积在该衬底的源极/漏极区域上，同时在该衬底的介电材料的表面上蚀刻去除该第一含硅层；以及然后将该衬底暴露在一第二工艺气体下以在该衬底上的该第一含硅层的表面之上选择性地沉积出一第二含硅层，该第二工艺气体包含二氯硅烷及一第二蚀刻剂。

40.  根据权利要求39所述的方法，其中该第一含硅层在晶格中含有间隙位置且在该间隙位置含有约3原子％或更少的碳。

41.  根据权利要求40所述的方法，还包含将该第一含硅层退火以将至少一部分所述碳并入该晶格的取代位置。

42.  根据权利要求41所述的方法，其中该碳源是甲基硅烷。

43.  根据权利要求40所述的方法，其中该第一含硅层具有一高于1×10²⁰原子/cm³的硼浓度。

44.  根据权利要求43所述的方法，其中该硼浓度为约2×10²⁰原子/cm³或更高。

45.  根据权利要求40所述的方法，其中该第二含硅层具有高于1×10²⁰原子/cm³间的硼浓度。

46.  根据权利要求45所述的方法，其中该硼浓度为约2×10²⁰原子/cm³或更高。

47.  一种在工艺室中的其上具有介电材料和源极/漏极区域的衬底上生成以硅为主的材料的方法，其特征在于，包含：
将该衬底暴露在一第一工艺气体下以在其上沉积出一第一含硅层，该第一含硅层包含约3原子％或更少的碳和一晶格的间隙位置，该第一工艺气体包含硅烷、一锗源、一碳源、一第一蚀刻剂及一载气，其中该第一含硅层被选择性地沉积在该衬底的源极/漏极区域上，同时在该衬底的介电材料的表面上蚀刻去除该第一含硅层；继而
将该衬底暴露在一第二工艺气体下以在该衬底上的该第一含硅层的表面之上选择性地沉积出一第二含硅层，该第二工艺气体包含二氯硅烷及一第二蚀刻剂；以及
将该衬底退火以将至少一部分所述碳并入该晶格的取代位置。

48.  一种在工艺室中的其上具有介电材料和源极/漏极区域的衬底上生成以硅为主的材料的方法，其特征在于，包含：
将该衬底暴露在一第一工艺气体下以在其上沉积出一第一含硅层，该第一工艺气体包含硅烷、一锗源、一第一蚀刻剂及一载气，其中该第一含硅层被选择性地沉积在该衬底的源极/漏极区域上，同时在该衬底的介电材料的表面上蚀刻去除该第一含硅层；以及然后
将该衬底暴露在一第二工艺气体下以在该衬底上的该第一含硅层的表面之上选择性地沉积出一第二含硅层，该第二工艺气体包含二氯硅烷及一第二蚀刻剂。

49.  根据权利要求48所述的方法，其中该第一工艺气体包含：
流速介于约50sccm至约200sccm间的硅烷；
流速介于约0.5sccm至约5sccm间的锗；
流速介于约30sccm至约500sccm间的氯化氢；以及
流速介于约10slm至约30slm间的氢气。

50.  根据权利要求49所述的方法，其中该工艺室压被加压至约1torr到约10torr间。

51.  根据权利要求48所述的方法，其中在一源极/漏极特征内，该第一含硅层是一凹陷的层，并且该第二含硅层是一升高的层。

52.  根据权利要求51所述的方法，其中该第一含硅层包含一锗浓度梯度。

53.  根据权利要求48所述的方法，其中该第一和第二工艺气体每一个包含一掺杂剂前体，该掺杂剂前体独立地选自由二硼烷、胂、膦及其衍生物所组成的群组中。

54.  根据权利要求53所述的方法，其中该第一和第二含硅层每一个独立地包含一介于约5×10¹⁹原子/cm³至约2×10²⁰原子/cm³间的硼浓度。

55.  根据权利要求53所述的方法，其中该第一和第二含硅层每一个独立地包含一掺杂剂浓度梯度。

56.  根据权利要求48所述的方法，其中该第二工艺气体包含：
流速介于约50sccm至约200sccm间的二氯硅烷；以及
流速介于约30sccm至约500sccm间的氯化氢。

57.  根据权利要求56所述的方法，其中该第二工艺气体包含一第二锗源。

58.  根据权利要求57所述的方法，其中该第二含硅层的锗浓度大于该第一含硅层的锗浓度。

59.  根据权利要求53所述的方法，其中该第二含硅层的掺杂剂浓度大于该第一含硅层的掺杂剂浓度。

使用选择沉积工艺制造MOSFET器件的方法
本申请是2005年5月10日申请的中国专利申请No.2005800066136.2的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体制造方法及半导体器件的领域，尤其涉及沉积含硅材料及膜层以形成半导体器件的方法。
背景技术
随着制造小型晶体管的需求增加，制造超浅源极/漏极接合区的技术也受到挑战。依据国际半导体技术蓝图(International Technology Roadmap forSemiconductors，ITRS)，对100纳米以下的CMOS(互补式金氧半导体)来说，接合区的深度需要少于30纳米。近来，选择性外延已成为在生成升高的源极/漏极及源极/漏极延伸特征(source/drain extension features)时，用来沉积硅-锗材料一种非常有用的工艺。借助蚀刻硅以制造出一凹陷(recessed)的源极/漏极特征，再接续以选择性生长硅-锗表层来填充该蚀刻表面的方式可制造出该源极/漏极延伸特征。选择性外延工艺容许具原位掺杂的接近完全掺杂活化，因而可除去或至少降低需要进行后-退火工艺的需求。可使用选择性外延工艺及硅蚀刻工艺来正确地定义接合区深度。相反地，超浅源极/漏极接合区不可避免地会导致串联电阻上升。此外，在碳化硅生成期间接合区的消耗，会进一步造成串联电阻上升。为了补偿所消耗掉的接合区，可外延生成一升高的源极/漏极并选择性地生长在接合区上。
选择性外延沉积可提供在硅上生长的表层，其不会在介电区上生长。可使用选择性外延来沉积硅或硅-锗材料在诸如升高的源极/漏极、源极/漏极延伸、接触塞(contact plugs)及沉积双极器件基极层之类的半导体器件上。一般来说，选择性外延工艺涉及两种互相竞争的化学反应、沉积反应及蚀刻反应。该沉积及蚀刻反应可以不同的反应速率在单晶硅表面及介电性表面同时发生。一选择性工艺窗口可借助调整一蚀刻物(例如，HCl)的浓度来使材料沉积于暴露的硅表面而不会沉积到介电性表面上。
虽然用以沉积硅-锗材料的外延工艺适合小尺寸器件，但因为掺杂物会与氯化氢反应，因此要以该工艺来生成掺杂的硅-锗并不容易。高浓度硼掺杂(例如，硼原子浓度超过5×10¹⁹cm^-3)的选择性硅-锗外延材料工艺的研发是一项非常复杂的工作，因为掺杂硼使得该选择性沉积工艺窗口变窄。一般来说，当一沉积气体所含硼(例如，B₂H₆)浓度升高时，因为沉积材料在介电区生长的速率变快，因此需要使用更高浓度的氯化氢才能达到选择性蚀刻的目的。所增加的氯化氢浓度会降低硼原子被并入至表层的机率，推测是因为B-Cl键的强度要比Ge-Cl键或Si-Cl键的强度更强。
目前，选择性硅外延工艺在生成含硅MOSFET(金氧半导体场效晶体管)器件的接合区上有两种主要用途。其一是借助选择性外延工艺来沉积升高的源极/漏极(S/D)。典型的情况是，该外延层是无掺杂物的硅层。另一项用途是以含有外延硅的材料，通常是含有锗、碳或一掺杂物，来填充凹陷的接合区区域。
MOSFET器件可包含一PMOS或一NMOS器件，该PMOS具有一p型沟道，即，用于沟道传导的空穴；且该NMOS具有一n型沟道，即，用于沟道传导的电子。对PMOS来说，在凹陷区域中的膜层通常含有硅-锗。对NMOS来说，在凹陷区域中的膜层通常含有硅-碳。将硅-锗材料用于PMOS应用中基于许多因素。对单独的硅来说，硅-锗材料可并入更多的硼原子，因此可降低接合区的电阻。此外，对硅/碳化硅接口来说，在衬底表面的该硅-锗/碳化硅层界面具有一较低的肖特基(Schottky)阻挡层。此外，因硅-锗层的晶格常数比硅层更高，因此在一硅层表面外延生长的硅-锗层其膜层内具有压缩应力。该压缩应力会被转移到水平方向而使PMOS沟道中产生压缩应力，并增加空穴的迁移能力。对NMOS应用来说，因硅-碳层的晶格常数小于硅，因此可将硅-碳材料用于该凹陷区域以于沟道中产生拉伸应力。该拉伸应力被转移到沟道中，进而提升了电子的迁移能力。
因此，急需一种可选择性地并且外延成长地沉积具有丰富掺杂物浓度的硅及含硅材料的方法。此外，该方法需可多变以形成具有多变的元素浓度的含硅材料。
发明内容
在一实施例中，提供一种在衬底上形成以硅为主的材料的方法，包括将一衬底暴露在一内含二氯硅烷、一锗源、一第一蚀刻剂及一载气流的第一处理气体下，以于衬底上沉积出一第一含硅层；及将该衬底暴露在一内含硅烷及一第二蚀刻剂的第二处理气体以在该衬底上沉积出一第二含硅层。在一实例中，该第一处理气体组合流速介于约50标准立方公分/分钟(sccm)至约200sccm间的二氯硅烷、流速介于约0.5sccm至约5sccm间的锗烷、流速介于约30sccm至约500sccm间的氯化氢及流速介于约10slm至约30slm(标准公升/分钟)间的氢气而成。在另一实施例中，本发明方法提供一第二处理气体，其组合流速介于约50sccm至约200sccm间的硅烷、流速介于约30sccm至约500sccm间的氯化氢而成。该方法还包含提供以一选择性沉积工艺来生成该第一含硅层及该第二含硅层。在一实例中，该第一及第二含硅层的硼原子浓度介于约5×10¹⁹原子/cm³至约2×10²⁰原子/cm³间。
在另一实施例中，提供一种在工艺室的衬底上生成以硅为主的材料的方法，包括将一衬底暴露在一内含二氯硅烷、甲基硅烷、氯化氢及氢气的处理气体下，以在衬底上沉积出一含硅层。在一实例中，该处理气体组合流速介于约20sccm至约400sccm间的二氯硅烷、流速介于约0.3sccm至约5sccm间的甲基硅烷、流速介于约30sccm至约500sccm间的氯化氢及流速介于约10slm至约30slm(标准公升/分钟)间的氢气而成。
在另一实施例中，提供一种在工艺室的衬底上生成以硅为主的材料的方法，包括将一衬底暴露在一内含硅烷、甲基硅烷、氯化氢及氢气的处理气体下，以在衬底上沉积出一含硅层。在一实例中，该处理气体组合流速介于约20sccm至约400sccm间的硅烷、流速介于约0.3sccm至约5sccm间的甲基硅烷、流速介于约30sccm至约500sccm间的氯化氢及流速介于约10slm至约30slm(标准公升/分钟)间的氢气而成。
在一实施例中，提供一种在衬底上形成以硅为主的材料的方法，包括将一衬底暴露在一内含硅烷、锗烷、甲基硅烷、氯化氢及氢气的一处理气体下，以在衬底上沉积出一含硅层。在一实例中，该处理气体组合流速介于约50sccm至约200sccm间的硅烷、流速介于约0.5sccm至约5sccm间的锗烷、流速介于约0.3sccm至约5sccm间的甲基硅烷、流速介于约30sccm至约500sccm间的氯化氢及流速介于约10slm至约30slm(标准公升/分钟)间的氢气而成。该含硅层可以含有至少约50原子％(at％)的硅、约2原子％或更少的碳、约15原子％至约30原子％的锗的组合物所沉积而成。
在另一实施例中，本发明方法提供一种在工艺室衬底上形成以硅为主的材料的方法，包括将一衬底暴露在一处理气体下及在其上沉积一含硅层，使得该第一含硅层在一结晶晶格中具有间隙位置(insterstitial sites)且在该位置含有约3原子％或更少的碳。该方法更提供将含硅层退火以将至少一部分碳并入在该晶格取代位置处(substitutional sites)。在一实例中，该处理气体组合流速介于约20sccm至约400sccm间的二氯硅烷、流速介于约0.3sccm至约5sccm间的甲基硅烷、流速介于约30sccm至约500sccm间的氯化氢及流速介于约10slm至约30slm(标准公升/分钟)间的氢气而成。
在另一实施例中，提供一种在衬底上形成以硅为主的材料的方法，包括沉积一第一含硅层在衬底上，沉积一第二含硅层在该第一含硅层上及沉积一第三含硅层在该第二含硅层上。在一实例中，该第一含硅层包含约25原子％或更少的锗，该第二含硅层包含约25原子％或更多的锗，该第三含硅层包含约5原子％或更少的锗。在一实例中，该第一处理气体组合流速介于约50sccm至约200sccm间的二氯硅烷、流速介于约0.5sccm至约5sccm间的锗烷、流速介于约30sccm至约500sccm间的氯化氢、流速介于约0.2sccm至约3sccm间的一掺杂物先体及流速介于约10slm至约30slm间的氢气而成。在另一实施例中，该第二处理气体组合流速介于约50sccm至约400sccm间的二氯硅烷、流速介于约0.5sccm至约20sccm间的锗烷、流速介于约30sccm至约700sccm间的氯化氢、流速介于约0.2sccm至约6sccm间的一掺杂物先体及流速介于约10slm至约30slm间的氢气而成。该第三处理气体组合流速介于约50sccm至约200sccm间的硅烷及流速介于约30sccm至约500sccm间的氯化氢而成。在一实例中，该该第一含硅层包含约15原子％至约25原子％的锗，该第二含硅层包含约25原子％至约35原子％的锗，该第三含硅层包含高达约5原子％的锗。
在另一实施例中，提供一种用以沉积含硅层在衬底上的方法，其包含沉积一包含约15原子％或更多的一第一锗浓度的第一含硅层于衬底上，以及沉积一包含约15原子％或更少的一第二锗浓度的第二含硅层于该第一含硅层上。该方法更提供暴露该衬底至空气中以生成一天然的氧化物层，除去该天然的氧化物层以暴露出第二含硅层以及沉积一第三含硅层在该第二含硅层上。
在另一实施例中，提供一种用以沉积一含硅材料于一衬底上的方法，其包含外延沉积一包含一第一晶格应力的第一含硅层于衬底上，以及外延沉积一包含一第二晶格应力的第二含硅层于该第一含硅层上，使得该第二晶格应力远高于该第一晶格应力。该方法还包括提供该第一及第二含硅层可各自包含硅化锗、硅化碳、硅化锗碳、掺杂物、其衍生物或其组合。
附图说明
图1A-图1C显示多个具有外延沉积的含硅层于其上的器件；以及
图2A-图2F示出在一MOSFET中制造突出的源极/漏极器件的技术。
其中，附图标记：
10、30                         下层
12、132                        源极/漏极层
13、14、140、142、146、148     含硅层
16、144                        间隔物
18、135                        栅极氧化层
19                             保护层
20、38、134                    防止偏移层
22、136                        栅极层
32                             n-型收集层
33、40                         绝缘层
34                             基极层
36                             接触层
130                            衬底
146                            多晶硅层
148                            升高的层
150                            硅化金属层
154                金属层
具体实施方式
本发明实施例提供在器件结构制造期间用以沉积含硅材料的方法。该沉积工艺可选择地、外延式地生长含硅材料于一含有特征的衬底表面上的硅结晶表面上。因存在蚀刻剂(例如，氯化氢)而使特征保持裸露的同时，可实现选择性、外延生长该结晶硅表面。所沉积的含硅材料或膜层可包括硅、硅-锗或硅-碳材料。此外，该含硅层可因硼、磷或砷掺杂物而高度浓缩。在一实例中，一含硅层的硼浓度可介于5×10¹⁹原子/cm³至约2×10²⁰原子/cm³间。
在某些实施例中，该工艺于沉积含硅材料的期间使用硅甲烷(SiH₄)的硅前体。在其它实施例中，该工艺于沉积含硅材料的期间使用二氯硅甲烷(SiCl₂H₂)的硅前体。在另一实施例中，在沉积以硅为主的器件所需的含硅材料时，一逐步工艺是在一步骤中使用二氯硅甲烷(SiCl₂H₂)且在另一步骤中使用硅甲烷，来有效的使外延层中的缺陷降至最低。
在此，“含硅(silicon-containing)”材料、化合物、膜层或层可解释成包括一至少含有硅且可包括锗、碳、硼、砷和/或磷在内的组合物。并入在含硅材料、化合物、膜层或层中的其它元素，例如金属、卤素或氢，则通常是杂质。含硅材料可以一诸如可代表硅的Si、可代表硅-锗的SiGe、可代表硅-碳的SiC及可代表硅-锗-碳的SiGeC之类的缩写来表示。这些缩写并不代表具有化学计量关系的化学式，也不代表该含硅材料的任一特定的还原/氧化状态。
该沉积工艺对于在例如图1A-图1C所绘示的MOSFET及双极性晶体管中沉积含硅层而言，是相当有用的工艺。在此，含硅材料是在此工艺中外延生长而成的沉积层或膜层且包括硅、硅-锗、硅-碳、硅-锗-碳、其的掺杂物或其的组合。该含硅材料包括膜层中拉紧的或未拉紧的层。
图1A-图1B绘示出以所述沉积工艺在源极/漏极特征上沉积而成的内含外延生长的含硅材料的MOSFET器件。一从底层晶格上外延生长而成的含硅材料可保持该底层的晶格构造。在一实施例中，图1A示出沉积作为一凹陷的源极/漏极的含硅材料；至于在另一实施例中，图1B示出沉积作为一凹陷的源极/漏极及一升高的源极/漏极(elevated source/drain，ESD)的含硅材料。
可借助将下层10暴露在一离子注入工艺中来形成源极/漏极层12。一般来说，下层10有掺杂的n-型，至于源极/漏极层12则是有掺杂的p-型。借助所述沉积工艺将含硅层13选择性地、外延沉积于源极/漏极层12或直接沉积于下层10上；且借助所述沉积工艺将含硅层14选择性地、外延沉积于含硅层13上。栅极氧化层18可桥接分段的含硅层13且通常含有氧化硅、氧氮化硅或氧化铪。间隔物16可部分围绕栅极氧化层18，该间隔物16通常包含诸如氮化物/氧化物积层之类的绝缘材料(即，Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄)。栅极层22(即，多晶硅)可延着多个垂直边缘具有保护层，例如，二氧化硅，如图1A所示。或者，栅极层22可具有间隔物16及防止偏移层20(off-set layers 20)(即，Si₃N₄)沉积在其各侧边上。
在另一实施例中，图1C绘示出沉积在下层30的n-型收集层32上的双极晶体管的基极层34。基极层34含有以所述工艺外延生长于其上的含硅材料。该器件还包含绝缘层33(即，SiO₂或Si₃N₄)、接触层36(即，重掺杂的聚-硅)、防止偏移层38(即，Si₃N₄)及一第二绝缘层40(即，SiO₂或Si₃N₄)。
在一实施例中，如图2A-图2F所绘示，在一MOSFET中形成一源极/漏极延伸物，其中该含硅层是选择性地、外延沉积在该衬底表面。图2A示出借助注入离子进入衬底130表面来生成源极/漏极层132。该分段的源极/漏极层132可借助形成在栅极氧化层135上的栅极136加以桥接起来，之后再续沉积以防止偏移层134。一部分的该源极/漏极层被蚀刻并湿式清洗，以产生凹陷138，如图2B所示。也可将一部分的栅极136加以蚀刻，或者在蚀刻前先沉积一硬掩模以避免栅极材料不慎被移除。
图2C显示以所述沉积工艺技术选择性地沉积在源极/漏极层132上的含硅层140(即，外延或单晶材料)，以及以所述沉积工艺技术选择性地沉积在栅极136上的含硅层142(即，多晶或非晶型材料)。在一实例中，在沉积工艺之前先沉积一硬掩模在栅极136上方，使得在该硬掩模被移除后，栅极136仍保持被暴露的情况。在另一实例中，含硅层140及142被同时沉积在偏移层134上。在一实施例中，含硅层140及142为含硅-锗层，其中锗浓度介于约1原子％(at％)至约50原子％间，较佳约25原子％或更少。可将多层含不同元素量的含硅-锗层堆叠起来形成具有元素梯度浓度的含硅层140。举例来说，一第一硅-锗层可具有一介于约15原子％至约25原子％的锗浓度，且一第二硅-锗层可具有一介于约25原子％至约35原子％的锗浓度。在另一实例中，一第一硅-锗层可具有一介于约15原子％至约25原子％的锗浓度，一第二硅-锗层可具有一介于约25原子％至约35原子％的锗浓度，且一第三硅-锗层可具有一高达约5原子％的锗浓度。
在另一实施例中，含硅层140及142为含硅-碳层，其中碳浓度介于约200ppm至约5原子％间，较佳是约3％或更少，更佳是介于约1原子％至约2原子％间，例如，约1.5原子％。在另一实施例中，含硅层140及142可为含硅-锗-碳层，其中锗浓度介于约1原子％(at％)至约50原子％间，较佳约25原子％或更少；且其中碳浓度介于约200ppm至约5原子％间，较佳是约3原子％或更少，更佳是介于约1原子％至约2原子％间，例如，约1.5原子％。
可将多层含硅层、硅-锗层、硅-碳层或硅-锗-碳层以不同顺序沉积，以生成具有元素浓度梯度的含硅层140。该含硅层大致掺杂有浓度介于1×10¹⁹原子/cm³至约2.5×10²¹原子/cm³间的掺杂剂(例如，B、As或P)，较佳是含有介于5×10¹⁹原子/cm³至约2×10²⁰原子/cm³间的掺杂剂。掺杂剂被添加在形成梯度掺杂剂层的每一个别含硅层中。举例来说，含硅层140借助沉积一具有浓度介于约5×10¹⁹原子/cm³至约2×10²⁰原子/cm³间的掺杂剂(例如，硼)的第一含硅-锗层及沉积一具有浓度介于约1×10²⁰原子/cm³至约2×10²⁰原子/cm³间的掺杂剂(例如，硼)的第二含硅-锗层所制备而成。
紧接在含硅层沉积后被并入至硅-碳层及硅-锗-碳层的碳，大致位于晶格中的间隙位置处。此间隙位置处的碳含量约10原子％或更少，较佳是低于约5原子％，更佳是介于约1原子％至约3原子％间，例如约2原子％。可将该含硅层退火以将至少一部分(如果不是全部的话)位于间隙位置处的碳并入至晶格中的取代位置处(substitutional sites)。该退火步骤可包括在一诸如氧气、氮气、氢气、氩气、氦气或其组合之类的气体环境下，所进行的一快速退火(a spike anneal)，例如快速热工艺(rapid thermal process，RTP)、雷射退火或热退火工艺。该退火工艺可在介于约800℃至约1,200℃，较佳是在介于约1,050℃至约1,100℃的温度下进行。该退火工艺可在含硅层之后立即施行，或是在衬底经过多种其它处理步骤后才实施。
在下一步骤期间，图2D示出一间隔物144，其大致为一沉积在该偏移层134之上的氮化物间隔物(即，Si₃N₄)。间隔物144通常在与用来沉积该含硅层140不同的工艺室中沉积，而在两工艺室间传输时，衬底暴露在诸如室温下内含氧及水的大气环境下。一旦间隔物的沉积完成之后，或是已执行另一工艺(即，硬化、沉积或注入)之后，即可在沉积含硅层146与148之前，将衬底再次暴露在周围环境下。在一实施例中，在将衬底暴露至周围环境之前，先在层140顶部沉积一不含锗的外延表层或仅含最低浓度的锗(例如，低于约5原子％)的外延表层。相较于具有锗浓度高达约5原子％的外延层来说，此因为暴露在周围环境下所自然形成的氧化物层可更轻易地自内含最低浓度锗的外延层中除去。
图2E绘示出从含硅材料中选择、外延成长的升高的层148。升高的层148沉积在层140(即，有掺杂剂的SiGe)的上方，同时，多晶硅则沉积在含硅层142上方以生成多晶硅层146。视含硅层142及沉积于其上的多晶硅层中的元素浓度而定，多晶硅层146中的元素浓度自然地将含有这些元素浓度，包括当两层为不同层时的梯度浓度。
在一较佳实施例中，升高的层148为含有极少或不含锗或碳的含硅层。但是，在另一实施例中，该升高的层148则含有低浓度的锗或碳。举例来说，升高的层148中可含有约5原子％或更少的锗。在另一实施例中，升高的层148中可含有约2原子％或更少的碳。该升高的层148也可含有诸如硼、砷、或磷之类的掺杂剂。
在图2F所示的下一步骤中，一金属层154沉积在特征之上且该器件被暴露在一退火工艺中。该金属层154可包括钴、镍或钽等等。视所使用退火工艺种类而定，可将多晶硅层146及升高的层148分别转变成硅化金属层150及152。举例来说，可将钴沉积成为金属层154，并可在退火工艺中将其转变成含有硅化钴的硅化金属层150及152。
可以原位掺杂剂(in situ dopant)来重度掺杂该含硅材料。因此，可省略掉在先技术的退火步骤并缩短总产出时间。可添加最佳量的锗和/或碳于含硅材料层中来实现提高沿着沟道的载体迁移力及后续驱动电流的目的。选择性外延成长含硅材料于栅极氧化物层上可补偿硅化期间损失的接合面，以弥补因超浅接合面所致的高串联电阻的忧虑。这两种应用可合并施行，或单独施行于CMOS器件工艺中。
由所述沉积工艺所生成的含硅材料可用来沉积双极(例如，基极、发射极、集电极、发射接触)、BiCMOS(例如，基极、发射极、集电极、发射极接触)及CMOS(例如，沟道、源极/漏极延伸、升高的源极/漏极、衬底、应变硅、绝缘层上覆硅层、及接触塞)器件所使用的含硅层。该含硅膜层的其它用途还包括栅极、基极接触层、集电极、集电极接触孔、发射极接触孔或升高的源极/漏极。
在一实施例中，一含硅膜层被外延生长成一硅层。将内含一半导体特征的衬底(例如，直径300毫米)放置在一工艺室中。在沉积期间，将一载气(例如，氢气和或氮气)、一蚀刻剂(例如，HCl)与一硅前体(例如，硅烷或二氯硅烷)同时流入一工艺室中。硅前体的流速在每分钟约5标准立方公分(sccm)至约500sccm间，较佳是约50sccm至约200sccm间。载气的流速在每分钟约10标准公升(slm)至约30slm间。蚀刻剂的流速在约5sccm至约1,000sccm间，较佳是约30sccm至约500sccm间。工艺室压力维持在约0.1torr至约20torr间，较佳是约1torr至约50torr间。衬底被加热到约500℃至约1,000℃间，较佳是约600℃至约900℃间，更佳是约650℃至约750℃间，例如约720℃。试剂混合物被热驱动反应以外延生长硅结晶。蚀刻剂可从衬底表面介电特征上移除任何沉积的非晶硅或多晶硅。执行此工艺以生成厚度约至约的含硅层，例如约至约的含硅层。在另一实例中，所沉积的含硅层厚度介于约至约间。在一实施例中，该含硅层的厚度大于约例如约
以蚀刻剂来提供衬底表面特征上一选定面积，不会留有所沉积的含硅材料。该蚀刻剂可以用比从结晶表面移除硅结晶更快的速率，来移除形成在特征上的非晶硅或多晶硅，借以达到选择性外延生长或沉积。对所述沉积工艺有用的蚀刻剂包括HCl、HF、HBr、Si₂Cl₆、SiCl₄、Cl₂SiH₂、CCl₄、Cl₂、其衍生物或其组合。
除了硅烷和二氯硅烷之外，其它对沉积含硅层有用的硅前体包括较高碳数的硅烷、卤化硅烷及有机硅烷。较高碳数的硅烷包括化学式为Si_xH_(2x+2)的化合物，例如，二硅烷(Si₂H₆)、三硅烷(Si₃H₈)及四硅烷(Si₄H₁₀)等等。卤化硅烷包括化学式为X’_ySi_xH_(2x+2-y)的化合物，其中，X’＝F、Cl、Br或I，例如，六氯硅烷(Si₂Cl₆)、四氯硅烷(SiCl₄)、二氯硅烷(Cl₂SiH₂)及三氯硅烷(Cl₃SiH)。有机硅烷包括化学式为R_ySi_xH_(2x+2-y)的化合物，其中，R＝甲基、乙基、丙基或丁基，例如甲基硅烷((CH₃)SiH₃)、二甲基硅烷((CH₃)₂SiH₂)、乙基硅烷((C₂H₅)SiH₃)、甲基二硅烷((CH₃)Si₂H₅)、二甲基二硅烷((CH₃)₂Si₂H₄)及六甲基二硅烷((CH₃)₆Si₂)。已发现有机硅烷是本发明实施例较佳的硅源及碳源，以便能在沉积含硅材料期间一便并入碳于其中。
可用于整个工艺中的载气包括氢气、氩气、氮气、氦气、生成气体(N₂/H₂)及其组合等。在一实例中，以氢气作为载气。在另一实例中，则以氮气作为载气。在一实施例中，在一外延沉积期间一载气并非以氢气，也非以氢原子来实行。但是，以一钝气(例如，氮气、氩气、氦气或其组合)作为一载气。在本发明某些实施例中，可以各种比例来组合这些载气。举例来说，可以一包含氮气或氩气的载气来维持该含硅材料层上可用的位置。当以氢气作为一载气时，含硅材料层表面氢气的有无，也会限制可供硅或硅锗于其上生长的位置(例如，钝化层)的数目。因此，一钝化表面会限制一特定温度下的生长速率，特别是一低温(＜650℃)下的生长速率。因此，可在一低温下使用包含氮和/或氩气的载气，以于不牺牲生长速率的情况下来降低热预算。
在另一实施例中，外延生长一含硅层作为一硅-锗层。将含有一半导体特征的衬底(直径300毫米)放入一处理室中。在沉积期间，将一载气(例如，氢气和或氮气)、一锗源(例如，GeH₄)、一蚀刻剂(例如，HCl)与一硅前体(例如，硅烷或二氯硅烷)同时流入一工艺室中。硅前体的流速在约5sccm至约500sccm间，较佳是约50sccm至约200sccm间。载气的流速在约10slm至约30slm间。锗源的流速在约0.1sccm至约10sccm间，较佳是约0.5sccm至约5sccm间。蚀刻剂的流速在约5sccm至约1,000sccm间，较佳是约30sccm至约500sccm间。工艺室压力维持在约0.1torr至约20torr间，较佳是约1torr至约5torr间，例如约3torr。衬底被加热到约500℃至约1,000℃间，较佳是约700℃至约900℃间。试剂混合物被热驱动反应以外延沉积含硅材料层，特别是硅锗层。蚀刻剂可从衬底表面介电特征上移除任何沉积的非晶硅锗化合物。
执行此工艺以生成厚度约至约的硅锗层，例如约至约的含硅层。在另一实例中，所沉积的含硅层厚度介于约至约间。在一实施例中，该含硅层的厚度大于约例如约硅锗层中的锗浓度可以有梯度变化，较佳是该硅锗层一较低部位所含锗浓度较该硅锗层上方部位的锗浓度来得高。该硅锗层中的锗浓度介于约1原子％至约30原子％间，例如约20原子％。
除了锗之外，其它对沉积硅锗层有用的锗源或前体包括较高碳数的锗烷及有机锗烷。较高碳数的锗烷包括化学式为Ge_xH_(2x+2)的化合物，例如，二锗烷(Ge₂H₆)、三锗烷(Ge₃H₈)及四锗烷(Ge₄H₁₀)等等。有机锗烷包括化学式为R_yGe_xH_(2x+2-y)的化合物，其中，R＝甲基、乙基、丙基或丁基，例如甲基锗烷((CH₃)GeH₃)、二甲基锗烷((CH₃)₂GeH₂)、乙基锗烷((C₂H₅)GeH₃)、甲基二锗烷((CH₃)Ge₂H₅)、二甲基二锗烷((CH₃)₂Ge₂H₄)及六甲基二锗烷((CH₃)₆Ge₂)。已发现有机锗烷是本发明实施例较佳的锗源及碳源，以便能在沉积含硅材料(主要是硅锗及硅锗碳材料)期间一便并入锗及碳于其中。锗源通常与载气(例如，一氢气)一同混合，以将锗源稀释及更易于控制该锗源浓度。与例来说，一流速介于0.5sccm至约5sccm的锗源相当于在流速约50sccm至约500sccm间的载气中流入约1％的锗一样。在此份说明书中，锗源的流速均忽略了载气的流速。
在另一实施例中，一含硅层被外延生长成为一有掺杂剂的硅层。将含有一半导体特征的衬底(直径300毫米)放入一处理室中。在沉积期间，将一载气(例如，氢气和/或氮气)、一掺杂剂(例如，B₂H₆)、一蚀刻剂(例如，HCl)与一硅前体(例如，硅烷或二氯硅烷)同时流入一工艺室中。硅前体的流速在约5sccm至约500sccm间，较佳是约50sccm至约200sccm间。载气的流速在约10slm至约30slm间。掺杂剂前体域的流速在约0.01sccm至约10sccm间，较佳是约0.2sccm至约2sccm间。蚀刻剂的流速在约5sccm至约1,000sccm间，较佳是约30sccm至约500sccm间。工艺室压力维持在约0.1torr至约20torr间，较佳是约1torr至约5torr间，例如约3torr。衬底被加热到约500℃至约1,000℃间，较佳是约700℃至约900℃间。试剂混合物被热驱动反应以外延沉积含掺杂剂的硅材料层。蚀刻剂可从衬底表面介电特征上移除任何沉积的非晶硅或多晶硅化合物。
执行此工艺以生成厚度约至约的含有掺杂剂的硅层，例如约至约的含硅层。在另一实例中，所沉积的含硅层厚度介于约至约间。在一实施例中，该含硅层的厚度大于约例如约硅层中的掺杂剂浓度可以有梯度变化，较佳是该硅层一较低部位所含掺杂剂浓度比该硅层上方部位的掺杂剂浓度更高。
掺杂剂可提供所沉积的硅层各种导电特性，例如，电子器件所需要的使介电电子能在一控制的期望沟道中流动。含硅材料膜层中被掺入特定浓度的掺杂剂，以达到期望的导电特征。在一实施例中，该含硅材料是掺入p-型掺杂剂，例如以二硼烷来掺入浓度在10¹⁵原子/cm³至约10²¹原子/cm³的硼。在一实施例中，该p-型掺杂剂的浓度至少为5×10¹⁹原子/cm³。在另一实施例中，该p-型掺杂剂在约1×10²⁰原子/cm³至约2.5×10²¹原子/cm³。在另一实施例中，该含硅材料是掺入n-型掺杂剂，例如掺入浓度在10¹⁵原子/cm³至约10²¹原子/cm³的磷和/或砷。
可用于所述沉积工艺中的含硼掺杂剂或掺杂剂前体包括硼烷及烷基硼烷。硼烷可包括硼烷、二硼烷、三硼烷、四硼烷、五硼烷、及其衍生物、络合物与其组合。烷基硼烷包括化学式为R_xBH_(3-x)的化合物，其中，R＝甲基、乙基、丙基或丁基，且x＝0、1、2或3。烷基硼烷包括三甲基硼烷((CH₃)₃B)、二甲基硼烷((CH₃)₂BH)、三乙基硼烷((C₂H₅)₃B)、二乙基硼烷((C₂H₅)₂BH)、及其衍生物、络合物与其组合。掺杂剂前体包括也包括胂(AsH₃)、膦(PH₃)及烷基膦(alkylphosphine)，例如化学式为R_xPH_(3-x)的化合物，其中，R＝甲基、乙基、丙基或丁基，且x＝0、1、2或3。烷基膦(alkylphosphine)包括三甲基膦((CH₃)₃P)、二甲基膦((CH₃)₂PH)、三乙基膦((C₂H₅)₃P)及二乙基膦((C₂H₅)₂PH)、及其衍生物、络合物与其组合。掺杂剂通常与载气(例如，氢气)混合，以便能稀稀释及更易于控制该掺杂剂浓度。与例来说，一流速介于0.2sccm至约2sccm的掺杂剂相当于在流速约20sccm至约200sccm间的载气中流入约1％的掺杂剂一样。在此份说明书中，掺杂剂的流速均忽略了载气的流速。
在另一实施例中，一含硅层被外延生长成为一有掺杂剂的硅锗层。将含有一半导体特征的衬底(直径300毫米)放入一处理室中。在沉积期间，将一载气(例如，氢气和/或氮气)、一掺杂剂(例如，B₂H₆)、一锗源(例如，GeH₄)、一蚀刻剂(例如，HCl)与一硅前体(例如，硅烷或二氯硅烷)同时流入一工艺室中。硅前体的流速在约5sccm至约500sccm间，较佳是约50sccm至约200sccm间。载气的流速在约10slm至约30slm间。锗源的流速在约0.1sccm至约10sccm间，较佳是约0.5sccm至约5sccm间。掺杂剂前体域的流速在约0.01sccm至约10sccm间，较佳是约0.2sccm至约3sccm间。蚀刻剂的流速在约5sccm至约1,000sccm间，较佳是约30sccm至约500sccm间。工艺室压力维持在约0.1torr至约200torr间，较佳是约1torr至约5torr间，例如约3torr。衬底被加热到约500℃至约1,000℃间，较佳是约700℃至约900℃间。试剂混合物被热驱动反应以外延沉积含掺杂剂的硅材料层，主要是一硅锗层。蚀刻剂可从衬底表面介电特征上移除任何沉积的非晶硅锗层化合物。执行此工艺以生成厚度约至约的含有掺杂剂的硅锗层，例如约至约的硅锗层。在另一实例中，所沉积的硅锗层厚度介于约至约间。在一实施例中，该硅锗层的厚度大于约例如约硅锗层中的锗浓度及掺杂剂浓度可以有梯度变化，较佳是该硅锗层一较低部位所含锗浓度和/或掺杂剂浓度比该硅锗层上方部位的锗浓度和/或掺杂剂浓度更高。该硅锗层中的锗浓度介于约1原子％至约50原子％间，较佳是在15原子％至约35原子％间。所掺入至该硅锗层中的硼浓度在10¹⁹原子/cm³至约2.5×10²¹原子/cm³间，例如，约1×10²⁰原子/cm³的硼。
在另一实施例中，一含硅层被外延生长成为一硅-碳层。将含有一半导体特征的衬底(直径300毫米)放入一处理室中。在沉积期间，将一载气(例如，氢气和或氮气)、一碳源(例如，CH₃SiH₃)、一蚀刻剂(例如，HCl)与一硅前体(例如，硅烷或二氯硅烷)同时流入一工艺室中。硅前体的流速在约5sccm至约500sccm间，较佳是约50sccm至约200sccm间。载气的流速在约10slm至约30slm间。碳源的流速在约0.1sccm至约15sccm间，较佳是约0.3sccm至约5sccm间。蚀刻剂的流速在约5sccm至约1,000sccm间，较佳是约30sccm至约500sccm间。工艺室压力维持在约0.1torr至约200torr间，较佳是约1torr至约5torr间，例如约3torr。衬底被加热到约500℃至约1,000℃间，较佳是约700℃至约900℃间。试剂混合物被热驱动反应以外延沉积含硅材料层，特别是硅碳层。蚀刻剂可从衬底表面介电特征上移除任何沉积的非晶硅碳材料。
执行此工艺以生成厚度约至约的硅碳层，例如约至约的含硅层。在另一实例中，所沉积的含硅层厚度介于约至约间。在一实施例中，该含硅层的厚度大于约例如约硅碳层中的碳浓度可以有梯度变化，较佳是该硅碳层一较低部位所含碳浓度较该硅碳层上方部位的碳浓度来得高。该硅碳层中的碳浓度介于约200ppm至约5原子％间，较佳是介于约1原子％至约3原子％间，例如约1.5原子％。
对沉积硅碳层有用的碳源包括乙基、丙基或丁基的有机硅烷、烷类、烯类及炔类。这类碳源包括甲基硅烷((CH₃)SiH₃)、二甲基硅烷((CH₃)₂SiH₂)、乙基硅烷((C2H₅)SiH₃)、甲烷(CH₄)、乙烯(C₂H₄)、乙炔(C₂H₂)、丙烷(C₃H₈)、丙烯(C₃H₆)、丁炔(C₄H₆)等等。碳源通常与载气(例如，一氢气)一同混合，以将碳源稀释及更易于控制该碳源浓度。与例来说，一流速介于0.3sccm至约5sccm的碳源相当于在流速约30sccm至约500sccm间的载气中流入约1％的碳一样。在此份说明书中，碳源的流速均忽略了载气的流速。
在另一实施例中，一含硅层被外延生长成为一有掺杂剂的硅碳层。将含有一半导体特征的衬底(直径300毫米)放入一处理室中。在沉积期间，将一载气(例如，氢气和或氮气)、一碳源(例如，CH3SiH3)、一掺杂剂(例如，B2H6)、一蚀刻剂(例如，HCl)与一硅前体(例如，硅烷或二氯硅烷)同时流入一工艺室中。硅前体的流速在约5sccm至约500sccm间，较佳是约50sccm至约200sccm间。载气的流速在约10slm至约30slm间。碳源的流速在约0.1sccm至约15sccm间，较佳是约0.3sccm至约5sccm间。掺杂剂前体域的流速在约0.01sccm至约10sccm间，较佳是约0.2sccm至约3sccm间。蚀刻剂的流速在约5sccm至约1,000sccm间，较佳是约30sccm至约500sccm间。工艺室压力维持在约0.1torr至约200torr间，较佳是约1torr至约5torr间，例如约3torr。衬底被加热到约500℃至约1,000℃间，较佳是约700℃至约900℃间。试剂混合物被热驱动反应以外延沉积含掺杂剂的硅碳材料层。蚀刻剂可从衬底表面介电特征上移除任何沉积的非晶硅碳材料。
执行此工艺以生成厚度约至约的含有掺杂剂的硅碳层，例如约至约的硅碳层。在另一实例中，所沉积的硅碳层厚度介于约至约间。在一实施例中，该硅碳层的厚度大于约例如约该含有掺杂剂的硅碳层中的碳浓度和/或掺杂剂浓度可以有梯度变化，较佳是该硅碳层一较低部位所含碳浓度和/或掺杂剂浓度较该硅碳层上方部位的含碳浓度和/或掺杂剂浓度来得高。该含有掺杂剂的硅碳层中的碳浓度介于约200ppm至约5原子％间，较佳是介于约1原子％至约3原子％间，例如约1.5原子％。所掺入至该硅碳层中的硼浓度在10¹⁹原子/cm³至约2.5×10²¹原子/cm³间，例如，约1×10²⁰原子/cm³的硼。
在另一实施例中，一含硅层被外延生长成为一硅-锗-碳层。将含有一半导体特征的衬底(直径300毫米)放入一处理室中。在沉积期间，将一载气(例如，氢气和或氮气)、一锗源(例如，GeH₄)、一碳源(例如，CH₃SiH₃)、一蚀刻剂(例如，HCl)与一硅前体(例如，硅烷或二氯硅烷)同时流入一工艺室中。硅前体的流速在约5sccm至约500sccm间，较佳是约50sccm至约200sccm间。载气的流速在约10slm至约30slm间。锗源的流速在约0.1sccm至约10sccm间，较佳是约0.5sccm至约5sccm间。碳源的流速在约0.1sccm至约50sccm间，较佳是约0.3sccm至约5sccm间。蚀刻剂的流速在约5sccm至约1,000sccm间，较佳是约30sccm至约500sccm间。工艺室压力维持在约0.1torr至约200torr间，较佳是约1torr至约5torr间，例如约3torr。衬底被加热到约500℃至约1,000℃间，较佳是约500℃至约700℃间。试剂混合物被热驱动反应以外延沉积含硅材料层，特别是硅锗碳层。蚀刻剂可从衬底表面介电特征上移除任何沉积的非晶硅锗碳材料。
执行此工艺以生成厚度约至约的硅锗碳层，例如约至约的含硅层。在另一实例中，所沉积的含硅层厚度介于约至约间。在一实施例中，该含硅层的厚度大于约例如约硅锗碳层中的锗浓度和/或碳浓度可以有梯度变化，较佳是该硅锗碳层一较低部位所含锗浓度和/或碳浓度比该硅锗碳层上方部位的锗浓度和/或碳浓度更高。该硅锗碳层中的锗浓度介于约1原子％至约50原子％间，较佳是在15原子％至约35原子％间。该硅锗碳层中的碳浓度介于约200ppm至约5原子％间，较佳是介于约1原子％至约3原子％间，例如约1.5原子％。
在另一实施例中，一含硅层被外延生长成为一有掺杂剂的硅锗碳层。将含有一半导体特征的衬底(直径300毫米)放入一处理室中。在沉积期间，将一载气(例如，氢气和或氮气)、一锗源(例如，GeH₄)、一碳源(例如，CH₃SiH₃)、一掺杂剂(例如，B₂H₆)、一蚀刻剂(例如，HCl)与一硅前体(例如，硅烷或二氯硅烷)同时流入一工艺室中。硅前体的流速在约5sccm至约500sccm间，较佳是约50sccm至约200sccm间。载气的流速在约10slm至约30slm间。锗源的流速在约0.1sccm至约10sccm间，较佳是约0.5sccm至约5sccm间。碳源的流速在约0.1sccm至约15sccm间，较佳是约0.3sccm至约5sccm间。掺杂剂前驱域的流速在约0.01sccm至约10sccm间，较佳是约0.2sccm至约3sccm间。蚀刻剂的流速在约5sccm至约1,000sccm间，较佳是约30sccm至约500sccm间。工艺室压力维持在约0.1torr至约200torr间，较佳是约1torr至约5torr间，例如约3torr。衬底被加热到约500℃至约1,000℃间，较佳是约500℃至约700℃间。试剂混合物被热驱动反应以外延沉积含掺杂剂的硅锗碳材料层。蚀刻剂可从衬底表面介电特征上移除任何沉积的非晶硅锗碳材料。
执行此工艺以生成厚度约至约的含有掺杂剂的硅锗碳层，例如约至约的硅碳层。在另一实例中，所沉积的硅锗碳层厚度介于约至约间。在一实施例中，该硅锗碳层的厚度大于约例如约该含有掺杂剂的硅锗碳层中的锗浓度、碳浓度和/或掺杂剂浓度可以有梯度变化，较佳是该硅锗碳层一较低部位所含锗浓度、碳浓度和/或掺杂剂浓度比该硅锗碳层上方部位的含锗浓度、碳浓度和/或掺杂剂浓度更高。该含有掺杂剂的硅锗碳层中的锗浓度介于约1原子％至约50原子％间，较佳是在15原子％至约35原子％间。该含有掺杂剂的硅锗碳层中的碳浓度介于约0.1原子％至约5原子％间，较佳是介于约1原子％至约3原子％间。所掺入至该硅锗碳层中的硼浓度在10¹⁹原子/cm³至约2.5×10²¹原子/cm³间，例如，约1×10²⁰原子/cm³的硼。
在另一实施例中，在沉积任一上述含硅层材料之后，接着以二氯硅烷外延生长一第二含硅层。将含有上述化合物的衬底(直径300毫米)放入一处理室中。在沉积期间，将一载气(例如，氢气和或氮气)、一锗源(例如，GeH₄)、一蚀刻剂(例如，HCl)与一硅前体(例如，Cl₂SiH₂)同时流入一工艺室中。该二氯硅烷的流速在约5sccm至约500sccm间，较佳是约50sccm至约200sccm间。载气的流速在约10slm至约30slm间。锗源的流速在约0.1sccm至约10sccm间，较佳是约0.5sccm至约5sccm间。蚀刻剂的流速在约5sccm至约1,000sccm间，较佳是约30sccm至约500sccm间。工艺室压力维持在约0.1torr至约200torr间，较佳是低于约5torr间，例如约3torr。衬底被加热到约500℃至约1,000℃间，较佳是约700℃至约900℃间。试剂混合物被热驱动反应以外延沉积一第二含硅层，主要是一硅锗层。蚀刻剂可从衬底表面介电特征上移除任何沉积的非晶硅锗材料。执行此工艺以约/分钟至约/分钟的速率，较佳是约/分钟的速率，生成厚度约至约的硅锗层。该硅锗层中的锗浓度介于约1原子％至约30原子％间，较佳是约20原子％间。在一实施例中，一沉积工艺使用硅烷来沉积出一硅锗层。在其它实施例中，则以二氯硅烷来取代前述任一实施例中的硅烷，来沉积出一第二含硅层。在另一实施例中，可以上述任一硅烷为主的工艺来沉积一第三含硅层。
因此，在一实施例中，可借助交互使用硅烷与二氯硅烷作为不同的硅前体，来依序沉积含硅材料而形成一含硅积层(a silicon-containing laminate)。在一实施例中，借助沉积4层含硅层(每一层约)而来形成一层约厚的含硅积层，其中第一层与第三层使用二氯硅烷作为硅前体，而第二层与第四层则是使用硅烷作为硅前体所沉积而成的。硅积层的另一方案是以硅烷来沉积该第一、三层，而以二氯硅烷来沉积第二、四层。每一层厚度与其它层不同，一硅积层中可含有不同厚度的含硅层。
在一实施例中，当前一层含有表面岛(例如，污染物或不规则表面)时，以二氯硅烷来沉积该含硅层。一并入有二氯硅烷的工艺对表面岛较不敏感，因此可沉积含硅材料于前一层。相较于使用硅烷作为硅前体来沉积含硅材料的工艺来说，使用二氯硅烷作为硅前体来沉积含硅材料时，具有较高或较快的水平或平面生长速率。在一实施例中，该表面岛被一具有同形、平滑且一致的表面(其由含二氯硅烷的沉积工艺所生成)的含硅材料所覆盖。
另一实施例，于工艺步骤间，可将衬底表面暴露在周围环境中，例如来自空气中的氧气或水气。暴露在周围环境中的步骤一般是在器件制造期间将衬底传送至不同工艺室间所产生的。在衬底表面沉积第一含硅层，将衬底表面暴露在周围环境，之后，在衬底表面沉积第二含硅层。在一方案中，在将衬底暴露在周围环境之前，先在该第一含硅层表面沉积一帽盖层。该层帽盖层可以是一种诸如硅之类的介电材料。举例来说，在衬底表面沉积一硅-锗层，之后在该硅-锗层上沉积一帽盖层，将衬底暴露至周围环境中，接着在该硅帽盖层上沉积一第二含硅层，例如一硅层或一硅-碳层。
本发明实施例提供在许多衬底及表面上沉积含硅层的方法。对本发明实施例有用的衬底包括(但不限于)半导体晶片，例如结晶硅(如，硅<100>及硅<111>)、二氧化硅、硅锗、有或无掺杂剂的晶片及有或无图案化的晶片。衬底可有许多不同的形状(例如圆形、方形及矩形)及大小(例如，直径200毫米或300毫米)。上述的衬底或表面可包括具有介电性、导电性与阻挡特性且包括聚硅、SOI、拉紧及未拉紧晶格的晶片、膜层、层及材料。表面前处理工艺可包括一研磨工艺、一蚀刻工艺、一还原工艺、一氧化工艺、一羟基化工艺、一硬化工艺及一烘烤工艺。在一实施例中，将晶片浸入1％HF溶液，在含有氢气的800℃的环境下干燥并加热。
在一实施例中，含硅材料包括浓度介于约0原子％至约95原子％间的锗。在另一实施例中，含硅材料包括浓度介于约1原子％至约30原子％间的锗，较佳是介于约15原子％至约30原子％间的锗，例如约20原子％。含硅化合物也包括浓度介于约0原子％至约5原子％间的碳。在其它方案中，碳浓度介于约200ppm至约3原子％间，较佳是介于约1.5原子％。
以本发明方法制备而成的锗和/或碳的含硅材料层可具有一致、随意或梯度的元素浓度。梯度硅锗层揭示于同时受让与本发明申请人的美国专利第6,770,134号及美国专利申请公开案第20020174827号中，其全部内容在此并入作为参考。在一实施例中，以一硅源及一锗源(例如，GeH₄)来沉积硅锗层。在此实施例中，可变化该硅源及锗源的流速以控制沉积层中的元素浓度。在另一实施例中，以一硅源及一碳源(例如，CH₃SiH₃)来沉积硅碳层。在此实施例中，可变化该硅源及碳源的流速以于均匀或梯度层生长期间来控制沉积层中的元素浓度。在另一实施例中，以一硅源、一锗源(例如，GeH₄)及一碳源(例如，CH₃SiH₃)来沉积硅锗碳层。在此实施例中，可变化该硅源、锗源及碳源的流速以于均匀或梯度层生长期间来控制沉积层中的元素浓度。
由所述工艺产生的MOSFET器件可含有一PMOS器件及一NMOS器件。该PMOS器件具有一p-型沟道，其具有负责沟道导电性的空穴；至于该NMOS器件具有一n-型沟道，其具有负责沟道导电性的电子。因此，可沉积诸如硅锗之类的含硅材料于凹陷(退缩)区域中，以形成一PMOS器件。在另一实施例中，可沉积诸如硅碳之类的含硅材料于凹陷(退缩)区域中，以形成一NMOS器件。一并入的碳数远高于硅数的硅锗材料，可降低接合面间的电阻。此外，衬底表面该硅锗/硅化物层界面也比硅/硅化物层接口具有较低的肖特基阻挡性质。
此外，外延生长于一硅层顶部的硅锗层，因为硅锗的晶格常数大于硅，因此其膜层内部有压缩应力。该压缩应力会被转移到水平方向上以于该PMOS沟道中产生出压缩力而提高空穴的迁移力。对NMOS应用来说，可在凹陷区域使用硅碳来提高沟道的拉伸应力，因为硅碳的晶格常数低于硅。该拉伸应力被转移到沟道内而提高了电子的迁移力。因此，在一实施例中，形成具有一第一拉紧晶格值(a first lattice strain value)的第一含硅层与具有一第二拉紧晶格值的第二含硅层。举例来说，一厚度介于约至约的硅碳层被沉积在一衬底表面上，接着，在该硅碳层上沉积一厚度介于约至约的硅锗层。该硅碳层可以是外延生长且比外延生长在硅碳层上的硅锗层具有较少的拉紧应力。
在本发明工艺中，以CVD工艺来制备含硅材料层，其中该CVD工艺可以是原子层沉积(ALD)工艺和/或原子层外延(ALE)工艺。化学沉积工艺会使用到多种技术，例如电浆辅助CVD(PA-CVD)、原子层CVD(ALCVD)、有机金属或金属有机CVD(OMCVD或MOCVD)、雷射辅助CVD(LA-CVD)、深紫外光CVD(UV-CVD)、热线CVD(HWCVD)、减压CVD(RP-CVD)、超高真空CVD(UHV-CVD)等等。在一实施例中，本发明较佳工艺是使用热式CVD来外延生长或沉积该含硅材料，这些含硅材料包括硅、硅锗、硅碳、硅锗碳、其含有掺杂剂的变化物或其组合。
可在公知ALE、CVD、及ALD工艺中的设备内执行本发明工艺。这些设备可令来源物与一加热衬底接触，使含硅材料层于其上生长。该工艺可在约0.1torr至约200torr的压力间操作，较佳是在约0.5torr至约50torr的压力间操作，更佳是在约1torr至约10torr的压力间操作。可用来沉积含硅膜层的硬件包括美商应用材料公司(加州，圣塔卡拉市)出品的Epi系统及Poly系统。对沉积此所述含硅层有用的ALD设备揭示在2001年12月21日提申的美国公开专利第20030079686号中，标题为“Gas DeliveryApparatus and Methods for ALD”，其全部内容在此并入作为参考。其它设备还包括公知的高温烤箱。
实施例1：SiGe/Si堆叠以一硅<100>衬底(直径300毫米)来探讨由CVD工艺所生成的选择性、单晶膜层。在该晶片表面上有一介电特征。该晶片借助将衬底浸泡在1％HF中约45秒所制备而成的。将晶片加载至沉积室中(Epi室)并在800℃氢气环境下烘烤约60秒以去除原本存在的氧化物。将氢气的载气流导引朝向衬底，并加入来源化合物于其中。在3torr、725℃下加入二氯硅烷(100sccm)及锗烷(1％GeH4在氢气中，280sccm)；此外，还传送氯化氢(190sccm)及二硼烷(1％在氢气中，150sccm)至处理室中。将衬底维持在725℃，执行约5分钟的沉积工艺，以生成的硅锗层，其中锗浓度约20原子％且硼浓度约1.0×10²⁰/cm³。将衬底从沉积室中移出，并暴露在周围环境中。再次将衬底载入至一第二沉积室中(Epi室)并加热至800℃。将衬底暴露在一含有硅烷(100sccm)及氯化氢(250sccm)的处理器体中约10分钟，以选择性地沉积一硅层在该硅锗层上。
实施例2：梯度SiGe/Si堆叠以一硅<100>衬底(直径300毫米)来探讨由CVD工艺所生成的选择性、单晶膜层。在该晶片表面上有一介电特征。该晶片借助将衬底浸泡在1％HF中约45秒所制备而成的。将晶片加载至沉积室中(Epi室)并在800℃氢气环境下烘烤约60秒以去除原本存在的氧化物。将氢气的载气流导引朝向衬底，并加入来源化合物于其中以沉积出第一硅锗层。在3torr、725℃下加入二氯硅烷(100sccm)及锗烷(1％GeH4在氢气中，190sccm)；此外，还传送氯化氢(160sccm)及二硼烷(1％在氢气中，150sccm)至处理室中。将衬底维持在725℃，执行约2分钟的沉积工艺，以生成的硅锗层，其中锗浓度约15原子％且硼浓度约5.0×10¹⁹/cm³。在该第一硅锗层上沉积一第二硅锗层以生成一具有梯度的硅锗层。在3torr、725℃下加入二氯硅烷(100sccm)及锗烷(1％GeH4在氢气中，350sccm)；此外，还传送氯化氢(250sccm)及二硼烷(1％在氢气中，125sccm)至处理室中。将衬底维持在725℃，执行约5分钟的沉积工艺，以生成的硅锗层，其中锗浓度约30原子％且硼浓度约1.8×10²⁰/cm3。将衬底从沉积室中移出，并暴露在周围环境中。再次将衬底载入至一第二沉积室中(Epi室)并加热至800℃。将衬底暴露在一含有硅烷(100sccm)及氯化氢(250sccm)的处理器体中约10分钟，以选择性地沉积一硅层在该硅锗层上。
实施例3：SiC/Si堆叠以一硅<100>衬底(直径300毫米)来探讨由CVD工艺所生成的选择性、单晶膜层。在该晶片表面上有一介电特征。该晶片借助将衬底浸泡在1％HF中约45秒所制备而成的。将晶片加载至沉积室中(Epi室)并在800℃氢气环境下烘烤约60秒以去除原本存在的氧化物。将氢气的载气流导引朝向衬底，并加入来源化合物于其中。在3torr、725℃下加入二氯硅烷(100sccm)及甲基硅烷(1％CH₃SiH₃在氢气中，100sccm)；此外，还传送氯化氢(160sccm)及二硼烷(1％在氢气中，150sccm)至处理室中。将衬底维持在725℃，执行约5分钟的沉积工艺，以生成的硅碳层，其中碳浓度约1.25原子％且硼浓度约1.0×10²⁰/cm³。将衬底从沉积室中移出，并暴露在周围环境中。再次将衬底载入至一第二沉积室中(Epi室)并加热至800℃。将衬底暴露在一含有硅烷(100sccm)及氯化氢(250sccm)的处理器体中约10分钟，以选择性地沉积一硅层在该硅碳层上。
实施例4：梯度SiC/Si堆叠以一硅<100>衬底(直径300毫米)来探讨由CVD工艺所生成的选择性、单晶膜层。在该晶片表面上有一介电特征。该晶片借助将衬底浸泡在1％HF中约45秒所制备而成的。将晶片加载至沉积室中(Epi室)并在800℃氢气环境下烘烤约60秒以去除原本存在的氧化物。将氢气的载气流导引朝向衬底，并加入来源化合物于其中以沉积出第一硅锗层。在3torr、725℃下加入二氯硅烷(100sccm)及甲基硅烷(1％CH₃SiH₃在氢气中，80sccm)；此外，还传送氯化氢(160sccm)及二硼烷(1％在氢气中，100sccm)至处理室中。将衬底维持在725℃，执行约2分钟的沉积工艺，以生成的硅碳层，其中碳浓度约1.25原子％且硼浓度约5.0×10¹⁹/cm³。在该第一硅碳层上沉积一第二硅碳层以生成一具有梯度的硅碳层。在3torr、725℃下加入二氯硅烷(100sccm)及甲基硅烷(1％CH₃SiH₃在氢气中，359sccm)；此外，还传送氯化氢(250sccm)及二硼烷(1％在氢气中，150sccm)至处理室中。将衬底维持在725℃，执行约5分钟的沉积工艺，以生成的硅碳层，其中碳浓度约1.75原子％且硼浓度约1.8×10²⁰/cm³。将衬底从沉积室中移出，并暴露在周围环境中。再次将衬底载入至一第二沉积室中(Epi室)并加热至800℃。将衬底暴露在一含有硅烷(100sccm)及氯化氢(250sccm)的处理器体中约10分钟，以选择性地沉积一硅层在该硅碳层上。
实施例5：SiGeC/Si堆叠以一硅<100>衬底(直径300毫米)来探讨由CVD工艺所生成的选择性、单晶膜层。在该晶片表面上有一介电特征。该晶片借助将衬底浸泡在1％HF中约45秒所制备而成的。将晶片加载至沉积室中(Epi室)并在800℃氢气环境下烘烤约60秒以去除原本存在的氧化物。将氢气的载气流导引朝向衬底，并加入来源化合物于其中。在3torr、725℃下加入二氯硅烷(100sccm)、锗烷(1％GeH₄在氢气中，190sccm)及甲基硅烷(1％CH₃SiH₃在氢气中，100sccm)；此外，还传送氯化氢(220sccm)及二硼烷(1％在氢气中，150sccm)至处理室中。将衬底维持在725℃，执行约5分钟的沉积工艺，以生成的硅锗碳层，其中锗浓度约20原子％，碳浓度约1.5原子％且硼浓度约1.0×10²⁰/cm³。将衬底从沉积室中移出，并暴露在周围环境中。再次将衬底载入至一第二沉积室中(Epi室)并加热至800℃。将衬底暴露在一含有硅烷(100sccm)及氯化氢(250sccm)的处理器体中约10分钟，以选择性地沉积一硅层在该硅锗碳层上。
虽然本发明已用本发明的实施例被明确地示出及说明，但本领域技术人员将可了解的是上述在形式及细节上的其它形式与细节上的改变可在不偏离本发明的范围及精神下被实现。因此，本发明并不局限于所示及所说明的特定形式与细节，而是落在由以下的权利要求书所界定的范围内。