选择性外延生长锗硅的晶片预处理方法

摘要

本发明提供一种选择性外延生长锗硅的晶片预处理方法，至少包括以下步骤：1）晶片预清洗；2）将预清洗后的晶片装入反应腔，通入氢气并将晶片加热到预设温度，使氢气与晶片表面的自然氧化层发生反应以去除所述自然氧化层；3）紧接着将氯化氢气体喷到晶片表面，使氯化氢与晶片表面的金属杂质反应以溶解所述金属杂质；4）将反应腔抽真空以去除多余的氢气、氯化氢以及前两步中反应后的杂质；5）将晶片温度调整到锗硅外延生长温度并往所述反应腔内通入氢气载气和氯化氢选择气体。本发明的晶片预处理方法利用现有设备中的氯化氢气路，氯化氢处理发生于反应腔内，处理时间短，工艺简单，能大大提高晶片的洁净度，保证后续锗硅外延层的质量。

说明书

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造领域，涉及一种晶片预处理方法，特 别是涉及一种选择性外延生长锗硅的晶片预处理方法。

背景技术

根据摩尔定律：集成电路特征尺寸每18个月将减小30%,集成度增加一 倍，产品性价比增加一倍。在先进CMOS中,传统靠减薄栅氧化层厚度的 方法已经不能满足器件的需求。取而代之的是利用高介电常数的材料 来减小产品的电学厚度，利用应力技术来增强载流子的迁移率，利用 超低温离子植入技术和利用激光退火技术来实现超浅结的需要等等一 系列新工艺和新材料的运用。其中应力增强方法中最重要的就是在P型 半导体的源/漏区用选择性外延生长的锗化硅代替传统的硅。因为锗的 原子半径比硅要大，当锗掺入硅中后，源漏区会产生张应力，对沟道 而言，则会受到压应力的影响。PMOS的空穴在压应力的作用下，迁移 速率会大大加快，从而提高了器件性能。

外延工艺是指在衬底上生长一层与衬底具有相同晶格排列的材料，根 据生长方法分为非选择性外延和选择性外延。非选择性外延也称全外 延，而选择性外延生长是指在衬底上限定的区域内进行的外延生长。 锗硅外延是硅和锗通过共价键结合形成的半导体化合物，是锗、硅两 种元素无限互溶的替位式固溶体。在锗硅的选择性外延生长中通常用 氯化氢（HCl）气体作为选择气体，硅源中氯原子(或HCI)的数目越多 ,选择性越好,这是因为氯可以抑制在气相中和掩膜层表面处成核，而 氯化氢选择气体流量越大，选择性就会越好，但是生长速率就会变慢 ，影响生产线的产能，因此，HCI气体的量要控制在保证足够选择性的 基础上，尽量减小它的流量。

锗硅的外延生长时，晶片的清洁度非常重要，若晶片的清洁度达不到 要求，会严重影响后续外延锗硅的质量，如导致位错和应力释放，从 而影响做在外延层上的器件特性。所以在进入反应之前，晶片需经过 一道清洗的工艺，主要是去除晶片表面的微粒以及晶片刻蚀槽内表面 的自然氧化层，使需要生长锗硅的地方硅晶格整齐而有序的排列。通 常经过这道清洗工艺后，产品需要马上进入选择性外延反应腔生长锗 硅，中间的间隔越短越好，一般要控制在一小时以内。晶片进入反应 腔后也首先需要经过一个氢气高温烘烤过程，因为虽然经过了上一道 清洗工艺，但晶片上仍会残留少许杂质，并且在晶片进入反应腔之前 刻蚀槽内表面也会形成自然氧化层，并可能受到二次污染。氢气高温 烘烤能去除刻蚀槽内表面的自然氧化层和 晶片上的部分杂质，并且氢气烘烤的温度越高，晶片表面越干净。

但是在外延锗硅之前，晶片已经经过数道工艺，在晶片上已形成若干 器件，部分器件并不耐高温，因此氢气烘烤温度不能过高，导致外延 锗硅前晶片上的洁净度不够，容易使外延的锗硅形成缺陷。请参阅图 1，显示为现有技术中晶片经过预清洗并在反应腔内经过800℃氢气烘 烤后刻蚀槽内外延锗硅显示位错的透射电镜图，图中低锗锗硅2中圆圈 标注处的黑斑现象即为位错1。以上结果说明现有技术中选择性外延生 长锗硅前的氢气烘烤不能保证晶片的清洁度，容易导致外延的锗硅出 现位错和应力释放，从而影响做在外延层上的器件特性。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种选择性外 延生长锗硅的晶片预处理方法，用于解决现有技术中选择性外延生长 锗硅前的氢气烘烤不能保证晶片的清洁度，容易导致外延的锗硅出现 位错和应力释放，从而影响做在外延层上的器件特性的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种选择性外延生长锗 硅的晶片预处理方法，所述晶片预处理方法至少包括以下步骤：

1)晶片预清洗；

2)将预清洗后的晶片装入反应腔，通入氢气并将晶片加热到预设温度 ，使氢气与晶片表面的自然氧化层发生反应以去除所述自然氧化层；

3)紧接着将氯化氢气体喷到晶片表面，使氯化氢与晶片表面的金属杂 质反应以溶解所述金属杂质；

4)将反应腔抽真空以去除多余的氢气、氯化氢以及所述步骤2）、3） 中反应后的杂质；

5)将晶片温度调整到锗硅外延生长温度并往所述反应腔内通入氢气载 气和氯化氢选择气体。

可选地，所述步骤1）中，所述预清洗包括氢氟酸清洗的步骤。

可选地，所述步骤2）中，所述预设温度的范围是650~850 ℃，通入 氢气后反应腔内的气体压强范围是5~780 torr，氢气反应时间为10~ 100 s。

可选地，所述步骤2）中通入氢气后反应腔内的气体压强范围是550~6 50 torr。

可选地，所述步骤3）中，喷氯化氢气体时，氯化氢流量范围是30~20 0 sccm，喷氯化氢气体的时间为10~100 s，喷氯化氢气体时晶片温 度保持在500~850 ℃。

可选地，喷氯化氢气体时，氯化氢流量范围是50~80 sccm。

可选地，所述步骤4）中，抽真空后反应腔内的气体压强为0~30 tor r。

如上所述，本发明的选择性外延生长锗硅的晶片预处理方法，具有以 下有益效果：晶片 放入反应腔后，在氢气处理之后还包括一个氯化氢处理的步骤，氢气 处理能够和晶片表面的自然氧化层反应达到去除所述自然氧化层的目 的，氯化氢和前一步氢气处理产生的产物水结合形成盐酸，能够溶解 晶片上的金属杂质和其它杂质，溶解的杂质在随后的抽真空过程中随 氢气、氯化氢气体一同排到反应腔外。由于后续的外延锗硅工艺中需 要通入氯化氢选择气体，本发明的晶片预处理方法利用现有设备中的 氯化氢气路，不用额外增设气路，并且后续的外延锗硅工艺之前原本 也包括抽真空的步骤，本发明的晶片预处理方法中的抽真空步骤不是 额外增加的。本发明的选择性外延生长锗硅的晶片预处理方法在氢气 处理步骤之后紧接着将氯化氢气体喷到晶片表面，时间持续10~100s， 工艺简单，却能大大提高晶片的洁净度，保证后续锗硅外延层的质量 ，使做在外延层上的器件具有较好的特性。

附图说明

图1显示为现有技术中晶片经过预清洗并在反应腔内经过800℃氢气烘 烤后刻蚀槽内外延锗硅显示位错的透射电镜图。

图2本发明的选择性外延生长锗硅的晶片预处理方法的流程图。

图3显示为经过本发明的选择性外延生长锗硅的晶片预处理方法后刻蚀 槽内外延锗硅的透射电镜图。

元件标号说明

1                         位错

2                         低锗锗硅

3                         高锗锗硅

4                         硅

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可 由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发 明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中 的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下 进行各种修饰或改变。

请参阅2至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方 式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而 非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组 件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型 态也可能更为复杂。

首先请参阅图2，本发明的选择性外延生长锗硅的晶片预处理方法包括 以下步骤：

步骤S1：晶片预清洗；

外延锗硅前晶片的预清洗的目的主要是清除晶片表面的杂质颗粒以及 氧化硅，为外延层的生长提供良好的基础，通常包括氢氟酸清洗的步 骤。本实施例中，采用RCA标准清洗法进行预清洗，主要是依靠溶剂、 酸、表面活性剂和水，在不破坏晶圆表面特征的情况下通过喷射、净 化、氧化、蚀刻和溶解晶片表面污染物、有机物及金属离子污染。

步骤S2：将预清洗后的晶片装入反应腔，通入氢气并将晶片加热到预 设温度，使氢气与晶片表面的自然氧化层发生反应以去除所述自然氧 化层；

具体的，所述预设温度的范围是650~850 ℃，通入氢气后反应腔内的 气体压强范围是5~780 torr，氢气在预设温度下与晶片上刻蚀槽内表 面的氧化硅反应，产生水汽挥发掉，从而可有效去除氧化层。具体的 ，氢气反应时间为10~100 s。本实施例中，所述预设温度为800 ℃ ，氢气反应时反应腔内的气体压强范围是550~650 torr，并优选为6 00 torr。

步骤S3：紧接着将氯化氢气体喷到晶片表面，使氯化氢与晶片表面的 金属杂质反应以溶解所述金属杂质；

由于在所述步骤S2中氢气反应的温度不是太高（650~850 ℃），晶片 上还有部分杂质未能彻底除去，会影响后续外延锗硅的质量。因此本 发明的方法利用现有设备中的氯化氢气路，在氢气反应时间过后紧接 着在晶片表面喷氯化氢气体，并且喷氯化氢气体时晶片温度保持在50 0~850 ℃。氯化氢气体能与所述步骤S2中氢气与氧化硅反应后的产物 水汽结合，生成盐酸，盐酸与金属发生反应生成氯化物，从而将晶片 表面的金属颗粒溶解而去除，盐酸还能够溶解晶片表面的部分其它杂 质。具体的，喷氯化氢气体时，氯化氢流量范围是30~200 sccm，喷 氯化氢气体的持续时间为10~100 s。本实施例中，喷氯化氢气体时， 氯化氢流量范围是50~80 sccm，并优选为58 sccm。本发明的氯化氢 处理去除杂质的方法不同于一般的在化学槽内清洗的方法，本发明的 氯化氢处理过程位于反应腔内，在氯化氢处理之后晶片无需取出，避 免了二次污染。并且本发明的氯化氢处理过程简单，利用现有设备中 的氯化氢气路，氯化氢处理时间短，工艺简单。

步骤S4：将反应腔抽真空以去除多余的氢气、氯化氢以及前两步中反 应后的杂质；

由于外延锗硅时反应腔内所需压强较小，在常规的氢气烘烤过程之后 会有一个抽真空的步骤。本发明的预处理方法在氯化氢气体处理后并 没有额外增加步骤，而是利用原有工艺体系中的抽真空步骤，将反应 腔内多余的氢气、氯化氢以及前两步中反应后的杂质去除。具体的， 抽真空后反应腔内的气体压强为0~30 torr。

步骤S5：将晶片温度调整到锗硅外延生长温度并往所述反应腔内通入 氢气载气和氯化氢选择气体。

在以上步骤S1、S2、S3及S4之后，晶片的洁净度已达到要求，此时将 晶片温度调整到锗硅外延生长温度，通常锗硅外延生长温度范围为60 0~700 ℃，本实施例中，锗硅外延生长温度设为620 ℃。然后往反 应腔内通入氢气载气和氯化氢选择气体。

至此，即可引入硅源、锗源及掺杂源，开始锗硅的外延生长。完成外 延生长后，往反应腔内吹入氢气以去除硅原料和掺杂剂，并冷却到室 温，最后取出硅片。为了观察锗硅生长过程中是否有位错，产品需要 切片，并通过透射电子显微镜观察切面形貌，如锗硅层颜色单一且原 子排列有序，则质量比较好；如有黑斑等异常现象，则可能发生位错 ，工艺需要进行调整。

请参阅图3，显示为经过本发明的选择性外延生长锗硅的晶片预处理方 法后刻蚀槽内外延锗硅的透射电镜图。如图所示，钻石型刻蚀槽内自 下而上分别为低锗锗硅2、高锗锗硅3及硅4。所述低锗锗硅2是为了后 续的高锗锗硅3有一个适应过程。从图3中可以看到，无论是低锗锗硅 2还是高锗锗硅3均颜色单一，没有黑斑等异常现象，即没有位错的发 生。本实施例中，通过后续的退火，锗硅层上的应力可转移到其上的 硅层上，形成应变硅。而如背景部分所述，无氯化氢处理步骤的常规 预处理方法在外延生长低锗锗硅2时就出现了位错。由此可见，本发明 的选择性外延生长锗硅的晶片预处理方法能够获得更高的晶片清洁度 ，使晶片上能选择性外延生长高质量的锗硅。

综上所述，本发明的选择性外延生长锗硅的晶片预处理方法包括在反 应腔内进行氯化氢处理的步骤，能够在氢气处理去除氧化层之后进一 步溶解金属等杂质，溶解的杂质在随后的抽真空过程中随氢气、氯化 氢气体一同排到反应腔外，进一步提高晶片的洁净度。本发明的氯化 氢处理去除杂质的步骤不同于一般的在化学槽内清洗的方法，而是位 于反应腔内，在氯化氢处理之后晶片无需取出，避免了再次污染。本 发明的晶片预处理方法利用现有设备中的氯化氢气路，不用额外增设 气路，本发明的晶片预处理方法中的抽真空步骤也不是额外增加的， 氯化氢处理时间短，工艺简单，能大大提高晶片的洁净度，保证后续 锗硅外延层的质量，使做在外延层上的器件具有较好的特性。所以， 本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发 明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对 上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知 识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修 饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。