一种高锗浓度的锗硅外延方法

摘要

本发明公开了一种高锗浓度的锗硅外延方法，当通入硅烷和锗烷气体时，以降低硅烷和锗烷的百分比来增加锗硅外延的锗的含量，在相同的锗源流量时，随着硅源流量的降低，锗浓度有较大的提高，最终能够得到锗原子百分比为25～35％的无缺陷的锗硅外延薄膜。本发明在利用现有设备的前提下，平衡了生长速率与锗的掺杂浓度，获得高锗浓度的同时，外延的生长速率仅有很少的降低，能保证锗硅外延没有缺陷，达到器件要求，同时有足够的产能。

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造方法，尤其是一种高锗浓度的锗硅外延方法。

背景技术

SiGe是继Si和GaAs之后的又一重要的半导体材料，具有优于纯Si材料的 良好特性，工艺和制程又可以与硅工艺兼容，SiGe异质结双极型晶体管(HBT) 电性能几乎可达到GaAs等化合物半导体制作同类器件的水平，其在RF(射频) 尤其是超高频领域有广泛应用前景，而且其能与CMOS工艺集成，充分发挥CMOS 工艺高集成度、低成本的优势，同时还能实现SiGe/Si HBT的高频性能和低噪 声性能。

锗因为禁带宽度较窄(约0.67eV，硅为1.12eV)，与硅结合后在基区形成 加速电场，以达到载流子快速输运特性和器件的高频特性。HBT电流增益β ＝(N_EW_ED_B/N_BW_BD_E)*exp(ΔEg/kt)，锗的浓度增加能够提高β值，这样保证β的 同时可以提高基区掺杂浓度，因而降低基区度越时间，改善高频特性。理论上， 要求锗的浓度尽可能高。从目前的资料来看，锗浓度一般都低于20％(原子百分 比)，而且对于较高锗浓度的锗硅外延，没有公开具体的生长方法。这可能基 于以下几方面的限制，第一，考虑到锗硅外延在硅外延上太高的锗浓度，失配 较大，容易弛豫产生缺陷；第二，可以通过外延温度的降低来提高锗浓度，但 外延生长速率会降低很多，我们通过实验得知，温度降低30℃，生长速率降低 为原来的1/3，使得产能降低，同时通过降温这种方式对提高锗浓度有限，温度 降低30℃锗浓度也就提高了2％；第三，可以通过增加锗烷流量来提高锗浓度， 但是随着锗烷流量的增加，外延生长速率增加，这样使得锗浓度的提高有限， 我们把流量开到最大，锗浓度仅提高了2％。因此，第三种方法，想要做到高锗 浓度，必须增加一路锗烷的流量计，目前我们做10％～20％锗浓度，因为需要做出 Ge梯度(即锗浓度从高浓度渐变到低浓度)，已经需要两路锗烷流量计，所以 要做高锗浓度外延，必须至少需要三路锗烷，这增加了设备成本及工艺的复杂 度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高锗浓度的锗硅外延方法，不仅锗浓 度要高，比如达到原子百分比为25～35％，而且能保证锗硅外延没有缺陷，达到 器件要求，同时有足够的产能(Throughput)。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高锗浓度的锗硅外延方法，当通入 硅烷和锗烷气体时，以降低硅烷和锗烷的百分比来增加锗硅外延的锗的含量， 在相同的锗源流量时，随着硅源流量的降低，锗浓度有较大的提高，最终能够 得到锗原子百分比为25～35％的无缺陷的锗硅外延薄膜。

所述锗硅外延薄膜中的高锗浓度区是通过低硅烷分压来生长的，即以降低 硅烷的流量来实现锗浓度的提高。

所述高锗浓度区生长时其硅烷流量为20～50sccm，锗烷流量为300～500sccm， 硅烷流量/锗烷流量为1/20～1/5。

所述高锗浓度区生长时其硅烷流量为20～50sccm，锗烷流量为300～500sccm， 硅烷流量/锗烷流量为1/12～1/8。

所述锗硅外延薄膜中锗的分布为梯形、矩形或三角形分布。

为了实现锗硅外延薄膜中高锗浓度梯形分布，采用如下方法从右往左依次 生长低锗浓度区、高锗浓度区和低锗浓度区：首先采用高硅烷分压生长低锗浓 度区，高硅烷分压中硅烷流量/锗烷流量为1/3.5～1/0(1/0表示锗烷流量已经 小到为0sccm)，锗烷流量为0～100sccm，硅烷流量为50～200sccm；然后再切换 到低硅烷分压生长高锗浓度区，低硅烷分压中硅烷流量/锗烷流量为1/20～1/5， 硅烷流量为20～50sccm，锗烷流量为300～500sccm；最后再切换到高硅烷分压生 长低锗浓度区，高硅烷分压中硅烷流量/锗烷流量为1/3.5～1/0，锗烷流量为 0～100sccm，硅烷流量为50～200sccm。

为了实现锗硅外延薄膜中高锗浓度梯形分布，采用如下方法从右往左依次 生长硅缓冲层、锗硅层和硅覆盖层：首先采用高硅烷分压生长硅缓冲层，该硅 缓冲层生长过程中锗烷流量为0sccm，硅烷流量为50-200sccm，生长出的硅缓 冲层不含锗，即锗浓度为0；然后再切换到低硅烷分压生长锗硅层，低硅烷分压 中硅烷流量/锗烷流量为1/20～1/5，硅烷流量为20～50sccm，锗烷流量为 300～500sccm；最后再切换到高硅烷分压生长硅覆盖层，该硅覆盖层生长过程中 锗烷流量为0sccm，硅烷流量为50-200sccm，生长出的硅覆盖层的锗浓度为0。

所述锗硅外延薄膜单晶区为没有缺陷的单晶体。

所述锗硅外延生长采用减压化学气相淀积工艺，生长压力为60～700Torr， 硅源气体为硅烷，锗源气体为锗烷，载气为氢气，生长温度为600～680℃。

所述锗硅外延薄膜中硼的浓度为1E18～5E20/cm3，所述锗硅外延薄膜中碳的 浓度为1E19～5E20/cm3。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明一种高锗浓度的锗硅 外延方法，其能利用现有设备并不需要添加额外的锗源和流量计，即可在较低 的工艺温度如600～680℃获得较高锗浓度的锗硅外延，Ge的原子百分比浓度约 25～35％，通过该方法，压力控制比较稳定，而且外延出的锗硅薄膜没有缺陷， 满足器件要求，如图4、图5所示，其锗硅外延单晶区为完美的单晶体，没有缺 陷。

附图说明

图1是锗硅外延层深度分布示意图，其中，1是硅覆盖层，2是锗硅层，3 是硅缓冲层，4是低锗浓度区，5是高锗浓度区，6是低锗浓度区；

图2是本发明不同硅源/锗源比的锗掺杂浓度示意图；

图3是本发明锗硅外延锗掺杂状态示意图；

图4是本发明高锗浓度锗硅外延SEM俯视图；

图5是本发明高锗浓度外延单晶区TEM横截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明公布了一种高锗浓度的锗硅外延方法，当通入硅烷和锗烷气体时， 如果降低硅烷和锗烷的百分比即可增加锗硅外延的锗(Ge)的含量。如图2所 示本发明不同硅源/锗源比的锗掺杂浓度示意图，在相同的锗源流量时，随着硅 源流量的降低(图2中较低流量SiH₄)，锗浓度有比较大的提高；同时，锗浓度 也随着锗流量的增大而增大，但锗烷流量的增加对锗浓度增加的影响小于硅烷 流量的降低。

降低硅烷/锗烷的分压比(锗烷流量不变，硅烷流量降低)，外延的淀积速 率会降低。如硅烷流量从60sccm降至40sccm，外延的淀积速率降低约10％。淀 积速率的降低将会提高Ge掺杂浓度，同时Ge浓度的提高又提高了淀积速率， 所以外延的淀积速率降低仅为约10％，小于硅烷流量降低的百分比，本发明最终 能够得到Ge浓度原子百分比为25～35％的无缺陷的锗硅外延。

本发明的锗硅外延生长采用减压化学气相淀积工艺(RPCVD)，生长压力为 60～700Torr，硅源气体为硅烷(SiH₄)，锗源气体为锗烷(GeH₄)，载气为氢气 (H₂)，生长温度为600～680℃。

本发明的优点是在利用现有设备的前提下，平衡了生长速率与Ge的掺杂浓 度，获得高Ge浓度的同时，外延的生长速率仅有很少的降低，这是本发明的重 点。

如图1，是锗硅外延层深度分布示意图，Ge的浓度呈梯形分布，其最高浓 度为25～35％原子百分比，其中4和6是低锗浓度区，5是高锗浓度区。图3是 本发明锗硅外延锗掺杂状态图，锗硅外延的锗掺杂方案是：首先高硅烷分压生 长低锗浓度区，然后低硅烷分压生长高锗浓度区，最后高硅烷分压生长低锗浓 度区。其中，高硅烷分压指硅烷流量/锗烷流量(硅烷流量与锗烷流量之比)较 大时，而低硅烷分压指硅烷流量/锗烷流量较小时。本发明锗硅外延中高锗浓度 区的生长是通过低硅烷分压来实现的，即可以降低硅烷的流量来提高锗烷浓度， 这区别于通常增加锗烷流量来实现锗浓度的提高。高锗浓度区生长时其硅烷流 量为20～50sccm，锗烷流量为300～500sccm，硅烷流量/锗烷流量为1/20～1/5， 或者硅烷流量/锗烷流量为1/12～1/8。锗硅外延中锗的分布可以为梯形、矩形或 三角形分布。

对于图1的锗硅外延层深度分布示意图，生长顺序为从右往左，即从低锗 浓度区6-＞高锗浓度区5-＞低锗浓度区4。

为了实现图1锗浓度梯形分布，实施例一：可以首先采用高硅烷分压(硅 烷流量/锗烷流量为1/3.5～1/0，1/0表示锗烷流量已经小到为0sccm，锗烷流量 为0～100sccm，硅烷流量为50～200sccm)生长低锗浓度区6(步骤110)；然后 再切换到低硅烷分压(硅烷流量/锗烷流量为1/20～1/5，硅烷流量为20～50sccm， 锗烷流量为300～500sccm)生长高锗浓度区5(步骤120)；最后再切换到高硅烷 分压(硅烷流量/锗烷流量为1/3.5～1/0，1/0表示锗烷流量已经小到为0sccm， 锗烷流量为0～100sccm，硅烷流量为50～200sccm)生长低锗浓度区4(步骤130)， 最终形成所需的杂质深度分布如图1所示。

为了实现图1锗浓度梯形分布，实施例二：可以首先采用高硅烷分压(硅 烷流量/锗烷流量为1/0，即锗烷流量为Osccm，硅烷流量为50-200sccm)生长 硅缓冲层3(不含锗，即锗浓度为0)(步骤110)；然后再切换到低硅烷分压(硅 烷流量/锗烷流量为1/20～1/5，硅烷流量为20～50sccm，锗烷流量为 300～500sccm)生长锗硅层2(步骤120)；最后再切换到高硅烷分压(硅烷流量 /锗烷流量为1/0，即锗烷流量为Osccm，硅烷流量为50-200sccm)生长硅覆盖 层1(不含锗，即锗浓度为0)(步骤130)，最终形成所需的杂质深度分布如图 1所示。

上述方法同样适合于锗硅外延中硼(B)或碳(C)浓度的提高。

采用本发明方法生长的锗硅外延薄膜中，B的浓度为1E18～5E20/cm3，C 的浓度为1E19～5E20/cm3。