专利名称：原位掺杂n型发射极的掺杂分布改进的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及双极性工艺，更具体地涉及通过用锗(Ge) 共掺杂外延层作为最初几秒的沉积来使N型原位惨杂硅外延(印i) 层掺杂分布的主斜率更陡峭的工艺。
背景技术：
在一般的双极性工艺中，典型地按照图1中示出的下列步骤形 成晶体管的发射极-基极结。首先，在步骤A，在单晶硅基片12中注 入硼(B) 10。随后，如步骤B所示，在基片12的顶部沉积多晶硅层 (poly) 14，用非常薄的氧化硅层16把基片12和多晶硅层14隔离 开。多晶硅层14必须是利用原位掺杂的N型掺杂，或者是首先生长 未掺杂多晶硅的N型掺杂，然后在多晶硅层上注入砷(As)、磷(P) 或锑(Sb)。其中，常用的是As， P次之，而Sb很少用。最后，如 步骤C所示，在高温处理中形成发射极-基极结18。高温导致B和As (或P/Sb)扩散。在B和As的扩散前沿接触的地方形成结18。高温 可以导致界面氧化物层16分解，导致多晶硅层14的某种再结晶。
在图2中描述了掺杂分布(1)注入(实线)；(2)在形成 发射极-基极结的高温处理之后(短划线)。As分布20显示在图的 左侧以及B分布22显示在图的右侧，图中，y轴表示浓度，x轴表示 深度。由于多晶硅的扩散常数比单晶硅的高几个量级的事实，所以当 放置在足够高的温度以驱使As原子穿过界面氧化层进入基片时，注 入的高斯分布极有可能变成平坦的。因此，在放置在合适的温度预算 后，多晶硅中的As分布24几乎变成平坦的。
在单晶硅和多晶硅之间的界面氧化物16降低了晶体管的基极电 流，并引起高电流放大系数。它还像多晶硅层14中的晶界那样对发 射极中的串联电阻有贡献。
在最近的发展中，原位B掺杂外延层己经取代了硼基极注入， 这样可以更好地控制掺杂分布。利用掺杂浓度的突变可以形成真正的
块状惨杂分布。例如，在SiGe HBT (异质结双极性晶体管)中采用 基于低温外延性而不是基于注入以确定掺杂分布的技术，不仅可以确 定B的分布，还可以确定Si以及，如果适用的话，可以确定C的分 布。陡峭的掺杂剂变化和更薄的层，加上SiGe带隙工程，对这些晶 体管产生非常高的操作频率。
由于尺寸的减小，更加难以均匀地在这些晶体管中注入多晶发 射极，从而，原位掺杂多晶硅成为主流。由于发射极电阻成为高频操 作中的限制因素，降低该电阻是非常有利的。通过生长外延层，而不 是生长多晶硅层，可以实现发射极电阻的降低。由于在外延中缺少晶 界，所以外延层的电阻率要比多晶硅层的电阻率低。而且，很明显当 顶层是外延生长时，没有增加电阻的界面氧化层。
图3描述了外延地生长一个发射极的工艺步骤。步骤A描述了 生长一个B掺杂基极外延层26的结果(在HBT中，SiGe层和C掺杂 SiGe层也是外延生长的，在图中未示出)。步骤B描述了在外延生 长As掺杂顶层(也就是单晶发射极层)28的工艺。要注意这里没有 界面氧化层。步骤C描述了进行高温处理后的工艺，发射极-基极结 30被形成。
虽然多晶发射极和单晶发射极的工艺步骤看起来非常的相似， 但这里有很大的区别。在示出了沉积的基极层和单晶发射极层的掺杂 分布的图4中，这些区别非常明显。与图2相似，图4示出了生长的 掺杂分布(实线)和高温处理后的掺杂分布(短划线)。再次，As 的分布32显示在图的左侧，B的分布34显示在图的右侧。要注意块 状掺杂分布是通过低温外延性获得的。将图4和图2进行比较，可以 看到得到了更陡峭的掺杂分布。更陡峭的掺杂分布允许晶体管垂直方 向的尺寸减小，从而增强晶体管的高频性能。
不幸的是，实际上，As的掺杂分布并不像图4中所画的那么理想。将As和其他用于低温外延掺杂的掺杂剂(例如，B、 Ge、 C)进 行比较，这些掺杂剂可以生长超过SIMS (次级离子质谱法，对这些层
的一种分析方法)分辨能力的有陡峭斜率的块状，As分布的斜率的
陡峭度不是很好。在打开AsH3气流后，As的浓度倾向于缓慢增加， 直到达到均衡值。例如，见W. B.de Boer， F. Roozeboora著，题为 "Advances in Rapid Thermal and Integrated Processing, ，，， Kluwer Academic Publishers出版，101 Philip Drive, Norwell， MA 02601， ISBN 0-7923-4011-6， p. 443-463(1995)。这个问题非常糟糕，以至于 非常难以控制外延生长的薄层中的As掺杂水平。例如，见De Boer 于2003年6月17日提交的题目为"phosphorus Dopant Control in Low Temperature Si and SiGe Epitaxy"的美国专利6,579,752， 该专利中的内容通过引用并入本文。虽然单晶发射极在厚度和掺杂水 平方面可能不是非常重要，但在发射极层生长开始处的斜率分布是不 希望看到的。也就是，陡峭的斜率能够减小晶体管的垂直方向尺寸， 从而增强它的速度。当斜率变得平缓时，就失去了这个好处。
图5是一个砷掺杂单晶发射极层的SIMS (二次离子质谱)图， 清楚地示出了在AsH3气流被打开后As浓度上升的低速度。在浓度达 到均衡水平之前的长斜率在低温外延中对于N型惨杂剂是非常典型 的。大约23nm/dec的斜率要比4-6nra/dec弱得多，当SIMS分辨率测 定斜率时，4-6nm/dec是通常形成真正的块状分布的斜率。23nra/dec 的斜率是真实的，并不是由SIMS测定的。
(注意到当SIMS分布是以对数标尺绘制时，这种标尺上的线的 斜率通常以nm/dec表示，也就是，需要多少水平标尺来表示浓度增 加10倍。数越小，斜率越陡。)
改善斜率陡峭度的己知方法是在开始生长之前将生长外延层的 表面放置在确定浓度的AsHs中。例如，见W.D. vanNoor等人著，题 为"Advance in Rapid Thermal Processing, ，， The Electrochemical Society Proceedings, Volume 99-10， ISBN 1-56677-232-X， p. 335-342 (1999)。然而，在这些As高浓度时，存在的风险是可能超 过均衡浓度，这会在随后的外延层中导致结晶缺陷。通常，这些缺陷 是不希望看到的，尤其是因为这些缺陷源于非常敏感并对晶体管性能 有很大影响的界面，这与从多晶发射极中知道的一样。不能确定在单
晶发射极所需的高浓度中这种方法(也就是再生长之前将表面放置在 AS浓度中)如何有效。
发明内容
本发明提供一种改进生长单晶发射极时N型掺杂分布的斜率陡 峭度的方法。在生长的最初几秒时间内，锗(Ge)源(例如GeHJ被 加入气流中。单晶发射极层的剩余部分像通常那样沉积，仅将硅源(例 如SiH4)和N型掺杂源(例如AsH3)加入Ha的主流中。利用这种技 术，N型掺杂剂几乎立刻达到它的均衡浓度。
在第一方面，本发明提供了一种用以形成发射极-基极结的方法，包含步骤提供基区外延层；以及利用包含一组工艺气体的气流 在基区外延层上生长掺杂的单晶发射极层，其中，气流包括加入到工 艺气体中作为最初几秒钟的气流的锗源。
在第二方面，本发明提供了一种加工晶片的方法，包含下列步骤将晶片放入反应腔；在处理之前保持反应腔内的已经升高的温度； 使氢气通过反应腔；打开一组工艺气体，其中，工艺气体中包括锗源； 在几秒内关闭锗源；以及在足够长的时间后关闭剩余的工艺气体。
在第三方面，本发明提供了一种加工半导体的方法，包含利 用包含一组工艺气体的气流在基区层生长掺杂的单晶发射极层，其 中，气流包括加入到工艺气体中作为最初几秒钟的气流的锗源(Ge)。
结合附图，从本发明的多个方面的下列详细描述中可以更容易地理解本发明的这些和其他特征，其中
图1描述了利用多晶硅层形成发射极-基极结的步骤；
图2描述了用以形成发射极-基极结时在注入时和在高温处理后
的掺杂分布；
图3描述了利用外延层而不是利用多晶硅层形成发射极-基极结 的可供选择的方法的步骤；
图4描述了利用外延层形成发射极-基极结时在注入时和在高温
处理后的掺杂分布；
图5描述了砷掺杂单晶发射极层的SIMS图6描述了按照本发明在界面有一个锗峰的砷掺杂单晶发射极 层的SIMS图7描述了按照本发明在界面有一个锗峰的砷惨杂单晶发射极 层的第二张SIMS图8描述了示出实现按照本发明一个实施例的方法的流程图。
具体实施例方式
描述了本发明的一个提供一种用以利用外延层生长发射极-基 极结的方法的图示实施例，该方法包括在As掺杂外延层开始生长时 将锗(Ge)源(例如GeH4)加入气流几秒钟的步骤。这不仅在B掺杂 基片的界面生成一个Ge峰，而且改善了 As分布的斜率。在SiGe中 并入As与在Si中并入As不同，其区别在于一个非常薄的SiGe层足 够很快地达到一个非常高的As浓度，从而，斜率很陡峭。图6示出 了界面上有一个Ge峰40的单晶发射极层的SIMS图。对于不加GeH4 制成的单晶发射极层而言，As分布46的前沿斜率相对于图5中所示 的SIMS图有了显著改善。可以看出，相对于图5中的23nra/dec的 斜率44，图6中的斜率46大约是4nm/dec。
参照图8，下面描述了如何在界面生长一个有Ge峰的As掺杂单 晶发射极层。首先，在步骤S1，以外延层沉积的Si窗中没有剩余或 很少剩余自然氧化物的方式清洗晶片。其次，在步骤S2，晶片被放 置在外延反应腔的负载锁定装置中，例如，ASM EPSILONTM 2000，要 注意晶片暴露到邻近空气中的部分要尽可能地小。在步骤S3，执行 循环换气以从负载锁定装置中排除空气，然后，将晶片移至反应腔中。
在步骤S4，在反应腔中的晶片温度保持在70(TC左右。大约20
标准升/分钟(slm)的连续氢气流也持续通过反应腔。在外延生长之 前，温度比沉积温度高的通常烘焙阶段(清除自然氧化物)被跳过， 以降低晶片的温度预算。在打开工艺气体之前，晶片会在70(TC的腔 内停留一分钟以稳定它的温度。这足够生长一个高质量的外延层。在
步骤S5，打开工艺气体。在该图示的实施例中，工艺气体大约包括
100标准立方厘米/分钟(sccm)的SiH4 (100%) 、 50sccm的GeH4 (1% 的H2)和180sccm的AsH3(0. 7%的H2) 。 &流持续保持在大约20slm， 在大气压下完成沉积过程。在步骤S6，大约2秒后，关闭GeHr流。 其他的气流在关闭前保持大约180多秒。在步骤S7，在工艺气体被 排出反应腔之后，将晶片从反应腔中移开，在晶片被拆下来之前冷却 晶片。
应当理解的是，在不偏离本发明范围的情况下，可以改变锗源 被加入工艺气体的特定持续时间。通常，在很小部分(典型地5%) 或更少部分的所需时间内加入Ge以生长单晶发射极。
如图6描述的那样，该工艺使得外延层具有在界面处的Ge峰40 以及As分布的陡峭主斜率46的掺杂分布。图7示出了在5秒钟内 Si仏流增加至150sccm, GeH4 (1%)流降低至只有10sccm的情况下的 SIMS图。图7中该层的SIMA图示出了一个像预料的那样的更小的Ge 峰42。可以看出，降低Ge峰42使As分布的前沿斜率48恶化。因 此，更小的Ge峰42在改善As分布的前沿斜率48的陡峭方面效果很 小。斜率从图6 (具有大的Ge峰40)中的4nm/dec恶化至图7中的 17mn/dec(具有小的Ge峰42)，恶化至图5中没有应用Ge时的 23腿/dec。
虽然这里的描述参照HBT技术中的单晶发射极，但是应当理解 的是这里描述的方法可以被用于普遍改进原位沉积N型掺杂层的主 斜率。例如，该方法可以用于利用化学气相沉积(CVD)的As、 P和 Sb掺杂原位外延和多晶硅沉积层。而且，应理解的是本发明可以应 用适于利用CVD来生长Si层的任何Si源。最通常的源是SiH4、Si2H6、 Si3H8、 SiH2Cl2、 SiHCh和SiCl4。可以使用任何适于生长SiGe层的 Ge源，例如GeH4、 GeCl4。
该方法在600-85(TC的温度范围内特别有用，其中，温度上限取 决于扩散(例如，在HBT中，由扩散导致的基极B分布恶化)，以及 下限取决于生长率(例如，低于60(TC，在沉积相对厚的层时，生长 率太低而没有现实意义)。
由于SIMS不能完全解析峰值，也许最好是以剂量(at/cm2)形 式表示的峰值中的Ge含量应当高于2E14at/cm2,这个大概是图7的 Ge峰的(不足的)Ge含量。大约5E14 at/cm2 (在处理(100个)晶 向硅片(oriented silicon wafer)时，几乎半个单层)或者更高的 Ge剂量可以提供足够的结果。
注意到，本发明通常可以应用于改善在通过CVD生长的Si层上 的N型掺杂剂的分布。本发明非常有用的一个说明性领域是，在双极 性(叩n)晶体管中的发射极通过CVD方法制成并且是原位掺杂时， 更好地控制发射极的掺杂剂分布。当发射极是外延生长的(单晶发射 极)时，由于本发明使N型掺杂剂分布的主要斜率变得更陡峭，因此 将改善晶体管的性能。除了更好的分布控制外，本发明还允许减小晶 体管的垂直尺寸，这会带来更好的高频性能。
为了描述和说明目的而呈现本发明的以上描述。并非意在穷尽 或将本发明限定为公开的确切形式，并且明显可以进行很多的修改和 变化。这些对所属技术领域人员很明显的修改和变化应该被包括在由 所附权利要求所限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种形成发射极-基极结的方法，包括步骤提供基极层(26)；以及利用包含一组工艺气体的气流在基极层(26)上生长一个掺杂的单晶发射极层(28)，其中，气流包括加入到工艺气体中作为最初几秒的气流的锗(Ge)源。
2. 按照权利要求l所述的方法，其中，基极层包含一个硼掺杂 基极外延层。
3. 按照权利要求2所述的方法，其中，掺杂的单晶发射极层是 从包含砷掺杂外延层、磷掺杂外延层和锑掺杂外延层的组中选择的。
4. 按照权利要求1所述的方法，其中，在大约5%或更少的生长 掺杂单晶发射极层所需的时间内加入锗源。
5. 按照权利要求1所述的方法，其中，锗源是从包含GeH4和 GeCl,的组中选择的。
6. 按照权利要求l所述的方法，其中，工艺气体另外还包括 硅源和砷源。
7. 按照权利要求1所述的方法，其中，基极层包含一个碳掺杂 SiGe层。
8. —种加工晶片的方法，其中包括下列步骤 将晶片放入反应腔；在处理之前保持反应腔内已升高的温度； 使氢气通过反应腔；打开一组工艺气体，其中，工艺气体中包括锗(Ge)源； 在头几秒内关闭锗源；和 在足够长的随后时间后关闭剩余的工艺气体。
9. 按照权利要求8所述的方法，其中，已升高的温度大约是 700°C 。
10. 按照权利要求8所述的方法，其中，已升高的温度持续提 供大约1分钟。
11. 按照权利要求8所述的方法，其中，工艺气体包括硅源和砷源。
12. 按照权利要求8所述的方法，其中，锗源是从包含GeH4和 GeCl4的组中选择的。
13. 按照权利要求8所述的方法，其中，在大约5%或更少的生 长掺杂单晶发射极层所需的时间内加入锗源。
14. 按照权利要求8所述的方法，其中，在大约180秒后关闭 剩余的工艺气体。
15. —种加工半导体的方法，包括步骤利用包含一组工艺气体的气流在基极外延层(26)上生长一个 掺杂单晶发射极层(28)，其中气流包括加入到工艺气体中作为最初 几秒的气流的锗(Ge)源。
全文摘要
本发明涉及一种形成发射极-基极结的原位掺杂N型发射极的掺杂分布改进的方法。该方法包括以下步骤提供一个基极层(26)；并利用包含一组工艺气体的气流在基极层(26)上生长掺杂的单晶发射极层(28)，其中，气流包括在工艺气体中加入锗(Ge)源以作为最初几秒的气流。
文档编号H01L21/331GK101208785SQ200680023313
公开日2008年6月25日 申请日期2006年6月26日 优先权日2005年6月28日
发明者维贝·德布尔 申请人:Nxp股份有限公司