专利名称：一种高锗浓度的锗硅外延方法
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 = (NeWeDb/ NBWBDE)*exp(AEg/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°C，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°C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Osccm)，锗烷流量为 0 lOOsccm，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O lOOsccm，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Osccm，硅烷流量为50-200SCCm，生长出的硅缓冲层不含锗，即锗浓度为O ；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Osccm，硅烷流量为50-200sCCm，生长出的硅覆盖层的锗浓度为O。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°C。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°C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。
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。
具体实施例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
4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eOsccm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 700ΤΟΠ·，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"C。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Osccm，锗烷流量为O lOOsccm，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Osccm，锗烷流量为O lOOsccm，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。
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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。
权利要求
1.一种高锗浓度的锗硅外延方法，其特征在于，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。
2.如权利要求1所述的高锗浓度的锗硅外延方法，其特征在于，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。
3.如权利要求1或2所述的高锗浓度的锗硅外延方法，其特征在于，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。
4.如权利要求1或2所述的高锗浓度的锗硅外延方法，其特征在于，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。
5.如权利要求1所述的高锗浓度的锗硅外延方法，其特征在于，所述锗硅外延薄膜中锗的分布为梯形、矩形或三角形分布。
6.如权利要求5所述的高锗浓度的锗硅外延方法，其特征在于，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，锗烷流量为0 lOOsccm，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 lOOsccm，硅烷流量为50 200sccm。
7.如权利要求5所述的高锗浓度的锗硅外延方法，其特征在于，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Osccm，硅烷流量为50-200sCCm，生长出的硅缓冲层不含锗，即锗浓度为O ；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Osccm，硅烷流量为50-200sCCm，生长出的硅覆盖层的锗浓度为O。
8.如权利要求1所述的高锗浓度的锗硅外延方法，其特征在于，所述锗硅外延薄膜单晶区为没有缺陷的单晶体。
9.如权利要求1所述的高锗浓度的锗硅外延方法，其特征在于，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 700ΤΟΠ·，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°C。
10.如权利要求1所述的高锗浓度的锗硅外延方法，其特征在于，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。
全文摘要
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。
文档编号C30B25/16GK102465336SQ201010533250
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者季伟, 缪燕 申请人:上海华虹Nec电子有限公司