包含硅和碳的外延層的形成和處理的制作方法

專利名稱：包含硅和碳的外延層的形成和處理的制作方法
技術領域：
本發明的實施方式主要涉及含硅和碳(Si: C)外延層的形成和處理。特
定實施方式關于在例如金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)器件的半 導體器件中外延層的形成和處理。
背景技術：
金屬氧化物半導體(MOS)晶體管通常包括半導體襯底、源極、漏極以 及設置在襯底上的源極與極之間的溝道，襯底通常由硅制成。 一般地，柵疊層 設置在溝道上方，柵疊層由直接設置在溝道上方的柵氧化層或柵極、柵氧化層 上方的柵極導體材料，以及側壁間隔墊組成。側壁間隔墊保護柵極導體的側壁。 柵極一般由摻雜多晶硅(Si)形成而柵介電材料可包含高介電常數材料(例如， 大于4.0的介電常數)諸如二氧化硅(Si02)或氮摻雜的二氧化硅等的薄層(例 如，<20A)。
流經MOS晶體管的溝道的電流與溝道中載流子的遷移率成正比，并且使 用高遷移率MOS晶體管能使更多的電流流過并因此致使更快的電流性能。 MOS晶體管溝道中載流子的遷移率可以通過在溝道中產生機械應力而增加。 在壓縮應變下的溝道，例如，在硅上生長的硅-鍺溝道層具有顯著增強的空穴 遷移率以提供pMOS晶體管。在拉伸應變下的溝道，例如，在松弛的(relaxed) 硅-鍺上生長的薄硅溝道層實現顯著增強的電子遷移率以提供nMOS晶體管。
在拉伸應變下的nMOS晶體管溝道還能通過在源極和漏極區域中形成一 個或多個碳摻雜的硅外延層來提供，該硅外延層可補償通過pMOS晶體管中 SiGe源極和漏極形成的壓縮應變。因此，碳摻雜的硅和硅-鍺外延層可分別沉 積在nMOS和pMOS晶體管的源/漏極上。源極區域和漏極區域可通過選擇性 Si干蝕刻呈平面或凹形。當適當地形成時，由碳摻雜的硅外延層覆蓋的nMOS 源極和漏極在溝道中施加拉伸應變并增加nMOS驅動電流。
為了使用碳摻雜的硅外延層實現具有凹形源極/漏極的nMOS晶體管的溝 道中的增強的電子遷移率，需要通過選擇性的沉積或通過后沉積處理在源極/ 漏極上選擇性地形成碳摻雜的硅外延層。另外，需要碳摻雜的硅外延層包含替 代的C原子以在溝道中引起拉伸應變。較高的溝道拉伸應變可利用碳摻雜的 硅源極和漏極中增加的替代C含量來實現。然而，通過典型選擇的Sh C外 延工藝(例如在〉70(TC的工藝溫度下)結合的大部分C原子占據Si晶格的非 替代(即，空隙)位置。通過降低生長溫度，可實現較高分數的替代原子含量 (例如，在50(TC生長溫度下接近100%)，然而，在這些較低溫度下的慢生長 速度對于器件應用是不合需要的，因此不可以在較低溫度下進行所述選擇性處 理。
因此，需要提供一些方法以改善碳摻雜硅外延層中替代碳含量。該方法將 有益于晶體管器件的制造。

發明內容
本發明的一個實施方式涉及形成并處理包含硅和碳的外延層的方法。其它 實施方式涉及制造包括含硅和碳的外延層的晶體管器件的形成方法。在特定實 施方式中，提供用于形成包含具有高替代碳含量的n-摻雜Si: C的nMOS晶 體管的方法。
根據本發明的一個實施方式，提供一種處理在襯底上包含硅和碳的外延層
的方法，該方法包含提供具有外延層的襯底，該外延層包含沉積在所述襯底
上的碳和硅，該碳包括間隙碳；以及在從約80(TC到約135(TC的溫度下退火所 述襯底和外延層，以將所述外延層中的至少部分間隙碳轉化為替代碳。根據一 個實施方式，替代碳(如果初始存在)和間隙碳的總量高于約0.5原子％，以 及在特定實施方式中，高于約1原子％，并且更尤其，高于約2原子％。
根據特定實施方式，該方法進一步包含離子注入外延層。離子注入可導致 至少部分外延層的無定形化。無定形化可通過典型的無定形化工藝實現，包括 預無定形(例如，使用Si)注入。如在此使用的，無定形化注入指使至少部分
外延層無定形化的注入工藝。在另一實施方式中，外延層形成于器件的源區和 漏區中。在包括源極和漏極的器件實施方式中，離子注入包括與預無定形化注 入相同的用于形成深源極和漏極結或深源極和漏極注入的條件，以增加外延層 中的替代碳。在包括無定形化的實施方式中，退火可通過一個或多個動態表面 退火、激光退火、毫秒退火、快速退火或瞬間退火來執行。在一個或多個實施 方式中，執行退火小于IO毫秒的時間。在其它實施方式中，執行退火小于900 毫秒的時間。例如，退火可通過激光退火或毫秒退火小于900毫秒，例如小于
10毫秒的時間來執行。根據一個或多個實施方式，選擇總工序、注入條件和
退火條件以最大化外延層中的替代碳。
在其它實施方式中，退火通過激光退火或毫秒退火小于900毫秒的時間以 及接著為快速熱退火小于IO秒的時間來執行。在又一其它實施方式中，退火 可通過快速熱退火小于10秒的時間以及接著為激光退火或毫秒退火小于10 秒的時間來執行。
形成Si: C外延膜的方法可在晶體管制造工藝的形成步驟期間使用。本發 明的實施方式涉及一種制造晶體管的方法，該方法包含在襯底上形成柵電介 質；在所述柵電介質上形成柵極；在該柵極的相對側上在具有第二導電率的襯 底上形成源/漏區并在源/漏區之間限定溝道區；在源/漏區正上方沉積包含硅和 碳的外延層，部分碳為替代碳，其余碳為間隙碳；以及在從約80(TC到約1350 。C之間的溫度下退火襯底和外延層以將外延層中的至少部分間隙碳轉換為替 代碳。在特定實施方式中，替代碳和間隙碳的總量高于約0.5原子％，以及在 特定實施方式中，高于約1原子％,并且在更特定實施方式中，高于約2原子 %。間隙碳和替代碳的量可在約0.5和2原子％之間的范圍中。
在特定實施方式中，制造晶體管的方法可進一步包含離子注入到外延層 中，且之后為退火。退火可通過一個或多個毫秒退火(諸如動態表面退火、激 光表面退火或快速退火)或快速熱退火(諸如瞬間退火)來執行。以上所述的 各種退火可用于制造晶體管。根據本發明的實施方式，選擇總工序、注入條件 和退火條件以最大化外延層中的替代碳。
前述寬泛地概括了本發明的特定特征和技術優點。本領域的普通技術人員 應該理解所公開的特定實施方式易于用作在本發明的范圍內修改或設計其它 結構或工藝的基礎。本領域的普通技術人員還應該認識到該等效結構不脫離在
所附的權利要求書中陳述的本發明的精神和范圍。


為了獲得并能詳細理解本發明的以上概述實施方式，以下將參照附圖中示 出的其實施方式對以上的概述進行更具體的描述。然而，應該理解，附圖僅示 出了本發明的典型實施方式，并因此不應考慮為對本發明范圍的限制，因為本 發明承認其它等效實施方式。
圖1是示出在無定形化之后包含硅和碳的外延層的結構變化的HRXRD譜
圖2是示出在無定形化和在IIO(TC和130(TC之間溫度下表面退火后含硅 和碳的外延層的結構變化的HRXRD譜圖3是示出在無定形化和在IIO(TC和130(TC之間溫度下表面退火并進一 歩進行瞬間退火處理之后含硅和碳的外延層的結構變化的HRXRD譜圖4示出了在P12keV， 4xl0"/cn^注入，以及在1050'C瞬間退火后起始 外延層的HRXRD譜圖5示出了起始外延層以及在P12keV， 4xl0"/cm"主入之后且通過在 IIO(TC、 120(TC和1300。C下通過毫秒激光退火的動態表面退火處理的HRXRD 譜圖6示出了僅由P在各種能量級別下注入和As與P組合注入以及進一歩 通過在IIO(TC和130(TC之間的動態表面退火處理的樣品的歸一化比較替代C 數據；
圖7是根據本發明的實施方式的場效應晶體管對的橫截面視圖；以及 圖8是在具有形成于器件上的額外層的圖1中示出的NMOS場效應晶體 管的橫截面視圖。
具體實施例方式
本發明的實施方式主要提供一種形成并處理包含硅和碳的外延層的方法。 其它實施方式涉及制造晶體管的方法。
在特定實施方式中，提供在nMOS晶體管的源區域和漏區域中形成Si: C 的方法。在特定實施方式中，為了高溝道應力保持高替代C而對于nMOS晶
體管Si: C由n-摻雜劑(例如，P、 As或其組合)高摻雜。后外延離子注入過 程造成注入引起的損壞并降低Si: C外延層質量。注入引起的損壞導致注入結 晶缺陷以及替代C損失，這直接涉及溝道應力或溝道遷移率，并因此，涉及 器件性能。期望提供最小化替代C損失的方法，或者可選地，通過后注入工
藝恢復丟失的替代C，例如，增強的退火諸如毫秒退火如動態表面退火(DSA)、
激光表面退火或表面退火。實驗表明用于摻雜劑活化的傳統瞬間退火并不單獨
地恢復替代C，但是毫秒激光退火，特別地，DSA，在恢復丟失的替代C，甚 至在注入工藝之前增加替代C至大于起始外延層中的替代C含量方面非常有 效。根據本發明的一個或多個實施方式，來自所沉積的含量或來自注入含量之 后的替代C含量得到增加。
形成并處理外延層的方法包含提供具有外延層的襯底，該外延層包含沉
積在襯底上的碳和硅，該碳包括間隙碳；以及在從約80(TC到約130(TC的溫度 下退火襯底和外延層，以將外延層中的至少一部分間隙碳轉換為替代碳。在一 個實施方式中，制造晶體管的方法包含在襯底上形成柵電介質層；在柵電介 質層上形成柵極；在該柵極相對側上具有第二電導率的襯底上形成源區/漏區 并限定在源區/漏區之間的溝道區域；直接在源區/漏區上沉積包含硅和碳的外 延層，該碳包括間隙碳；以及在從約800。C到約135(TC的溫度下退火襯底和外 延層，以將外延層中的至少一部分間隙碳轉換為替代碳。外延層與體襯底和多 晶硅層不同。
如在此使用的，外延沉積指在襯底上單晶層的沉積，使得所沉積層的晶體 結構與襯底的晶體結構匹配。因此，外延層或膜是單晶層或具有與襯底的晶體 結構匹配的晶體結構的膜。
根據本發明的實施方式，包含碳和硅的外延膜的處理增加膜的替代C含 量。Si:C層中的替代C含量可通過將所沉積的未替代C原子轉化到替代Si晶 格位置而增加。盡管本發明不意欲由特定理論限制，但是一般認為未替代(或 間隙)C原子到替代位置的該轉換可涉及點缺陷諸如空位、自占間隙和其它外 部占間隙以及缺陷簇。通過將初始(所沉積的)缺陷分布和Si晶格改變為有 利于更多C原子的結構以占據替代位置，可增加替代C含量。將理解參考增 加替代碳量不意欲將本發明限制于包含替代碳的所沉積膜。根據本發明的實施 方式，初始沉積的外延膜可以不包含替代碳，并且根據本發明的實施方式，處
理包含間隙碳的膜以降低間隙碳量并在所沉積膜中從零增加替代碳。該結構變 化和替代C含量增加可通過在此所述的工藝次序實現。
在一個或多個實施方式中，如以下進一步所述，通過注入和退火形成并處 理包含硅和碳的外延膜。通過選擇或未選擇外延層沉積可形成外延膜。
在一個或多個實施方式中，替代C含量的增加可通過以下示例性工藝次 序中注入和退火的組合來實現(l)通過選擇性或未選擇性沉積工藝，沉積包 含具有高的總C濃度例如大于約0.5原子％，或高于約1原子％的硅和碳的外
延層；(2)包含硅和碳的外延層的無定形化，例如，通過諸如Si的離子注入。 一般期望能量和劑量是使得至少部分外延層無定形化而不在注入之后結晶；以 及(3)對動態表面退火(DSA)腔退火少于60秒，例如，動態表面退火、毫 秒退火或激光退火。在一個或多個實施方式中，退火溫度可以在IOO(TC以上， 并具有在10s和100s mm/s范圍中的各種掃描速度(或停留時間)。根據一個 或多個實施方式，方法遵循連續次序，然而，該工藝不限于以上所述的精確步 驟。例如，其它工藝步驟可夾在步驟之間，只要保持工藝順序的次序。現在將 根據一個或多個實施方式描述該工藝的各個步驟。
襯底
襯底通常為硅襯底，并且可以是已構圖的襯底。已構圖的襯底為包括形成 于襯底表面中或之上的電子部件的襯底。構圖的襯底可包含單晶表面以及至少 一個非晶的次要表面，諸如多晶或無定形表面。單晶表面包括裸結晶襯底或通 常由諸如硅、硅鍺或硅碳的材料制成的所沉積的單晶層。多晶或無定形表面可 包括電介質材料，諸如氧化物或氮化物，特別為硅氧化物或硅氮化物，以及無 定形硅表面。 外延沉積
硅碳層可使用外延工藝在諸如都可從加利福尼亞的Santa Clara的應用材 料購得的Epi RP或Centura的適宜處理腔中沉積。工藝腔一般在整個外延工藝 中保持一致的溫度。然而， 一些步驟可在變化溫度下執行。工藝腔室可保持在 從約250"C到約IOO(TC的范圍中的溫度下，例如從約50(TC到約90(TC。執行 外延工藝的適宜溫度取決于用于沉積和/或蝕刻含硅和碳材料的特定前驅物， 并可通過本領域中的普通技術人員確定。工藝腔室通常可保持在從約0.1 Torr到約200Torr的壓力下，該壓力在沉積步驟期間以及沉積步驟之間可能波動， 但是一般恒定。
在外延沉積工藝期間，襯底暴露于沉積氣體以在單晶表面上形成外延層同 時在次要表面上形成多晶層。沉積工藝的特定暴露時間關于在蝕刻工藝期間的 暴露時間以及在工藝中使用的特定前驅物和溫度來確定。 一般地，襯底暴露于 沉積氣體足夠長的時間以形成最大厚度的外延層同時形成在沉積期間易于蝕 刻掉的最小厚度的多晶層。
沉積氣體至少包含硅源、載氣和碳源。在可選實施方式中，沉積氣體可包 括至少一種蝕刻劑，諸如氯化氫或氯氣。
通常以在從約5 sccm到約500sccm范圍內，例如，從約10sccm到約 300sccm的速度，并特別地從約50sccm到約200sccm，更特別地約100sccm 的速度將硅源提供到工藝腔室中。在沉積含硅和碳化合物的沉積氣體中有用的 硅源包括，但是不限于，硅烷、鹵化硅烷和有機硅烷。硅烷包括甲硅烷(SiH4) 和具有經驗式SixH(2x+2)的較高級硅垸，諸如乙硅烷(Si2H6)、丙硅烷(Si3H8) 和丁硅垸(Si4H1Q)等。鹵化硅烷包括具有經驗式X， ySixH(2x+2.y)，其中X，= F 、 CI 、 Br或I ，諸如六氯乙硅烷(Si2Cl6)、四氯硅烷(SiCl4) 、 二氯硅烷(Cl2SiH2) 和三氯硅垸(Cl3SiH)。有機硅烷包括具有經驗式RySixH(2x+2.y)的化合物，其 中R-甲基、乙基、丙基或丁基，諸如甲基硅烷((CH3) SiH3)、 二甲基硅烷 ((CH3) SiH3)、乙基硅烷((CH3CH2) SiH3)、甲基乙硅烷((CH3) Si2H5)、 二甲基乙硅烷((CH3) 2Si2H4)和六甲基乙硅烷((CH3) 6Si2)。
硅源通常與載氣一起輸送到工藝腔室中。載氣具有從約lslm (公升/分鐘) 到約100 slm的流速，例如從約5 slm到約75 slm，以及特別地從約10 slm到 約50slm，例如約25slm。載氣可包括氮氣(N2)、氫氣(H2)、氬、氦及其組 合。惰性載氣是優選的并包括氮氣、氬、氦及其組合。載氣可基于在外延工藝 120期間所使用的前驅物和/或工藝溫度來選擇。通常，載氣在整個蝕刻歩驟期 間相同。然而，部分實施方式可在特定步驟中使用不同的載氣。
在步驟120期間與硅源和載氣一起提供到工藝腔室以形成諸如硅碳材料 的含硅和碳化合物的碳源，通常以在約0.1 sccm到約20 sccm范圍內，例如， 從約0.5 sccm到約10 sccm，以及更尤其是從約1 sccm到約5 sccm，例如約2 sccm的速度提供到工藝腔室中。用于沉積含硅和碳化合物的碳源包括，但是
不限于，有機硅烷、烷基、烯烴，以及乙基、丙基和丁基的炔。該碳源包括甲
基硅烷((CH3) SiH3)、 二甲基硅烷((CH3) SiH3)、乙基硅烷((CH3CH2) SiH3)、甲垸(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、丙垸(C3H8)、丙烯(C3H6)、 丁炔(C4H6)等。外延層的碳濃度在從約200ppm到約5原子。/。的范圍內，例 如從約1原子％到約3原子％，更特別為至少約2原子％或至少約1.5原子％。 在一個實施方式中，碳濃度在外延層內可以成梯度分布，優選具有梯度為在外 延層下部分中的碳濃度比外延層上部分中的濃度高。可選地，鍺源和碳源可以 都與硅源和載氣一起添加到工藝腔室中以形成含硅和碳的化合物，諸如硅鍺碳 材料。
沉積工藝停止。在一個實施例中，工藝腔室由清洗氣體或載氣沖洗和/或 工藝腔室可由真空泵排空。清洗和/或排氣工藝去除過剩的沉積氣體、反應副 產物和其它污染物。在另一實施例中， 一旦沉積工藝停止，蝕刻工藝立即開始 而不清洗和/或排空工藝腔室。 蝕刻
可執行可選的蝕刻工藝。蝕刻工藝去除在襯底表面上的部分外延層。蝕刻 工藝都去除外延或單晶材料以及不定形或多晶材料。沉積在襯底表面上的多晶 層，如果存在，則以比外延層更快的速度去除。蝕刻工藝的時間周期與沉積工 藝的時間周期協調以導致選擇性地形成于所需襯底區域上的外延層的凈沉積。 因此，沉積工藝和蝕刻工藝的凈結果形成選擇性且外延生長的含硅和碳材料同 時如果有的話，最小化多晶材料的生長。
在蝕刻工藝期間，襯底暴露于蝕刻氣體在從約10秒到約卯秒范圍內的時 間周期，例如從約20秒到約60秒，以及更特別從約30秒到約45秒。蝕刻氣 體包括至少一種蝕刻劑和載氣。蝕刻劑通常以在從約10 sccm到約700 sccm范 圍中的速度，例如從約50 sccm到約500 sccm范圍中的速度提供到工藝腔室中。 在蝕刻氣體中使用的蝕刻劑可包括氯氣(Cl2)、氯化氫(HC1)、三氯化硼(BC13)、 一氯甲烷(CH3C1)、四氯化碳(CCU)、三氟化氯(C1F3)及其組合。優選地， 氯或氯化氫用作蝕刻劑。
蝕刻劑通常與載氣一起提供到工藝腔室中。載氣具有在從約1 slm到約100 slm范圍中，例如從約5 slm大約75 slm，以及更特別從約10 slm到約50 slm， 例如約25slm的流速。載氣可包括氮氣(N2)、氫氣(H2)、氬、氦及其組合。在一些實施方式中，惰性載氣是優選的并且包括氮氣、氬、氦及其組合。載氣 可基于在外延工藝期間的特定前驅物和/所使用的溫度來選擇。
蝕刻工藝終止。在一個實施例中，工藝腔室由清洗氣體或載氣沖洗和/或 工藝腔室可由真空泵排空。清洗和/或排氣工藝去除過剩的蝕刻氣體、反應副 產物和其它污染物。在另一實施例中， 一旦蝕刻工藝停止，則外延層的沉積工 藝立即開始而不清洗和/或排空工藝腔室。
可確定外延層和多晶層的厚度。如果達到預定厚度，則外延工藝終止。然 而，如果沒有達到預定厚度，則沉積工藝循環重復直到達到所需厚度。外延層 通常生長以具有在從約IOA到約200A范圍的厚度，例如從約100A到約
1500A，以及更特別為從約400A到約1200A，例如約800A的厚度。多晶層 通常沉積在，如果存在，從原子層到約500A的范圍中的厚度。含硅和碳外延
層或含硅和碳多晶層的所需或預定厚度可專門用特定的制造工藝。在一個實施 例中，外延層可達到預定厚度同時多晶層特別厚。
在沉積期間的摻雜劑暴露(或原位摻雜)
在外延沉積期間，外延層可選地可以暴露于摻雜劑。典型的摻雜劑可包括 至少一種摻雜劑化合物以提供摻雜元素源，諸如硼、砷、磷、鎵或鋁。摻雜劑 提供具有各種導電屬性摻雜的含硅和碳化合物，諸如在電子器件所需的可控和 所需路徑中的方向電子流動。含硅和碳化合物的膜可由特定摻雜劑摻雜以達到 所需的導電屬性。在一個實施例中，含硅和碳化合物為p型摻雜，諸如通過使
用乙硼烷以從約10"原子/cr^到約1021原子/^113范圍中濃度添加硼。在一個實 施例中，p型摻雜劑具有至少5xlO"原子/cmS的濃度。在另一實施例中，p型 摻雜劑在從約1 x 102Q原子/cm3到約2.5x1021原子/cm3范圍中。在另一實施例中， 含硅和碳化合物為n型摻雜，諸如由磷和/或砷n-型摻雜至從約5x 1019原子/cm3 到約5x 1021原子/cm3范圍中的濃度。
摻雜劑源通常在沉積期間提供到工藝腔室中。用作摻雜劑源的含硼摻雜劑 包括硼烷類和有機硼烷類。硼烷類包括硼烷、乙硼烷(B2H6)、三硼垸、四硼 垸和戊硼烷，而垸基硼烷包括具有經驗式RxBH(3^的化合物，其中11=甲基、 乙基、丙基或丁基以及x^， 2或3。垸基硼烷包括三甲基硼烷((CH3) 3B)、 二甲基硼垸((CH3)2BH)、三乙基硼烷((CH3CH2)3B)和二乙基硼烷((CH3CH2)
2BH)。慘雜劑還可包括砷化氫(AsH3)、磷化氫(PH3)和烷基膦，諸如具有 經驗式RxPH(k)，其中11=甲基、乙基、丙基或丁基以及x二l、 2或3。烷基膦 包括三甲基膦((CH3) 3P)、 二甲基膦((CH3) 2PH)、三乙膦((CH3CH2) 3P) 和二乙基膦((CH3CH2) 2PH)。
離子注入
執行外延層的離子注入，將導致至少部分外延層的無定形化。離子注入可 用于形成摻雜區域諸如源極和漏極，其將導致外延層的無定形化。例如，這可 在輕和重摻雜的漏區或源區延伸部以及深源極和漏極的形成期間發生，作為部 分晶體管的制造工藝。對于含Si: C源極/漏極晶體管的n-型摻雜，摻雜區域 的厚度將由所需的源/漏結深度來決定，該厚度典型地小于IOOOA。磷、砷及 其二者的結合的諸如通常用于nMOS晶體管的Si: C源/漏。峰摻雜劑雜質濃 度可大于lxl(^原子/cn^或更高，并且摻雜劑量可等于或大于2xl0"原子/cm2。 一個或多個實施例中，已知為預無定形化的額外無定形化步驟可由Si、 Ge或 As離子注入來執行，然而，也可使用其它方法。該無定形化深度由注入物質 的離子能量來確定。如在本領域中眾所周知的，需要最小劑量使結晶Si無定 形，例如，1E15cm2的Si注入。
含硅和碳的外延層的無定形注入和摻雜劑注入可以由可從加利福尼亞的 圣克拉拉(Santa Clara)的應用材料公司購得的Quantum X注入器來實現。通 過將替代Si和C原子置換到非替代位置，離子注入無定形化至少部分起始Si: C外延層(結晶結構)。
退火
根據本發明的一個或多個實施方式，退火外延層。在特定實施方式中，退 火發生在相對短的時間周期內諸如在快速熱退火或快速熱處理腔室中。如在此 使用的，快速熱退火(RTA)和快速熱處理(RTP)都指使樣品經歷非常短然 而高度受控的熱循環，其將樣品從室溫加熱到高溫，例如與120(TC—樣高。 在RTP或RTA工藝期間的熱循環周期通常少于約60秒，以及通常少于約30 秒。在特定實施方式中，RTP或RTA的周期少于約20秒、15秒、10秒或5 秒。瞬間退火指其中樣品暴露于高溫短于約10秒或5秒時間周期的工藝。
例如，瞬間退火可在短于約5秒的時間周期內在約800攝氏度到1200攝氏度 之間的高溫下發生。毫秒退火指使樣品經歷在短于約900毫秒以及更典型地小 于約500毫秒的時間內將樣品從室溫加熱至高溫，例如與135(TC—樣高。毫 秒退火可通過激光退火(諸如應用材料的Dynamic Surface Anneal (動態表面 退火))或快速退火來實現。顧名思義，激光退火使用激光器加熱樣品。
退火工藝包括快速熱處理諸如快速熱退火、快速熱處理、毫秒退火和/或 瞬間退火及其組合。退火溫度可取決于所使用的工藝。例如，瞬間退火可具有 在約IOO(TC和約IIO(TC之間變化的溫度，優選地約105(TC，而固相外延在500 'C或更高溫度下執行。
退火工藝可包括瞬間退火、具有氣體氛圍諸如氧氣、氮氣、氫氣、氬、氦 及其組合的快速熱處理(RTP)型。退火工藝可在從約80(TC到約1200°C，優 選為從約105(TC到約IIOO"C的溫度下執行。退火工藝可在含硅和碳層沉積之 后或在襯底將經歷各種其它工藝步驟之后立即發生。
在一個實施方式中，瞬間退火在能保持退火環境中氣壓顯著低于大氣壓值 的RTP系統中執行。該RTP系統的實施例為可從加利福尼亞的圣克拉拉的應 用材料有限公司市售購得的RADIANCE CENTURA 。瞬間退火在2005年5 月24日授權的題目為"ADVANCES IN SPIKE ANNEAL 20 PROCESSES FOR ULTRA SHALLOW JUNCTIONS"的共同轉讓的美國專利No.6， 897， 131和 在2004年10月12日授權的題目為"OPTIMAL SPIKE ANNEAL AMBIENT" 的共同轉讓的美國專利No.6， 803， 297中進行了進一步描述，在此引入它們 不與現有說明書和權利要求書相沖突的內容而作為參考。
己經觀察到在應用材料DSA腔室/系統中在100(TC以上的毫秒退火或激 光退火提供優良結果毫秒退火或激光退火提供充足的能量以使非替代C原 子回到替代位置以增加外延層的替代碳含量。在美國專利No.6， 987， 240、 No.7， 005， 601和No.7， 078， 651中公開了適宜的DSA系統的實施例，在 此引入其全部內容作為參考。
本發明的工藝可在本領域中公知的設備中實施。設備可包含多條氣體管道 以在進入工藝腔室之前保持沉積氣體和其它工藝氣體。之后，使氣體與其上生 長含硅和碳化合物薄膜的熱襯底接觸。可用于沉積含硅和碳薄膜的五金件包括 可從位于加利福尼亞的圣克拉拉的應用材料有限公司市售購得的Epi Centura 系統和Poly Get^系統。其他設備包括本領域中公知的批處理的高溫爐。
實施例
實施例1
將300mm裸硅晶圓放置在可從加利福尼亞的圣克拉拉的應用材料有限公 司市售購得的300mm Epi Centura減壓腔室中。在第一處理步驟期間，500A 厚未摻雜的Si: C外延膜沉積在300mm裸硅晶圓上。所沉積的Si: C膜包含 2.3。/。總C，而1.04。/。C替代，如在圖1中高分辨X射線衍射儀(HR-XRD)測 量中由1200弧秒周圍的膜峰位置表示。在第二處理步驟期間，該膜隨后經歷 應用材料的Quantum X注入器中的25keV離子能量以及1.5xl015cm2劑量的Si 離子注入。雖然所沉積的Si: C膜示出1200弧秒周圍的HRXRD峰對應于膜 中的1.04。/。替代C， Si: C膜峰在Si注入之后消失。這是結晶損失或無定形化 的指示。替代碳在該實施例和利用P. C. Kelires， Phys. Rev. B 55 25 (14) ， 8784 (1997)中描述的Kelires模型的其它實施例中確定，在此結合這兩個實施例 的內容作為參考。
圖1示出了在Si注入不產生薄膜峰之后高分辨x-射線衍射(HR-XRD) 掃描譜圖，但是僅示出離子對應于Si襯底的0弧秒處Si峰參考，說明不存在 起始結晶Si: C外延層。然后在應用材料的動態表面退火系統(Dynamic Surface Anneal System)中在1100-130(TC之間的溫度范圍中以150mm/s或50mm/s(對 應于0.5ms或1.5ms的保壓時間)的掃描速度退火無定形化的結構。在圖2中 示出得到的HRXRD圖譜，其示出了 2000周圍出現峰，說明在DSA之后約 1.75%的替代C的結晶層形成。樣品Si晶圓在105(TC下在10% 02和90% N2 氣氛中使用CenturaRTP進行瞬間退火的進一步處理。如在圖3中示出，退火 (DSA+瞬間退火)樣品的替代C含量與1.04%的所沉積含量相比較為約 1.32%。 實施例2
圖2示出在110(TC和130(TC之間的溫度下以及50-150mm/s的掃描速度下 動態表面退火之后的相同Si: C樣品的XRD。在對應于1.56-1.75%替代C的 1800-2000弧秒下的新薄膜峰在DSA之后出現。觀察到的1.56-1.75%替代C 高于圖1中示出的在所沉積Si: C層中的初始1.04%替代C含量。
實施例3
圖3示出了在所提出的3歩工序并且之后為105(TC瞬間退火之后Si: C 層的HRXRD。在1500弧秒的峰位置表示1.32%的替代C含量，高于圖1中 所示出的1.04%的所沉積含量。通過以上工序而不動態表面退火處理的樣品標 記為"RTA"并示出表示低于0.88%替代C的1000弧秒以下的薄膜峰位置。 所接收的替代C從所注入的Sh C外延膜增加，但是所增加的替代C不單獨 通過傳統瞬間退火實現。所增加的替代C由動態表面退火或表面退火之后瞬 間退火而實現。
因此，該實施例表明即使在活化退火前的以上工藝順序之后的高達1050 'C的傳統摻雜劑活化退火后，在Si: C中增加的替代C含量保持在所沉積替 代C含量以上的級別。根據一個或多個實施方式，所提出的保持增加的替代C 的總工藝順序為Si: C外延層沉積，之后通過注入無定形化，并之后通過動態 表面退火，或者高達105(TC動態表面退火和瞬間退火的組合。 實施例4
將300mm裸硅晶圓放置在可從加利福尼亞的Santa Clara的應用材料有限 公司市售購得的300mm Epi Centura減壓腔室中。IOOOA厚的未摻雜Si: C外 延膜沉積在300mm裸硅晶圓上。所沉積Si: C膜包含約1.5原子％總C，而 1.5原子。/。C替代，如在圖4中的高分辨X-射線衍射儀(HR-XRD)測量中由 1740弧秒周圍的薄膜峰位置所示。在所制備的外延薄膜中的綜合替代C劑量 對應于7.5xl0"/cm2。然后，薄膜經歷應用材料的Quantum X注射器中12keV 離子能量和4xl0"/cn^劑量下的磷離子注入。選擇注入條件以用適當的源極和 漏極結深度來摻雜Si: C。在注入之后，頂層(在該情形中為 400A)被破壞 并且替代C在被破壞層中減少。條紋消失以及薄膜峰加寬表示薄膜的物理變 化。在注入之后綜合替代C劑量為約4xlO"/cm2。然后，樣品經歷用于CMOS 晶體管制造中的傳統退火，特別地，經歷在應用材料的Radiance Plus中10% 02/90°/(^2環境中105(TC下的瞬間退火。在Si襯底峰附近出現的峰表示少量損 失的替代C通過瞬間退火在頂層中恢復。在1500弧秒以上(在注入和瞬間退 火之后)出現的條紋表示頂層上損失的替代C和晶體破壞。對應的綜合替代C 大于4xl0"/cm2，但是不大于5x1015/0112。
起始Si: C外延層以與實施例4中的相同方法準備。所沉積的Si: C薄膜
包含1.42%的總C，而1.35%C替代，如通過圖5中的高分辨衍射儀(HR-XRD) 中1500弧秒周圍的薄膜峰位置所示。在所制備的外延膜中的綜合替代C劑量 對應于約7xl015/cm2。然后，薄膜經歷與實施例4中的樣品相同的注入條件(在 應用材料的Quantum X注射器中在12keV離子能量和4xl015/cm2劑量下磷離 子注入)。在注入之后，頂層(在該情形下為 400A)被破壞并且替代C在破 壞層中減少，類似與實施例4。然后，樣品使用應用材料的Dynamic Surface Anneal (動態表面退火)系統經歷150mm/s掃描速度下1100和1300。C之間溫 度下的毫秒退火。圖5中的HRXRD示出強條紋，特別在毫秒退火之后在1500 弧秒下薄膜峰以上處，表明高替代C的存在。在毫秒退火之后對應的替代C 劑量為約7xl0 cm2，可與在注入和退火之前起始Si: C外延層中的替代C劑 量相比。 實施例6
圖6示出了在替代碳含量上數個樣品的動態表面退火的效應。樣品以各種 注入條件制備并在從1100。C至130(TC之間變化的溫度下以DSA退火。圖6將 注入之后和3步工藝順序之后的替代碳含量與在300裸硅晶圓上所沉積的外延 層的替代碳含量相比較。為了比較，每個薄膜中的替代C在外延層上方綜合 并表示為劑量且歸一化為所沉積Si: C外延膜(Epi)中的替代C劑量，從而 設定起始Si: C外延膜為歸一化替代C劑量中的100% (在圖6中的y軸)。 將每個晶圓放置在300mm可從加利福尼亞的圣克拉拉的應用材料有限公司 購得的Epi Centura減壓腔室中。IOOOA厚的未摻雜Si: C外延膜沉積在300mm 裸硅晶圓上。測量初始替代碳含量。每個制備的Si: C外延膜經歷以下四個注 入(IMP)條件的其中之一(i)在9keV下P的4xl0"/cm2劑量，(ii)在12keV 下P的4xl0"/cm2劑量，(iii)在15keV下P的4xl0"/cm2劑量，或(iv)在 8keV下P的2xl0。/cm2劑量與25keV下As的2xl015/cm2劑量的組合。在制 造nMOS晶體管中，可選擇注入條件以滿足目標源極和漏極結位置。例如， 在Si:C中12keV注入條件下P將在距離表面約600A處產生具有在2><1018/cm2 和2xl0,cn^之間濃度的P結。較低的能量將產生較淺的結而高能量能產生較 深的結。因此，選擇這四個注入條件以仿效HDD形成。然后，以這四個條件 的其中之一注入的每個樣品在不同溫度下(iiO(TC， 1200°C,或130(TC)利
用DSA以對應于0.5毫秒停留時間的150mm/s掃描速度處理。對于所有的注 入條件，在HDD注入后替代C劑量降低到所沉積劑量的45-65%，但是在DSA 處理后增加回到94%或更高，表明在Si: C層中通過DSA替代C的有效恢復。 本發明的一個或多個實施方式提供特別有效于形成互補金屬氧化物半導 體(CMOS)集成電路器件的方法并將在以下文中描述。其它器件和應用也在 本發明的范圍內。圖7示出了典型CMOS器件中FET對的部分橫截面視圖。 在形成阱后器件100包含半導體襯底以提供源/漏區、柵電介質和NMOS器件 與PMOS器件的柵極。器件100可使用傳統的半導體工藝，諸如生長單晶硅 和通過溝道蝕刻并在溝道開口中生長或沉積電介質形成淺槽隔離結構，來形 成。用于形成這些各種結構的詳細工序在本領域中是公知的并且在此不再進一 步描述。
器件100包含半導體襯底155，例如，硅襯底，由p型材料摻雜、在襯底 155上的p型外延硅層165、在外延層165中限定的p型阱區120和n型阱區 150、在p-阱120中限定的n型晶體管(NMOS FET) 110和在n-阱150中限 定的p型晶體管(PMOS FET) 140。第一隔離區158電性隔離NMOS IIO和 PMOS 140晶體管，并且第二隔離區160將第一晶體管110和140與襯底155 上的其它半導體器件電性隔離。
根據本發明的一個或多個實施方式，NMOS晶體管110包含柵極122、第 一源區114和漏區116。 NMOS柵極122的厚度可伸縮的(scalable)并可根據 對器件性能的考慮來調整。NMOS柵極122具有對應于N型器件功函數的功 函數。源區和漏區是在柵極122相對側上的n型區。溝道區118夾在源區114 和漏區116之間。柵電介質層112將溝道區118和柵極122分離。用于形成 NMOS柵極122和電介質層的工藝在本領域中是公知的并且在此不再進一步 討論。應該理解根據本發明實施方式Si: C外延層將填充部分或整個源/漏區 114或116。
根據一個或多個實施方式，PMOS晶體管140包含柵極152、源區144和 漏區146。 PMOS柵極152的厚度是可伸縮的并且可根據對器件性能的考慮來 調整。PMOS柵極152具有對應于N型器件功函數的功函數。源區和漏區是 在柵極152相對側上的P型區。溝道區148夾在源區144和漏區146之間。柵 電介質層142將溝道區148和柵極152分離。電介質142電性絕緣柵極152
與溝道區148。將理解在圖4中示出并在以上描述的晶體管110和140都只是
示例性的，并且材料、層等中的各種變化都在本發明的范圍內。
現在參照圖8，其示出了在形成間隔墊、在源/漏區上形成層，例如硅化物 層以及蝕刻停止形成后圖7的NMOS器件110的額外細節的視圖。將理解在 圖4中示出的PMOS器件可包含可變化尺寸和/或成分的類似間隔墊和層以影 響NMOS器件溝道中產生的應力，如在以下進一步所述。然后，為了示意性 目的，僅示出NMOS器件并僅對其進行詳細描述。
圖8示出了由在柵極119周圍結合的適宜電介質材料形成的間隔墊175。 還可提供偏移間隔墊177，其圍繞每個間隔墊175。用于形成間隔墊175和177 的形狀、尺寸和厚度的工藝在本領域中是公知的并在此不再進一步描述。金屬 硅化物層179可形成于源區114和漏區116上方。硅化物層179可通過適宜的 工藝諸如濺射或PVD (物理氣相沉積)由適宜的材料諸如鎳、鈦或鈷形成。 硅化物層179可擴散到部分下層表面中。漏區116的高度(elevation)由箭頭 181示出，其示為從襯底表面180到硅化物層179頂部的距離。源漏區的琢面 (facet) 183示為傾斜表面。將本領域的普通技術人員所能理解的，可修改在 此描述的示例性器件以包括可根據在此描述的方法進一步變型的源/漏區或具 有Si: C外延層的源/漏區。因此，本發明的實施方式提供通過在注入之后的 恢復替代C的以下工序最大化Si: C層中的替代C的方法。根據一個實施方 式的工藝工序包括Si: C外延沉積，之后為HDD或深S/D注入，之后為毫秒 退火。在特定實施方式中，起始外延層包含等于或高于約1原子。/。的替代C。 在一個或多個實施方式中，退火之后在最終外延層中的綜合C劑量為起始外 延層的至少約90%。
注入可包含形成nMOS深源/漏極，其還已知為"HDD"高摻雜漏。示例 性注入條件包括僅P、 As/P聯合注入或僅As注入。特定實施例為僅P注入 6-15keV; As: 25keV/P: 8keV，僅As注入25keV及更高。總劑量約4xl015/cm2。 在晶體管制造流程中N型注入可以伴隨額外的預無定形化注入(例如，Si)(這 可在HDD步驟期間或之前)，其導致至少部分外延層的無定形化。雖然本發 明不意欲通過特定理論限定，但是注入導致外延膜破壞并降低至少部分外延膜 中的替代C。因此，在注入之后，所沉積膜中的綜合替代C超過替代C。
在注入之后退火外延膜時，例如，通過毫秒退火，替代C從注入后含量
增加，導致最終替代C可小于、可相比于，或高于所沉積替代C含量。如以 上所述，可改變退火工序。例如，低溫瞬間退火可插入在諸如在以下順序的工 序之間，但是該順序不限于Si: C外延沉積中，之后為HDD或深S/D注入， 之后為低溫退火，并接著為毫秒退火。在另一實施例中，瞬間退火可在毫秒退 火之后以這樣的順序添加Si: C外延沉積，之后為HDD或S/D注入，接著
為DSA，然后為瞬間退火。
整個說明書中的參照"一個實施方式"、"特定實施方式"、"一個或多個實 施方式"或"實施方式"指特定部件、結構、材料或結合實施方式描述的屬性 包括于本發明的至少一個實施方式中。因此，在整個說明書各處所出現的術語 諸如"在一個或多個實施方式中"、"在特定實施方式中"、"在一個實施方式 中"或"在實施方式中"不必參照本發明的相同實施方式。另外，特定部件、 結構、材料或屬性可以任何適當的方式結合在一個或多個實施方式中。以上方 法的描述順序不應該考慮為限定，并且方法可次序顛倒或忽略或添加步驟來使 用描述的操作。
應該理解以上說明意欲示意性的，并且不是限制性的。對于本領域的普通 技術人員來說，在査看以上說明時，多種其它實施方式是顯而易見的。因此， 本發明的范圍應該參照附加的權利要求書以及該權利要求書授權的等效物的 范圍來確定。
權利要求
1、一種處理在襯底上的Si:C外延層的方法，包含提供具有外延層的襯底，該外延層包含沉積在所述襯底上的碳和硅，所述碳包含高于約0.5原子％的間隙碳和替代碳；以及離子注入所述外延層；以及在從約800℃到約1350℃的溫度下退火所述襯底和外延層，以將所述外延層中的至少部分間隙碳轉化為替代碳，從而增加所述替代碳含量至高于約0.5原子％。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在離子注入之前所述層中 的替代碳和間隙碳的總量在約0.5原子％和2原子％的范圍內。
3、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在離子注入前所述外延層 中的替代碳量高于約1原子％。
4、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述離子注入包括在至少 約1.5xl0"cm2劑量下選自P、 As、 Si及其組合的元素。
5、 根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述離子注入導致至少部 分外延層的無定形化。
6、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火通過一個或多個 動態表面退火、激光退火、毫秒退火、快速退火或瞬間退火來執行。
7、 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述退火發生短于10秒。
8、 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述退火發生短于900毫秒。
9、 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述退火通過毫秒退火的 激光退火發生短于900毫秒來執行。
10、 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述退火通過毫秒退火的 激光退火發生短于900毫秒，之后為短于10秒的快速熱退火來執行。
11、 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述退火通過短于10秒 的快速熱退火，之后為短于900毫秒的激光退火或毫秒退火來執行。
12、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述Si: C外延膜在晶體 管制造工藝的形成步驟期間形成，并且所述方法進一步包含在襯底上形成柵電介質； 在所述柵電介質上形成柵極；在所述襯底上與所述柵極相對側上形成源/漏區并在所述源/漏區之間限定 溝道區；以及在源/漏區正上方沉積包含硅和碳的所述外延層。
13、 根據權利要求12所述的方法，其特征在于，所述替代碳和間隙碳的 總量高于約1原子％。
14、 根據權利要求12所述的方法，其特征在于，在注入之前在所述外延 層中所述替代碳的量高于約1原子％。
15、 根據權利要求12所述的方法，其特征在于，所述離子注入包括在至 少約1.5xl0。ci^劑量下選自P、 As、 Si及其組合的元素。
16、 根據權利要求12所述的方法，其特征在于，所述離子注入導致至少 部分外延層的無定形化。
17、 根據權利要求16所述的方法，其特征在于，所述退火通過一個或多 個動態表面退火、激光退火、毫秒退火、表面退火或瞬間退火來執行。
18、 根據權利要求17所述的方法，其特征在于，所述退火發生短于10秒。
19、 根據權利要求17所述的方法，其特征在于，所述退火通過毫秒退火 的激光退火發生短于900毫秒來執行。
20、 根據權利要求17所述的方法，其特征在于，所述退火通過毫秒退火 的激光退火發生短于900毫秒，之后為短于10秒的快速熱退火來執行。
21、 根據權利要求17所述的方法，其特征在于，所述退火通過快速熱退 火發生短于10秒，之后為短于900毫秒的激光退火或毫秒退火來執行。
22、 根據權利要求12所述的方法，其特征在于，在注入和退火之后在所 述層中的替代碳的量高于約0.5原子％。
23、 根據權利要求12所述的方法，其特征在于，所述離子注入使用在至 少約1.5><1015(^2劑量下選自P、 As、 Si及其組合的元素來執行以形成重摻雜 漏極。
24、 根據權利要求12所述的方法，其特征在于，所述晶體管包括具有溝 道的nMOS晶體管以及所述方法增加所述nMOS晶體管溝道中的拉伸應變。
全文摘要
本發明公開了一種用于形成并處理包含硅和碳的外延層的方法。根據一個或多個實施方式，處理將外延層中的間隙碳轉換為替代碳。特定的實施方式涉及在半導體器件中，例如金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)器件中外延層的形成和處理。在特定實施方式中，外延層的處理包含退火短時間周期，例如，通過激光退火、毫秒退火、快速熱退火、瞬間退火及其組合。實施方式包括包含硅和碳的至少部分外延層的無定形化。
文檔編號H01L21/18GK101192516SQ20071019548
公開日2008年6月4日 申請日期2007年11月30日 優先權日2006年12月1日
發明者邱永男, 金以寬 申請人:應用材料股份有限公司