用于应变硅和化合物半导体的锗前驱物
摘要 随着Ge重要性的提高,需要寻找比GeH4更适用的前驱物。本文对用于应变Si和化合物半导体集成电路的两种新型Ge前驱物的品质特性进行了探讨。
当集成度不断增加,锗也变得日益重要。
由于Si工业正在寻找新型方法和材料,以保持微电子器件快速增长的步伐,应变和晶格工程变得至关重要。可以采用多种方法使Si产生应变,其中包括使用外延生长SiGe的方法。1 使用外延工艺产生应变的各种方法之间存在很大的差异,这些差异主要取决于需要加工的晶圆的热预算对生长设备的限制。由此可见,主要差异在于生长温度。
对于外延膜的局部应用来说,希望实现区域的选择性,且可以通过在适中的生长温度下使用含有卤素的前驱物得到极大地增强。对于覆盖式淀积,要求具有高生长速率和完美的晶体质量,通常可以通过高生长温度得以实现。到目前为止,所有含Ge的薄膜均使用GeH4生长。这主要是由于GeH4具有适合于BiCMOS中SiGe HBT基区层的理想的淀积温度,这是SiGe最初始的应用。然而,新型SiGe薄膜要求使用新型工艺,GeH4不是最佳匹配材料,要求使用更加适合的Ge前驱物（图1）。
国际半导体技术蓝图(ITRS)预测,除了应变Si,未来的III-V族化合物半导体器件还将与Si衬底相集成。为了在Si衬底上集成这些半导体器件,需要设计使Si晶格常数向III-V族半导体晶格常数转变。这时我们希望Ge再次发挥重要的作用。为了拓展新的工艺方法,我们开发并测试了几种新型Ge前驱物,用于改进薄膜生长或用于生长新型薄膜。通过对不同配位体进行精心的选择,新型Ge前驱物平衡了某种工艺的淀积和去除速率,可以与Si外延中广泛应用的氯硅烷系列产品相媲美。氯锗烷不同于氯硅烷,因为只有GeH4和GeCl4做外延前驱物比较稳定。在这一工艺中,生长设备面临着温度范围的差别。GeH4通常在400-700℃下正常工作,而GeCl4在低于850℃时不能被有效激活。为了消除这一温差,我们目前又增加了两种新型Ge前驱物。
一种新型前驱物是(CH3)GeCl3,作为应变Si衬底的高温生长SiGe模板。分子在750℃以上被激活。图2表示使用(CH3)GeCl3和TCS在1000℃常压下生长的外延膜的SIMS结果。通过与GeH4比较,我们观察到更陡峭的界面和更平滑的梯度斜坡。反应器侧壁上的淀积大大地减少,这可能是增加了Cl含量的结果。侧壁淀积减少可减少维护并降低成本。与使用GeH4优化工艺生长的薄膜相比,此时的堆积和位错密度均有所下降。
另一种新型前驱物是(H9C4)GeH3,适用于纯Ge膜或含Ge膜的低温生长。(H9C4)GeH3是一种液体,且比GeH4的毒性小得多。图3表示在降低压力条件下500℃时薄膜生长的SIMS结果。虽然衬底和外延膜交界处的氧和碳的浓度很高,但在薄膜中浓度又下降到其检测范围内。
随着更多的材料与Si基电子器件集成技术的不断进步,作为关键元素,Ge的重要性在不断增加。它的主要作用在于带隙和应变工程,从而实现所需的功能性。使用化学汽相淀积(CVD)法制作所需的各类薄膜。新材料和Si的每一次结合都要求对工艺进行优化,只有使用专门的Ge前驱物才能实现。
