285_088-172CP-TW
發佈日期 :
2009-04-28
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號： 090105746 | |
| ※申請日期： 20010312 ※ＩＰＣ分類： Int.Cl.(7) H01L 21/31 |
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| 一、發明名稱： (中文/英文) | |
於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程 (全文下載)
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| 二、申請人： 共 1 人
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| 1 . 姓名或名稱：(中文/英文) 行政院國家科學委員會 / NATIONAL SCIENCE COUNCIL 代 表 人：(中文/英文) / 住居所或營業所地址：(中文/英文) 台北巿和平東路二段一○六號十八樓 / 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW
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| 三、發明人： 共 4 人
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| 1 . 姓名：(中文/英文) 方炎坤 / FANG, YEAN-KUEN 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW 2 . 姓名：(中文/英文) 謝文哲 / HSIEH, WEN-TSE 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW 3 . 姓名：(中文/英文) 王漢邦 / WANG, HAN-PANG 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW 4 . 姓名：(中文/英文) 才永軒 / TSAIR, YONG-SHIUAN 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW
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四、聲明事項 |
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| □主張專利法第二十二條第二項 □ 第一款或 □ 第二款規定之事實，其事實發生日期為：年 月 日
□申請前已向下列國家(地區)申請專利: 【格式請依:受理國家(地區)、申請日、申請案號、 順序註記】
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| □ 有主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
□無主張專利法第二十七條第一項國際優先權： |
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| □ 主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
【格式請依:申請日、申請案號、順序註記】
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□ 主張專利法第三十條生物材料： □ 須寄存生物材料者： 國內生物材料【格式請依:寄存機構、日期、號碼、順序註記】 國外生物材料【格式請依:寄存國家、機構、日期、號碼、順序註記】 |
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| □ 不須寄存生物材料者: 所屬技術領域中具有通常知識者易於獲得時，不須寄存。 |
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| 五、中文發明摘要： | |
| 本案係指一種於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其步驟包含：提供一矽基板；以及將該矽基板置入一化學氣相沈積反應腔內，並通入成長該矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜所需之氣體並調整流量，藉一化學氣相沈積以沈積該矽鍺碳薄膜，其中該氣體包含丙烷(C 3 H 8 )以作為該矽鍺碳薄膜之碳原子來源。 | |
| 六、英文發明摘要： | |
| 七、指定代表圖： | |
| （一）本案指定代表圖為： | |
| （二）本代表圖之元件符號簡單說明：
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| 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： | |
| 九、發明說明： | |
| 發明領域 本案係指一種矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其主要應用於半導體之高速元件、光電元件之材料製造。 發明背景 近年來由於光纖通訊產業的蓬勃發展，使得光電技術逐漸受到重視。目前應用在波長1.2μm~1.3μm（亦稱近紅外光區）範圍的光檢測器元件，幾乎皆是以Ⅲ-Ⅴ族為主。但利用這些材料來製作元件有材料昂貴的缺點存在，而且也無法利用超大型積體電路(VLSI)大量生產之方式來製造，因而造成此元件無法降低成本。 矽鍺(Si 1-x Ge x )合金系統能隙小，且能隙大小隨鍺組成X值改變的特性以及易成長在矽晶圓上的特點，已逐漸被運用在檢測近紅外光區的元件製作上。矽及鍺於不同組成下均可完全互溶形成一具有鑽石結構之合金，但由於矽、鍺晶格常數（a si =5.43埃、a Ge =5.66埃）於室溫下存在著4.2%之差異，所以於矽鍺／矽(Si 1-x Ge x /Si)異質接面系統中，解決晶格常數的差異通常是以兩種方式來調節：一為晶格的扭曲，如擬晶型態(pseudomorphic)的成長；另一為在接面處產生差排(dislocations)。其中以擬晶型態成長為佳，因其可製作性能較佳之元件。但是矽鍺／矽(si 1-x Ge x /Si)接面處由於晶格配錯為負值，所以矽鍺(Si 1-x Ge x )薄膜中產生的應變為壓縮應變(compressive strain)。因此以擬晶型態成長於矽基材上的矽鍺(Si 1-x Ge X )薄膜會有一固定臨界厚度限制的存在，因此，如因元件製作需要而需成長較厚的矽鍺(Si 1-x Ge x )薄膜厚度，傳統作法是採用應力層超晶格(strained layer superlattice，SLS)的方式，在矽鍺(Si 1-x Ge x )與矽之間成長漸變形的緩衝層，以減低晶格常數不匹配所造成的應力。雖然SLS的方式可明顯增加臨界厚度，但是對於含有大量鍺成分的矽鍺(Si 1-x Ge x )而言，所需要的緩衝層厚度將大幅增加。因此，造成了製作步驟太過於繁複且良率不佳的缺點。所以，為了克服此困難，最近幾年已有文獻成功地研究出在成長矽鍺(Si 1-x Ge x )的同時，加入晶格常數較小的碳原子（a c =3.54埃），以降低矽鍺(Si 1-x Ge x )與矽磊晶層間之壓縮應變，但所用之碳原子來源氣體為價格高昂之甲基矽烷(MethylSilane)，故材料製作成本仍然無法降低。 職是之故，申請人鑑於習知技術之缺失，乃經悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終研發出本案之『於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程』。 發明概述 本案之主要目的在解決以往由於矽及鍺間具4%之晶格不匹配（a si =5.43埃、a Ge =5.66埃）於矽基板上沈積之矽鍺(Si 1-x Ge x )薄膜存在著臨界厚度(criticalthickness)的影響，揚棄傳統之使用高昂價格甲基丙烷，而改用價格低廉且取得容易的丙烷作為碳原子的來源氣體配合快速升溫化學氣相沈積系統(Rapid ThermalChemical Vapor Deposition,RTCVD)，於n型矽基板上成長矽鍺(Si 1-x Ge x )薄膜，用以補償矽鍺(Si 1-x Ge x )薄膜內部的壓縮應力(compressive strain)，並增加其臨界厚度。並且由研究得知利用丙烷作為碳來源氣體成長之矽鍺(Si 1-x Ge x )薄膜其成長速率（200埃／min）較傳統利用甲基矽烷作為碳來源氣體者來得快許多，並且所需花費的成本亦較為低廉。於是採用丙烷作為碳原子來源氣體，所製作之矽鍺(Si 1-x Ge x )薄膜可使矽鍺／矽(Si 1-x Ge x /Si)接面的應變力減小，增加其臨界厚度使矽鍺(Si 1-x Ge x )薄膜之實用性提升。此外由於丙烷為目前極大型積體電路(ULSI)工業上最普遍使用之碳氫化合物氣體，所以藉由丙烷作為碳原子來源氣體將可達到低成本高效率的優點。 本案之又一目的在提供一種於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其步驟包含：(a)提供一矽基板；以及(b)將該矽基板置入一化學氣相沈積反應腔內，並通八成長該矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜所需之氣體並調整流量，藉一化學氣相沈積以沈積該矽鍺碳薄膜，其中該氣體包含丙烷(C 3 H 8 )以作為該矽鍺碳薄膜之碳原子來源。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中該矽鍺碳之碳與鍺組成比例在0.1比40到1比40之間。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中該步驟(a)中之該矽基板為n型矽基板。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中該步驟(a)之前更包含一清洗矽基板之步驟。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中該步驟(b)中之該化學氣相沈積為一快速升溫化學氣相沈積(RTCVD)。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中該步驟(b)更包含一步驟(b1)於該矽基板置入該化學氣相沈積反應腔時，加熱該矽基板以去除其上之氧化層。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中該步驟(b1)中之加熱溫度為900℃。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中加熱時間持續10分鐘。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中該步驟(b1)之後更包含一步驟即將溫度降至室溫。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中該步驟(b)中之該丙烷氣體流量為10~100sccm之間。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中該步驟(b)中之該矽鍺碳薄膜之鍺原子來源氣體為鍺烷(GeH 4 )。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中鍺烷(GeH 4 )之流量為1~20sccm之間。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中該步驟(b)之該矽鍺碳薄膜成長溫度為800~1000℃之間。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中該步驟(b)之該矽鍺碳薄膜成長時間視該矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜所需之厚度決定。 根據上述構想，於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程中該步驟(b)中所通入之氣體為氫氣、矽烷、鍺烷與丙烷之混合氣體。 實施例說明 本案較佳實施例之矽鍺碳(Si l-x-y Ge x C y )材料製作乃採用n型(100)方向之矽晶片，作為成長薄膜之基板，且電阻率為15－25 Ω－cm，其程序內容如下所示： （一）首先清洗矽基板之步驟如下：先將晶片置於異丙醇中，以超音波震盪10分鐘，以去除油脂；再將晶片置於丙酮中，以超音波震盪10分鐘，以去除有機物；並以去離子水沖洗10分鐘；於硫酸：過氧化氫(H 2 SO 4 :H 2 O 2 )=3:1之溶液中煮沸6分鐘，以去除鹼金屬離子；再以去離子水沖洗10分鐘；以二氧化氫：氫化氟(HO 2 :HF)=10:1的溶液浸泡20秒，以去除表面氧化層；又再以去離子水沖洗10分鐘；以氮氣吹乾，迅速送入反應腔中。 （二）接著矽鍺碳(Si l-X-y Ge x C y )薄膜之成長流程如下所示: (1)去除氧化層:將清洗過的係晶片置於高真空(10－6torr)及高溫(900℃)下10分鐘，以去除矽基板表面的氧化層。 (2)薄膜成長：等待溫度降至室溫之後，通入氫氣(1.21pm)、矽烷(60 sccm)、鍺烷(5sccm)和丙烷(0~80sccm)之混合氣體，維持在2.5Torr之成長壓力，並於1.3~1.4分鐘內將溫度升至900~1000℃之成長溫度，之後視所需厚度以決定成長時間，成長速率大約是20埃／min。 再者，藉由以下圖式之實施例詳細說明，俾得一更深入了解： 請參閱第一圖，為利用丙烷氣體成長矽鍺碳(si 1-x-y Ge x C y )薄膜之流程圖。將清洗過後的n型(100)矽基板置入快速升溫化學氣相沈積(RTCVD)反應腔內，加熱至900℃之高溫下持續10分鐘，以去除氧化層。之後待溫度降至室溫後，通八成長矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜所需氣體並調整其流量：氫氣(H2,1.2lpm)、矽烷(SiH 4 ,60 sccm)、鍺烷(GeH 4 ,5 sccm)和丙烷(C 3 H 8 ,0~80sccm)。接著在1.3分鐘內將溫度升至900~1000℃，並維持此一成長溫度20分鐘。之後視所需厚度以決定成長時間，，成長速率大約是200埃∕min。 請參閱第二圖，為利用X光繞射分析儀（X-r埃yDiffraction,XRD）分析相同成長溫度(900℃)、不同丙烷流量(0~80 sccm)下成長之矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜結晶性。相同製程下，所成長之矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜之(004)繞射峰值將隨著丙烷流量之增加而接近矽(004)繞射峰，此即表示丙烷所提供的碳原子的確降低了矽鍺／矽(Si 1-x Ge x /Si)之間的壓縮應力，使得矽鍺∕矽(Si 1-x Ge x /Si)之間的晶格常數更為匹配。 請參閱第三圖，為利用X光繞射分析儀(X-rayDiffraction,XRD)分析相同成長溫度(950℃)、不同丙烷流量(0~80 sccm)下成長之矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜結晶性。矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜之(004)繞射峰值在流量為20sccm處最接近矽(004)繞射峰值，之後其位置將隨著流量增加而遠離矽(004)繞射峰。經研究得知在950℃成長溫度下高溫對於減少碳原子形成取代型碳原子的影響較流量來得小。 請參閱第四圖，為由在不同成長溫度下成長之矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜其丙烷流量與半高寬(FWHM)之關係圖。圖中可得知在成長溫度為950℃、丙烷流量為80sccm時，半高寬(FWHM)最小，表示在此條件下成長之薄膜結晶性為最佳。 請參閱第五圖(a)，為利用丙烷最佳成長條件（成長溫度950℃、丙烷流量80sccm）下成長之矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜在不同放大倍率下之表面掃瞄式電子顯微鏡(SEM)圖形，由圖中可得知利用丙烷氣體成長之矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜其表面結晶密度甚為均勻且結晶顆粒大小一致。(b)為矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜與矽基板之接面剖面圖，由圖中可明顯看出利用丙烷成長之矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜與矽基板間存在著平坦的介面。 請參閱第六圖(a)，為利用四點探針法量測以n型(100)矽(ρ=15-25Ω-cm)為基板，配合最佳成長條件（成長溫度950℃、丙烷流量80sccm）所成長之矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜。經由研究可得其電阻率大約為0.041-0.1Ω-cm。由於矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜為p型，並且基板為n型，因此測量時所注入的電流不會流經基板，而造成基板效應。(b)為室溫下之霍耳測試結果：電動濃度大約為10 18 cm -3 次方級，電洞移動率範圍：122-190cm 2 /Vs。 為充分說明本案之製程技術特徵和內容，特舉光檢測器來說明之。如第七圖所示，為利用傳統型NPN光電晶體結構製作之近紅外光檢測器，其製作程序如下：先在n型(100)方向之矽基板1上成長一n + 型-矽薄膜層11以作為該NPN光電晶體之射極端，再依序成長所需的矽或矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜2以作為該NPN光電晶體之基極端，依摻雜物質的不同可形成p-型-矽鍺碳薄膜(p - -Si 1-x-y Ge x C y )(N A =3×10 16 )或p + 型-矽鍺碳薄膜(p + -Si 1-x-y Ge x C y )(Na=5×10 17 )。在矽薄膜方面，則通入三氫化磷(PH 3 ,80sccm)，以摻雜成n + 型矽層3(n + -Si)，即為該NPN光電晶體之集極端。再將成長薄膜後之晶片置入射頻濺鍍系統中，鍍上氧化銦錫4(Indium tin oxide,ITO)透明電極。最後將晶片置入蒸著機，在n型-矽基板1上鍍鋁5作為電極使用。 又其工作原理如下：首先，在集極端加正電壓，射極端加負電壓，當沒有光線入射時，光電晶體的集極電流相當於集極漏電流I CEO ，但是當光電晶體受到光線照射時會使集－基接面空乏區中，產生許多光激電子電洞對，其中，電子漂移至集極而被集極收集，電洞則順著電場方向漂移至基極，使基極的電洞濃度增加，所以其以擴散方式注入射極的電洞流增加，同理，由射極注入基極的電子流亦增加而產生光增益。 請參閱第八圖，為本案之近紅外光檢測器的光頻譜響應測試系統。在室溫下，以鹵素燈作為光源，波長約為300nm~2μm，調整近紅外光檢測器之反向偏壓為10V。經研究量測得知元件對於近紅外光區的波段有明顯吸收峰值存在。 請參閱第九圖，為本案之近紅外光檢測器在不同光能量照射下之電壓－電流特性圖。入射光光源為波長1310nm之發光二極體(LED)，調整入射光功率為0μW~100μW，並施以近紅外光檢測器反向偏壓0V~15V，量測不同光能量下之光電流大小。經研究得知，在入射先能量為0μW、反向偏壓15V時，暗電流大小為2.37μA。 綜上所述，本案乃利用丙烷作為成長矽鍺(Si 1-x Ge x )薄膜之碳來源氣體，其成長速率較傳統利用以甲基矽烷作為碳來源氣體者來得快許多，並且所需花費的成本亦較為低廉。且所製作之矽鍺(Si 1-X Ge x )薄膜可使矽鍺／矽(Si 1-x Ge x /Si)接面的應變力減小，增加其臨界厚度使矽鍺(Si 1-x Ge x )薄膜之實用性提升。所以藉由丙烷作為碳原子來源氣體將可達到低成本高效率的優點，因而本發明實具產業發展之價值。 本案得由熟悉技藝之人任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請範圍所欲保護者。 圖式簡單說明 本案藉由下列圖示及詳細說明，俾得一更深入了解： 第一圖：本案較佳實施例之利用丙烷(Propane,C 3 H 8 )成長矽鍺碳薄膜之流程圖。 第二圖：本案較佳實施例之於相同成長溫度(900℃)，不同丙烷流量成長之矽鍺碳薄膜之X光繞射圖。 第三圖：本案較佳實施例之於相同成長溫度(950℃)，不同丙烷流量成長之矽鍺碳薄膜之X光繞射圖。 第四圖：本案較佳實施例之於不同成長溫度之矽鍺碳薄膜其丙烷流量與半高寬(FWHM)之關係圖。 第五圖(a)：本案較佳實施例之為利用丙烷最佳成長條件下成長之矽鍺碳薄膜在不同放大倍率下之表面掃瞄式電子顯微鏡(SEM)圖形。 第五圖(b)：本案較佳實施例之矽鍺碳薄膜與矽基板之接基板之接面剖面圖。 第六圖(a)：本案較佳實施例之矽鍺碳薄膜之電阻率－丙烷流量曲線示意圖。 第六圖(b)：本案較佳實施例之矽鍺碳薄膜之電洞移動率－濃度曲線示意圖。 第七圖：本案較佳實施例之利用傳統型NPN光電晶體結構製作之近紅外光檢測器。 第八圖：本案較佳實施例之近紅外光檢測器的光頻譜響應測試系統。 第九圖：本案較佳實施例之近紅外光檢測器在不同光能量照射下之電壓－電流特性圖。 主要元件符號說明 n型－矽基板．．．1 n + 型－矽薄膜層．．．11 矽鍺碳薄膜．．．2 n + 型矽層．．．3 氧化銦錫．．．4 鋁．．．5
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| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其步驟包含：(a)提供一矽基板；以及(b)將該矽基板置入一化學氣相沈積反應腔內，並通入成長該矽鍺碳(Si 1-X-y Ge x C y )藩膜所需之氣體並調整流量，藉一化學氣相沈積以沈積該矽鍺碳薄膜，其中該氣體包含丙烷(C 3 H 8 )以作為該矽鍺碳薄膜之碳原子來源。 2.如申請專利範圍第1項之於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其中該矽鍺碳之碳與鍺組成比例在0.1比40到1比40之間。 3.如申請專利範圍第1項之於矽基板上成長矽鍺碳藩膜之製程，其中步驟(a)中之該矽基板為n型矽基板。 4.如申請專利範圍第1項之於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其中該步驟(a)之前更包含一清洗矽基板之步驟。 5.如申請專利範圍第1項之於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其中該步驟(b)中之該化學氣相沈積為一快速升溫化學氣相沈積(RTCVD)。 6.如申請專利範圍第1項之於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其中該步驟(b)更包含一步驟(b1)於該矽基板置入該化學氣相沈積反應腔時，加熱該矽基板以去除其上之氧化層。 7.如申請專利範圍第6項之於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其中該步驟(b1)中之加熱溫度為900℃。 8.如申請專利範圍第6項之於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其中加熱時間持續10分鐘。 9.如申請專利範圍第6項之於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其中該步驟(b1)之後更包含一步驟即將溫度降至室溫。 10.如申請專利範圍第1項之於矽基板上成長矽鍺碳簿膜之製程，其中該步驟(b)中之該丙烷氣體流量為10~100sccm之間。 11.如申請專利範圍第1項之於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其中該步驟(b)中之該矽鍺碳薄膜之鍺原子來源氣體為鍺烷(GeH 4 )。 12.如申請專利範圍第11項之於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其中鍺烷(GeH 4 )之流量為1~20sccm之間。 13.如申請專利範圍第1項之於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其中該步驟(b)之該矽鍺碳薄膜成長溫度為800～1000℃之間。 14.如申請專利範圍第1項之於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其中該步驟(b)之該矽鍺碳薄膜成長時間視該矽鍺碳(Si 1-x-y Ge x C y )薄膜所需之厚度決定。 15.如申請專利範圍第1項之於矽基板上成長矽鍺碳薄膜之製程，其中該步驟(b)中所通入之氣體為氫氣、矽烷、鍺烷與丙烷之混合氣體。 |
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| 十一、圖式： | |
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