具有高弛豫和低堆垛層錯缺陷密度的薄sgoi晶片的製作方法
2023-12-02 11:51:01 1
專利名稱：具有高弛豫和低堆垛層錯缺陷密度的薄sgoi晶片的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及到絕緣體上矽鍺(Si1-xGex，為簡單起見而稱為SiGe)(SGOI)結構，更確切地說是涉及到具有薄而高弛豫SiGe層以及低堆垛層錯缺陷密度的SGOI結構的改進了的製作方法。
背景技術：
在應變矽互補金屬氧化物半導體(CMOS)應用中，澱積在弛豫的矽鍺上的矽被張應變，並被用作N型場效應電晶體(NFET)和P型場效應電晶體(PFET)的溝道材料。在0.6％的應變下，這些NFET具有顯著的遷移率提高；但為了得到PFET遷移率的顯著提高，則需要1.2％以上的應變。同時，相似於絕緣體上矽(SOI)上的CMOS的發展，埋置氧化物(BOX)上的薄Si/SiGe膜對於高性能器件是非常有用的。此外，矽和矽鍺材料中的堆垛層錯缺陷能夠引起源到漏短路，需要儘可能減少。
作為此技術當前狀態的例子，美國專利申請2002/0185686描述了一種製作SGOI層的工藝，此工藝藉助於在SOI的頂部生長贗外延矽鍺層、將輕元素離子注入在此層下方、然後執行弛豫退火工藝，來製作SGOI層。美國專利申請2002/0168802描述了一種製作SiGe/SOI組合結構的工藝，其中，SOI的頂層被轉換成SiGe，然後被退火。
製作SGOI晶片的最有前景的方法之一是熱混合。在熱混合中，贗矽鍺膜被澱積在SOI晶片上，且高溫氧化(1200-1300℃)使矽鍺與下方的矽相互混合，使矽鍺弛豫，同時使矽鍺減薄。在此熱混合過程中，鍺在高溫下被排擠出氧化物，故矽鍺層中的鍺量基本上守恆。例如，倘若初始SOI厚度大於400埃，則SOI上600埃的17％的矽鍺能夠被混合成400埃的25％的SGOI或1000埃的10％的SGOI。
但SGOI膜在熱混合之後通常不是100％被弛豫。在上述例子中，400埃的25％的SGOI僅僅被弛豫60％，這為澱積在此襯底上的矽提供了大約0.6％的應變。為了具有1.2％的應變，若僅僅達到60％的SGOI弛豫，則要求50％的矽鍺膜。與低濃度材料相比，這種高濃度的矽鍺膜有許多額外的材料問題以及CMOS工藝集成問題，因而是不可取的。於是，需要一種濃度比較低但弛豫高的矽鍺。
發明內容
本發明藉助於提供一種具有薄而高弛豫矽鍺層以及低堆垛層錯缺陷密度的SGOI結構的改進了的製作方法，來論述這些問題。根據本發明，製作SGOI結構的方法以在SOI晶片上澱積矽鍺層而開始。接著，本發明執行熱混合工藝，使矽鍺層與下方的矽層相互混合，並部分地弛豫矽鍺層內的應變。通常在氧化環境下進行此熱混合工藝，且氧化量可以被用來控制熱混合之後的矽鍺厚度。本發明然後將矽鍺層減薄到所希望的最終厚度。此減薄工藝保持鍺的濃度、弛豫量、以及堆垛層錯缺陷密度不被改變。這樣，本發明就能夠得到具有高弛豫和低堆垛層錯缺陷密度的薄SGOI膜。在減薄之後，進行表面整平工藝。最後，本發明在薄的SGOI晶片上澱積矽。
矽鍺層的熱混合工藝包含在氧化環境下將矽鍺層加熱到大約1200-1300℃。在這種高溫氧化工藝中，鍺原子從氧化物被排擠出來並聚集在氧化物下方的矽鍺層中。減薄工藝非選擇性地減薄矽鍺層，使矽鍺層中的矽和鍺根據它們現有的克分子濃度而被清除。更具體地說，此減薄工藝可以是低於700℃溫度下進行的高壓氧化(HIPOX)工藝、低於700℃溫度下進行的蒸汽氧化工藝、氯化氫腐蝕工藝、或化學機械拋光(CMP)工藝。若採用氧化減薄工藝，則利用在減薄工藝之後的整平工藝，矽鍺層被基本上整平，且矽鍺層具有小於15埃，優選小於10埃的表面粗糙度。
當結合下列描述和附圖進行考慮時，將更好地理解本發明的這些和其它的情況和目的。但應該理解的是，下列的描述雖然指出了本發明的各種優選實施方案及其大量具體的細節，但僅僅是說明性的而非對本發明的限制。可以在本發明的範圍內作出許多改變和修正而不偏離本發明的構思，本發明因而包括了所有這些修正。
參照附圖，從下列詳細描述中，將更好地理解本發明，在這些附圖中圖1示出了熱混合之後SGOI中的剩餘應變與矽鍺厚度的關係；圖2示出了SGOI弛豫百分比對鍺濃度和矽鍺厚度的依賴關係；圖3示出了SGOI中的堆垛層錯缺陷密度與矽鍺厚度的關係；圖4-9是示意剖面圖，示出了用於本發明的各個基本加工步驟；圖10是流程圖，示出了本發明的一個優選方法。
具體實施例方式
參照附圖所示非限制性實施方案以及下列描述中的細節，來更充分地解釋本發明及其各個特徵和有利細節。應該指出的是，附圖所示的各個特徵無須按比例繪製。眾所周知的組成部分和加工技術被加以省略，以便不無謂地妨礙對本發明的理解。此處所用的例子僅僅是為了便於理解本技術領域熟練人員能夠實施本發明的各種方法。因此，這些例子不應該被認為是對本發明範圍的限制。
圖1示出了熱混合之後SGOI中的剩餘應變與矽鍺厚度的關係。虛線示出了實驗數據，而實線示出了理論數據。圖1表明位錯的形成降低了矽鍺膜中的應變，且此膜弛豫，直至應變能低於形成新位錯所需的水平。直至矽鍺厚度為500埃，理論和實驗數據都擬合得很好。低於500埃時，實驗數據顯示出更多的剩餘應變，於是弛豫小於理論所預期的。圖2示出了理論預期的SGOI弛豫百分比對鍺濃度和矽鍺厚度的依賴關係。如先前指出的那樣，當矽鍺膜的厚度小於500埃時，實驗數據表明比理論預期更少的弛豫。這些數據表明，對於給定的鍺濃度，當矽鍺膜厚度增大時，弛豫百分比增大。例如，對於20％的矽鍺，理論預期200埃的矽鍺膜弛豫30％，而1000埃的矽鍺膜弛豫80％.
圖3示出了本發明人發現的SGOI中的堆垛層錯缺陷密度(與結晶結構原子錯序相關的平面型缺陷)與矽鍺厚度的關係。當矽鍺膜厚度增大150埃時，堆垛層錯缺陷密度被降低一個數量級。例如，利用本發明，SGOI的堆垛層錯缺陷少於每平方釐米1×104(優選少於每平方釐米1×102)。
於是，為了得到具有高弛豫和低堆垛層錯缺陷密度的SGOI，希望在熱混合之後具有厚的SGOI。但如先前所述，高性能的器件要求用常規熱混合難以得到的矽鍺高度弛豫的薄的最終矽/矽鍺膜。本發明藉助於對厚的熱混合矽鍺層進行減薄而克服了有關SGOI結構的熱混合限制。
更具體地說，如圖4所示，本發明首先在SOI 102和100上澱積矽鍺層104，其中102是矽層，而100是埋置氧化物(BOX)。矽鍺層104可以具有均勻的鍺濃度，或沿膜厚度具有鍺濃度變化，例如包括矽緩衝層或帽層。
接著，如圖5所示，本發明在1200-1300℃的溫度範圍內，於氧化環境中執行矽鍺層和矽層的熱混合，這使矽鍺和矽相互混合，同時氧化並減薄相互混合的矽鍺層，且同時部分地弛豫矽鍺層內的應變。由於此熱混合，部分地弛豫的矽鍺層106就被直接形成在BOX的頂部上，且氧化物層108被形成在矽鍺層的頂部上。在熱混合過程中，可能發生某種內部氧化；結果，在熱混合之後，BOX 100的厚度就可能增大。在此高溫氧化工藝中，鍺從氧化物被排擠出來，故矽鍺層106中的鍺量基本上相同於圖4中的矽鍺層104。
然後，如圖6所示，本發明利用氫氟酸腐蝕來清除氧化物層108。此工藝的一個腐蝕劑例子是HF∶H2O＝10∶1的溶液。接著，如圖7所示，本發明將矽鍺層106非選擇性地減薄到所希望的最終厚度；此減薄的矽鍺層在圖7中被示為層110。這一非選擇性減薄保持鍺濃度、弛豫量、以及堆垛層錯缺陷密度不被改變。換言之，此減薄工藝非選擇性地減薄矽鍺層，致使弛豫矽鍺層內的矽和鍺被按比例清除。於是，本發明能夠得到具有高弛豫和低堆垛層錯缺陷密度的薄SGOI膜。雖然本公開討論了4種非選擇性地減薄矽鍺層的不同工藝，但本技術領域的一般熟練人員可以理解的是，也可以採用其它的方法。
在第一方法中，550-700℃溫度範圍內的HIPOX工藝被用來非選擇性地氧化矽鍺層106。工藝壓力典型地為1-50大氣壓，優選為5-20大氣壓。蒸汽被典型地引入，以便提高氧化速率。在氧化之後，用HF腐蝕來清除氧化物。在第二方法中，550-700℃溫度範圍內的大氣壓或減壓蒸汽氧化工藝被用來非選擇性地氧化矽鍺層106。在氧化之後，用HF腐蝕來清除氧化物。在第三方法中，外延工作室中的原位氯化氫腐蝕被用來減薄矽鍺層106。在典型的外延預清洗之後和澱積應變矽之前，來完成此腐蝕。此腐蝕工藝在1-760乇的壓力下，於700-900℃的溫度以及50sccm-10slm的氯化氫流量下被執行。在第四方法中，化學機械拋光(CMP)被用來減薄矽鍺層106。
用第一和第二方法所述的氧化方法減薄的矽鍺層110典型地非常粗糙。AFM測得的RMS典型地顯示出20-50埃的表面粗糙度。如圖8所示，整平工藝被用來將矽鍺層110的表面粗糙度降低到15埃以下，優選為10埃以下。如本技術領域熟練人員所知，除了其它的方法之外，還可以採用下列3種整平方法。
在第一方法中，修整CMP被用來將表面粗糙度降低到10埃以下。修整CMP中清除的矽鍺層典型地小於200埃，優選小於100埃。
在第二方法中，應變矽澱積之前的原位氫烘焙和矽鍺緩衝層被用來將矽鍺表面粗糙度降低到15埃以下，優選為10埃以下。氫烘焙工藝典型地在700-900℃，優選為750-850℃的溫度範圍內，在1-300乇，優選為5-80乇的壓力下執行30-300秒鐘，優選為60-120秒鐘。在550-700℃的溫度下，用矽烷和鍺烷作為源氣體，或在700-850℃的溫度下，用DCS和鍺烷作為源氣體，矽鍺緩衝層被生長為20-500埃，優選為50-200埃。
在第三方法中，藉助於在700-900℃的溫度下用氯化氫、DCS、以及鍺烷的混合物在氫環境中對晶片進行加熱，而採用原位整平工藝。此工藝藉助於執行矽鍺腐蝕和澱積工藝來整平矽鍺表面。
最後，如圖9所示，本發明在減薄的SGOI晶片上澱積應變矽112。矽層的典型厚度為50-300埃。
圖10以流程圖的形式示出了本發明。更具體地說，本發明首先在SOI晶片上澱積矽鍺層(300)。接著，本發明執行矽鍺層和矽層的熱混合(302)，以便在絕緣體上形成部分地弛豫的矽鍺。如上所述，對矽鍺層和矽層進行熱混合的工藝包含在氧化環境中將矽鍺層加熱到大約1200-1300℃。然後，本發明用HF腐蝕來清除SGOI上的氧化物(304)。然後進行非選擇性矽鍺減薄工藝，以便將矽鍺厚度一直減小到所希望的厚度(306)。這保持鍺濃度和弛豫量不被改變而不管矽鍺層的厚度如何。在減薄工藝之後，矽鍺表面被整平(308)。以這種方式，本發明能夠得到具有高弛豫和低堆垛層錯缺陷密度的薄的SGOI膜。最後，本發明在薄的SGOI晶片上澱積矽(310)。
工業應用可能性本發明可以被用來製造包括SGOI膜的高性能半導體器件。就利用熱混合方法來形成厚SGOI以及對厚SGOI進行減薄以便得到具有高弛豫和低堆垛層錯缺陷密度的薄SGOI的完整工藝而言，已經描述了本發明。但如本技術領域一般熟練人員可以理解的那樣，本發明所述的矽鍺減薄和整平技術能夠被應用於諸如用薄膜轉移技術形成的SGOI晶片之類的預形成SGOI晶片。在這種薄膜轉移技術中，部分地或完全地弛豫的矽鍺層被首先形成在第一晶片上，然後，利用晶片鍵合方法，被轉移到載體晶片，且絕緣層被形成在矽鍺層與載體晶片之間。
雖然就優選實施方案而言已經描述了本發明，但本技術領域的熟練人員可以理解的是，能夠以所附權利要求的構思與範圍內的修正來實施本發明。
權利要求
1.一種在具有低堆垛層錯缺陷密度的絕緣體上矽鍺(SGOI)結構上形成應變矽層的方法，此方法包括下列步驟在絕緣體(100)上提供具有非應變矽層(102)的絕緣體上矽(SOI)襯底；在所述矽層上澱積(300)第一矽鍺層(104)；對所述第一矽鍺層與所述矽層進行熱混合(302)，以便將所述第一矽鍺層和所述矽層轉變成弛豫的矽鍺層(106)；對所述弛豫的矽鍺層進行減薄(304，306)；以及在所述弛豫的矽鍺層上，澱積(310)應變的矽層(112)。
2.權利要求1的方法，其中，對所述第一矽鍺層與所述矽層進行熱混合的所述工藝，包括在氧化環境中將所述第一矽鍺層與所述矽層加熱到大約1200-1300℃。
3.權利要求1的方法，其中，所述減薄工藝非選擇性地減薄所述弛豫的矽鍺層(160)，致使所述弛豫的矽鍺層內的矽和鍺按比例地被清除。
4.權利要求1的方法，其中，所述減薄工藝包括550-700℃的溫度範圍，1-50大氣壓，優選為5-20大氣壓的壓力範圍下的HIPOX氧化。
5.權利要求1的方法，其中，所述減薄工藝包括550-700℃的溫度範圍下的蒸汽氧化。
6.權利要求1的方法，其中，所述減薄工藝包括在外延工作室中執行的原位氯化氫腐蝕工藝。
7.權利要求1的方法，其中，所述減薄工藝包括CMP工藝。
8.權利要求1的方法，其特徵在於，所述第二厚度小於1000埃。
9.權利要求1的方法，其特徵在於，所述SGOI弛豫60％以上。
10.權利要求1的方法，其特徵在於，所述SGOI的堆垛層錯缺陷少於每平方釐米1×104。
11.權利要求1的方法，其特徵在於，所述第二厚度小於500埃。
12.權利要求1的方法，其特徵在於，所述SGOI弛豫80％以上。
13.權利要求1的方法，其特徵在於，所述SGOI的堆垛層錯缺陷少於每平方釐米1×102。
14.權利要求1的方法，其中，所述減薄工藝包括氧化工藝，且所述方法還包括對所述弛豫的矽鍺層進行整平(308)，以便降低所述矽鍺(110)的表面粗糙度。
15.權利要求14的方法，其中，所述整平包括下列之一修整CMP；澱積所述應變矽層之前的原位氫烘焙和矽鍺緩衝層生長；以及在700-900℃的溫度下，利用氯化氫、DCS、以及鍺烷的氣體混合物，在氫環境中，對所述弛豫的矽鍺層進行加熱。
全文摘要
一種形成絕緣體上矽鍺(SGOI)結構的方法。矽鍺層(104)被澱積(300)在SOI晶片(102，100)上。執行矽鍺層和矽層的熱混合(302)，以便形成具有高弛豫和低堆垛層錯缺陷密度的厚SGOI(106)。然後將矽鍺層(110)減薄(306)到所希望的最終厚度。鍺濃度、弛豫量、以及堆垛層錯缺陷密度不被此減薄工藝改變。從而得到具有高弛豫和低堆垛層錯缺陷密度的薄的SGOI膜。然後，矽層(112)被澱積在此薄的SGOI晶片上。減薄的方法包括低溫(550－700℃)HIPOX或蒸汽氧化、外延工作室中的原位氯化氫腐蝕、或CMP。用修整CMP、原位氫烘焙、以及應變矽澱積過程中的矽鍺緩衝層、或利用氯化氫、DCS、以及鍺烷的氣體混合物在氫環境中對晶片進行加熱，來整平HIPOX或蒸汽氧化減薄所引起的粗糙矽鍺表面。
文檔編號H01L21/762GK1906742SQ200480040518
公開日2007年1月31日 申請日期2004年1月16日 優先權日2004年1月16日
發明者陳華傑, 史蒂芬·W.·貝戴爾, 德溫得拉·K.·薩達納, 丹·M.·莫庫塔 申請人:國際商業機器公司