專(zhuān)利名稱(chēng)：具有高弛豫和低堆垛層錯(cuò)缺陷密度的薄sgoi晶片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及到絕緣體上硅鍺(Si1-xGex，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)而稱(chēng)為SiGe)(SGOI)結(jié)構(gòu)，更確切地說(shuō)是涉及到具有薄而高弛豫SiGe層以及低堆垛層錯(cuò)缺陷密度的SGOI結(jié)構(gòu)的改進(jìn)了的制作方法。
背景技術(shù)：
在應(yīng)變硅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)應(yīng)用中，淀積在弛豫的硅鍺上的硅被張應(yīng)變，并被用作N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(NFET)和P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(PFET)的溝道材料。在0.6％的應(yīng)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(yīng)變。同時(shí)，相似于絕緣體上硅(SOI)上的CMOS的發(fā)展，埋置氧化物(BOX)上的薄Si/SiGe膜對(duì)于高性能器件是非常有用的。此外，硅和硅鍺材料中的堆垛層錯(cuò)缺陷能夠引起源到漏短路，需要盡可能減少。
作為此技術(shù)當(dāng)前狀態(tài)的例子，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2002/0185686描述了一種制作SGOI層的工藝，此工藝借助于在SOI的頂部生長(zhǎng)贗外延硅鍺層、將輕元素離子注入在此層下方、然后執(zhí)行弛豫退火工藝，來(lái)制作SGOI層。美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2002/0168802描述了一種制作SiGe/SOI組合結(jié)構(gòu)的工藝，其中，SOI的頂層被轉(zhuǎn)換成SiGe，然后被退火。
制作SGOI晶片的最有前景的方法之一是熱混合。在熱混合中，贗硅鍺膜被淀積在SOI晶片上，且高溫氧化(1200-1300℃)使硅鍺與下方的硅相互混合，使硅鍺弛豫，同時(shí)使硅鍺減薄。在此熱混合過(guò)程中，鍺在高溫下被排擠出氧化物，故硅鍺層中的鍺量基本上守恒。例如，倘若初始SOI厚度大于400埃，則SOI上600埃的17％的硅鍺能夠被混合成400埃的25％的SGOI或1000埃的10％的SGOI。
但SGOI膜在熱混合之后通常不是100％被弛豫。在上述例子中，400埃的25％的SGOI僅僅被弛豫60％，這為淀積在此襯底上的硅提供了大約0.6％的應(yīng)變。為了具有1.2％的應(yīng)變，若僅僅達(dá)到60％的SGOI弛豫，則要求50％的硅鍺膜。與低濃度材料相比，這種高濃度的硅鍺膜有許多額外的材料問(wèn)題以及CMOS工藝集成問(wèn)題，因而是不可取的。于是，需要一種濃度比較低但弛豫高的硅鍺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明借助于提供一種具有薄而高弛豫硅鍺層以及低堆垛層錯(cuò)缺陷密度的SGOI結(jié)構(gòu)的改進(jìn)了的制作方法，來(lái)論述這些問(wèn)題。根據(jù)本發(fā)明，制作SGOI結(jié)構(gòu)的方法以在SOI晶片上淀積硅鍺層而開(kāi)始。接著，本發(fā)明執(zhí)行熱混合工藝，使硅鍺層與下方的硅層相互混合，并部分地弛豫硅鍺層內(nèi)的應(yīng)變。通常在氧化環(huán)境下進(jìn)行此熱混合工藝，且氧化量可以被用來(lái)控制熱混合之后的硅鍺厚度。本發(fā)明然后將硅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(cuò)缺陷密度不被改變。這樣，本發(fā)明就能夠得到具有高弛豫和低堆垛層錯(cuò)缺陷密度的薄SGOI膜。在減薄之后，進(jìn)行表面整平工藝。最后，本發(fā)明在薄的SGOI晶片上淀積硅。
硅鍺層的熱混合工藝包含在氧化環(huán)境下將硅鍺層加熱到大約1200-1300℃。在這種高溫氧化工藝中，鍺原子從氧化物被排擠出來(lái)并聚集在氧化物下方的硅鍺層中。減薄工藝非選擇性地減薄硅鍺層，使硅鍺層中的硅和鍺根據(jù)它們現(xiàn)有的克分子濃度而被清除。更具體地說(shuō)，此減薄工藝可以是低于700℃溫度下進(jìn)行的高壓氧化(HIPOX)工藝、低于700℃溫度下進(jìn)行的蒸汽氧化工藝、氯化氫腐蝕工藝、或化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝。若采用氧化減薄工藝，則利用在減薄工藝之后的整平工藝，硅鍺層被基本上整平，且硅鍺層具有小于15埃，優(yōu)選小于10埃的表面粗糙度。
當(dāng)結(jié)合下列描述和附圖進(jìn)行考慮時(shí)，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它的情況和目的。但應(yīng)該理解的是，下列的描述雖然指出了本發(fā)明的各種優(yōu)選實(shí)施方案及其大量具體的細(xì)節(jié)，但僅僅是說(shuō)明性的而非對(duì)本發(fā)明的限制?？梢栽诒景l(fā)明的范圍內(nèi)作出許多改變和修正而不偏離本發(fā)明的構(gòu)思，本發(fā)明因而包括了所有這些修正。


參照附圖，從下列詳細(xì)描述中，將更好地理解本發(fā)明，在這些附圖中圖1示出了熱混合之后SGOI中的剩余應(yīng)變與硅鍺厚度的關(guān)系；圖2示出了SGOI弛豫百分比對(duì)鍺濃度和硅鍺厚度的依賴(lài)關(guān)系；圖3示出了SGOI中的堆垛層錯(cuò)缺陷密度與硅鍺厚度的關(guān)系；圖4-9是示意剖面圖，示出了用于本發(fā)明的各個(gè)基本加工步驟；圖10是流程圖，示出了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方法。
具體實(shí)施例方式
參照附圖所示非限制性實(shí)施方案以及下列描述中的細(xì)節(jié)，來(lái)更充分地解釋本發(fā)明及其各個(gè)特征和有利細(xì)節(jié)。應(yīng)該指出的是，附圖所示的各個(gè)特征無(wú)須按比例繪制。眾所周知的組成部分和加工技術(shù)被加以省略，以便不無(wú)謂地妨礙對(duì)本發(fā)明的理解。此處所用的例子僅僅是為了便于理解本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明的各種方法。因此，這些例子不應(yīng)該被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
圖1示出了熱混合之后SGOI中的剩余應(yīng)變與硅鍺厚度的關(guān)系。虛線(xiàn)示出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而實(shí)線(xiàn)示出了理論數(shù)據(jù)。圖1表明位錯(cuò)的形成降低了硅鍺膜中的應(yīng)變，且此膜弛豫，直至應(yīng)變能低于形成新位錯(cuò)所需的水平。直至硅鍺厚度為500埃，理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都擬合得很好。低于500埃時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示出更多的剩余應(yīng)變，于是弛豫小于理論所預(yù)期的。圖2示出了理論預(yù)期的SGOI弛豫百分比對(duì)鍺濃度和硅鍺厚度的依賴(lài)關(guān)系。如先前指出的那樣，當(dāng)硅鍺膜的厚度小于500埃時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明比理論預(yù)期更少的弛豫。這些數(shù)據(jù)表明，對(duì)于給定的鍺濃度，當(dāng)硅鍺膜厚度增大時(shí)，弛豫百分比增大。例如，對(duì)于20％的硅鍺，理論預(yù)期200埃的硅鍺膜弛豫30％，而1000埃的硅鍺膜弛豫80％.
圖3示出了本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)的SGOI中的堆垛層錯(cuò)缺陷密度(與結(jié)晶結(jié)構(gòu)原子錯(cuò)序相關(guān)的平面型缺陷)與硅鍺厚度的關(guān)系。當(dāng)硅鍺膜厚度增大150埃時(shí)，堆垛層錯(cuò)缺陷密度被降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，利用本發(fā)明，SGOI的堆垛層錯(cuò)缺陷少于每平方厘米1×104(優(yōu)選少于每平方厘米1×102)。
于是，為了得到具有高弛豫和低堆垛層錯(cuò)缺陷密度的SGOI，希望在熱混合之后具有厚的SGOI。但如先前所述，高性能的器件要求用常規(guī)熱混合難以得到的硅鍺高度弛豫的薄的最終硅/硅鍺膜。本發(fā)明借助于對(duì)厚的熱混合硅鍺層進(jìn)行減薄而克服了有關(guān)SGOI結(jié)構(gòu)的熱混合限制。
更具體地說(shuō)，如圖4所示，本發(fā)明首先在SOI 102和100上淀積硅鍺層104，其中102是硅層，而100是埋置氧化物(BOX)。硅鍺層104可以具有均勻的鍺濃度，或沿膜厚度具有鍺濃度變化，例如包括硅緩沖層或帽層。
接著，如圖5所示，本發(fā)明在1200-1300℃的溫度范圍內(nèi)，于氧化環(huán)境中執(zhí)行硅鍺層和硅層的熱混合，這使硅鍺和硅相互混合，同時(shí)氧化并減薄相互混合的硅鍺層，且同時(shí)部分地弛豫硅鍺層內(nèi)的應(yīng)變。由于此熱混合，部分地弛豫的硅鍺層106就被直接形成在BOX的頂部上，且氧化物層108被形成在硅鍺層的頂部上。在熱混合過(guò)程中，可能發(fā)生某種內(nèi)部氧化；結(jié)果，在熱混合之后，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(lái)，故硅鍺層106中的鍺量基本上相同于圖4中的硅鍺層104。
然后，如圖6所示，本發(fā)明利用氫氟酸腐蝕來(lái)清除氧化物層108。此工藝的一個(gè)腐蝕劑例子是HF∶H2O＝10∶1的溶液。接著，如圖7所示，本發(fā)明將硅鍺層106非選擇性地減薄到所希望的最終厚度；此減薄的硅鍺層在圖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(cuò)缺陷密度不被改變。換言之，此減薄工藝非選擇性地減薄硅鍺層，致使弛豫硅鍺層內(nèi)的硅和鍺被按比例清除。于是，本發(fā)明能夠得到具有高弛豫和低堆垛層錯(cuò)缺陷密度的薄SGOI膜。雖然本公開(kāi)討論了4種非選擇性地減薄硅鍺層的不同工藝，但本技術(shù)領(lǐng)域的一般熟練人員可以理解的是，也可以采用其它的方法。
在第一方法中，550-700℃溫度范圍內(nèi)的HIPOX工藝被用來(lái)非選擇性地氧化硅鍺層106。工藝壓力典型地為1-50大氣壓，優(yōu)選為5-20大氣壓。蒸汽被典型地引入，以便提高氧化速率。在氧化之后，用HF腐蝕來(lái)清除氧化物。在第二方法中，550-700℃溫度范圍內(nèi)的大氣壓或減壓蒸汽氧化工藝被用來(lái)非選擇性地氧化硅鍺層106。在氧化之后，用HF腐蝕來(lái)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(lái)減薄硅鍺層106。在典型的外延預(yù)清洗之后和淀積應(yīng)變硅之前，來(lái)完成此腐蝕。此腐蝕工藝在1-760乇的壓力下，于700-900℃的溫度以及50sccm-10slm的氯化氫流量下被執(zhí)行。在第四方法中，化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)被用來(lái)減薄硅鍺層106。
用第一和第二方法所述的氧化方法減薄的硅鍺層110典型地非常粗糙。AFM測(cè)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(lái)將硅鍺層110的表面粗糙度降低到15埃以下，優(yōu)選為10埃以下。如本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員所知，除了其它的方法之外，還可以采用下列3種整平方法。
在第一方法中，修整CMP被用來(lái)將表面粗糙度降低到10埃以下。修整CMP中清除的硅鍺層典型地小于200埃，優(yōu)選小于100埃。
在第二方法中，應(yīng)變硅淀積之前的原位氫烘焙和硅鍺緩沖層被用來(lái)將硅鍺表面粗糙度降低到15埃以下，優(yōu)選為10埃以下。氫烘焙工藝典型地在700-900℃，優(yōu)選為750-850℃的溫度范圍內(nèi)，在1-300乇，優(yōu)選為5-80乇的壓力下執(zhí)行30-300秒鐘，優(yōu)選為60-120秒鐘。在550-700℃的溫度下，用硅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，硅鍺緩沖層被生長(zhǎng)為20-500埃，優(yōu)選為50-200埃。
在第三方法中，借助于在700-900℃的溫度下用氯化氫、DCS、以及鍺烷的混合物在氫環(huán)境中對(duì)晶片進(jìn)行加熱，而采用原位整平工藝。此工藝借助于執(zhí)行硅鍺腐蝕和淀積工藝來(lái)整平硅鍺表面。
最后，如圖9所示，本發(fā)明在減薄的SGOI晶片上淀積應(yīng)變硅112。硅層的典型厚度為50-300埃。
圖10以流程圖的形式示出了本發(fā)明。更具體地說(shuō)，本發(fā)明首先在SOI晶片上淀積硅鍺層(300)。接著，本發(fā)明執(zhí)行硅鍺層和硅層的熱混合(302)，以便在絕緣體上形成部分地弛豫的硅鍺。如上所述，對(duì)硅鍺層和硅層進(jìn)行熱混合的工藝包含在氧化環(huán)境中將硅鍺層加熱到大約1200-1300℃。然后，本發(fā)明用HF腐蝕來(lái)清除SGOI上的氧化物(304)。然后進(jìn)行非選擇性硅鍺減薄工藝，以便將硅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硅鍺層的厚度如何。在減薄工藝之后，硅鍺表面被整平(308)。以這種方式，本發(fā)明能夠得到具有高弛豫和低堆垛層錯(cuò)缺陷密度的薄的SGOI膜。最后，本發(fā)明在薄的SGOI晶片上淀積硅(310)。
工業(yè)應(yīng)用可能性本發(fā)明可以被用來(lái)制造包括SGOI膜的高性能半導(dǎo)體器件。就利用熱混合方法來(lái)形成厚SGOI以及對(duì)厚SGOI進(jìn)行減薄以便得到具有高弛豫和低堆垛層錯(cuò)缺陷密度的薄SGOI的完整工藝而言，已經(jīng)描述了本發(fā)明。但如本技術(shù)領(lǐng)域一般熟練人員可以理解的那樣，本發(fā)明所述的硅鍺減薄和整平技術(shù)能夠被應(yīng)用于諸如用薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)形成的SGOI晶片之類(lèi)的預(yù)形成SGOI晶片。在這種薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)中，部分地或完全地弛豫的硅鍺層被首先形成在第一晶片上，然后，利用晶片鍵合方法，被轉(zhuǎn)移到載體晶片，且絕緣層被形成在硅鍺層與載體晶片之間。
雖然就優(yōu)選實(shí)施方案而言已經(jīng)描述了本發(fā)明，但本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員可以理解的是，能夠以所附權(quán)利要求的構(gòu)思與范圍內(nèi)的修正來(lái)實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種在具有低堆垛層錯(cuò)缺陷密度的絕緣體上硅鍺(SGOI)結(jié)構(gòu)上形成應(yīng)變硅層的方法，此方法包括下列步驟在絕緣體(100)上提供具有非應(yīng)變硅層(102)的絕緣體上硅(SOI)襯底；在所述硅層上淀積(300)第一硅鍺層(104)；對(duì)所述第一硅鍺層與所述硅層進(jìn)行熱混合(302)，以便將所述第一硅鍺層和所述硅層轉(zhuǎn)變成弛豫的硅鍺層(106)；對(duì)所述弛豫的硅鍺層進(jìn)行減薄(304，306)；以及在所述弛豫的硅鍺層上，淀積(310)應(yīng)變的硅層(112)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，對(duì)所述第一硅鍺層與所述硅層進(jìn)行熱混合的所述工藝，包括在氧化環(huán)境中將所述第一硅鍺層與所述硅層加熱到大約1200-1300℃。
3.權(quán)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硅鍺層(160)，致使所述弛豫的硅鍺層內(nèi)的硅和鍺按比例地被清除。
4.權(quán)利要求1的方法，其中，所述減薄工藝包括550-700℃的溫度范圍，1-50大氣壓，優(yōu)選為5-20大氣壓的壓力范圍下的HIPOX氧化。
5.權(quán)利要求1的方法，其中，所述減薄工藝包括550-700℃的溫度范圍下的蒸汽氧化。
6.權(quán)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(zhí)行的原位氯化氫腐蝕工藝。
7.權(quán)利要求1的方法，其中，所述減薄工藝包括CMP工藝。
8.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述第二厚度小于1000埃。
9.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述SGOI弛豫60％以上。
10.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述SGOI的堆垛層錯(cuò)缺陷少于每平方厘米1×104。
11.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述第二厚度小于500埃。
12.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述SGOI弛豫80％以上。
13.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述SGOI的堆垛層錯(cuò)缺陷少于每平方厘米1×102。
14.權(quán)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(duì)所述弛豫的硅鍺層進(jìn)行整平(308)，以便降低所述硅鍺(110)的表面粗糙度。
15.權(quán)利要求14的方法，其中，所述整平包括下列之一修整CMP；淀積所述應(yīng)變硅層之前的原位氫烘焙和硅鍺緩沖層生長(zhǎng)；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(huán)境中，對(duì)所述弛豫的硅鍺層進(jìn)行加熱。
全文摘要
一種形成絕緣體上硅鍺(SGOI)結(jié)構(gòu)的方法。硅鍺層(104)被淀積(300)在SOI晶片(102，100)上。執(zhí)行硅鍺層和硅層的熱混合(302)，以便形成具有高弛豫和低堆垛層錯(cuò)缺陷密度的厚SGOI(106)。然后將硅鍺層(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(cuò)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(cuò)缺陷密度的薄的SGOI膜。然后，硅層(112)被淀積在此薄的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(yīng)變硅淀積過(guò)程中的硅鍺緩沖層、或利用氯化氫、DCS、以及鍺烷的氣體混合物在氫環(huán)境中對(duì)晶片進(jìn)行加熱，來(lái)整平HIPOX或蒸汽氧化減薄所引起的粗糙硅鍺表面。
文檔編號(hào)H01L21/762GK1906742SQ200480040518
公開(kāi)日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2004年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月16日
發(fā)明者陳華杰, 斯蒂芬·W.·貝戴爾, 德溫得拉·K.·薩達(dá)納, 丹·M.·莫庫(kù)塔 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司