專利名稱：測量薄的si/sige雙層中的晶體缺陷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造，更具體地，涉及確定形成在SiGe合金層上的Si層中的晶體缺陷。此處所描述的方法可用于形成在體Si襯底、或基于絕緣體上硅(SOI)的襯底頂上的Si/SiGe雙層。本發(fā)明的方法可用于測量生長在弛豫SiGe層上的應(yīng)變Si層以及任何其它Si/SiGe膜系統(tǒng)中的缺陷密度。
背景技術(shù)：
用于開發(fā)和評價高質(zhì)量Si/SiGe雙層的重要工具是確定層中缺陷密度的可靠方法。術(shù)語“Si/SiGe雙層”用于整個本申請中描述在SiGe層頂上具有Si層的結(jié)構(gòu)。特別是，精確確定弛豫SiGe層上的薄應(yīng)變Si層中的晶體缺陷密度在應(yīng)變Si材料的開發(fā)以及已有的應(yīng)變Si材料的評價兩個方面都是重要的。當前用于量化晶體缺陷密度的方法包括，例如，電子顯微鏡和化學(xué)腐蝕。
電子顯微鏡可用于可靠測量缺陷密度(和特性)。俯視透射電子顯微鏡(PV-TEM)可用來測量低至大約每平方厘米106至105個缺陷的缺陷密度。然而，由于成像面積小，使用這種技術(shù)無法測量更低的缺陷密度。PV-TEM分析的其它限制因素有費時麻煩的樣品制備，需要昂貴的電子顯微設(shè)備和合格的人員來操作這一工具。
在化學(xué)缺陷腐蝕中，用腐蝕劑連續(xù)除去晶體的表面，這種腐蝕劑在缺陷處或附近具有比無缺陷區(qū)中更快的腐蝕速率。結(jié)果就是可在顯微鏡下檢查表面臺階或腐蝕坑的發(fā)展，以確定缺陷密度。這一現(xiàn)有技術(shù)方法依賴于1)缺陷區(qū)與無缺陷區(qū)之間腐蝕速率的差別，以及2)除去足夠多的材料以產(chǎn)生具有足夠反差的表面臺階以在顯微鏡下進行觀測。上述1)和2)項是相關(guān)的，也就是說，如果腐蝕速率差較大，則可以除去較少的材料以得到相同的表面反差。
用于評價絕緣體上硅(SOI)襯底的一種現(xiàn)有技術(shù)化學(xué)缺陷腐蝕方法使用稀釋Secco(F.Secco d’Aragona，J.Electrochem.Soc.，vol.119 no.7 1972 p.948)缺陷腐蝕劑——Secco腐蝕劑是重鉻酸鉀、氫氟酸(HF)和蒸餾水的混合物。該缺陷腐蝕劑用于將SOI層(從500?；蚋?減薄至幾百埃，并生成達到掩埋氧化物層的表面坑。隨后在氫氟酸中的浸泡留下完整的SOI層，但是穿過腐蝕坑并腐蝕該區(qū)域中的掩埋氧化物。結(jié)果就是這樣的方法通過下切足夠的掩埋氧化物以使得能用顯微鏡觀察而“點綴(decorate)”腐蝕坑。
SiGe基材料的化學(xué)缺陷腐蝕的問題在于對于大多數(shù)已有的腐蝕劑——例如Secco、Shimmel(D.G.Shimmel，J.Electrochem.Soc.，vol.126 no.3 1979 p.479)等——來說缺陷腐蝕選擇性太差(缺陷腐蝕速率-材料腐蝕速率)。大多數(shù)基于氧化作用的腐蝕劑腐蝕SiGe比腐蝕Si快得多，并且腐蝕速率隨著Ge含量的增大而增大。由于SiGe中這一降低的缺陷選擇性，現(xiàn)有技術(shù)的缺陷腐蝕技術(shù)是不可靠的，對于超薄SiGe層(大約100nm量級或更薄)的情形來說尤其如此。
考慮到使用電子顯微鏡的現(xiàn)有技術(shù)所具有的問題或缺少可靠的化學(xué)腐蝕技術(shù)來確定Si/SiGe雙層中的缺陷密度，需要給出一種新的改善的方法來刻畫Si/SiGe雙層中的晶體缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于刻畫在SiGe合金層上形成的Si層中的晶體缺陷。所發(fā)明的方法首先使用對Si具有高的缺陷選擇性的缺陷腐蝕劑。Si被腐蝕至能形成缺陷坑——這些缺陷坑與下層SiGe層接觸——的厚度。然后使用第二腐蝕劑，它可以與缺陷腐蝕劑相同或不同，第二腐蝕劑腐蝕缺陷坑下的SiGe層而保持上層Si層完整。在某些實施方案中，第一缺陷腐蝕劑本身也可同時用作SiGe點綴(decoration)。本發(fā)明的方法可用于定量且精確地測量任意量級的晶體缺陷密度。
本發(fā)明的方法可用于測量生長在弛豫SiGe層上的應(yīng)變Si層中的以及任何其它Si/SiGe膜系統(tǒng)中的晶體缺陷。Si/SiGe雙層可位于Si襯底(或晶片)、或絕緣體上Si(SOI)基襯底的頂上。該方法可用于測量Si/SiGe雙層中的晶體缺陷，其中Si層為應(yīng)變層，厚度在大約100nm的量級或更低，SiGe層為弛豫層，厚度從大約10000nm的量級或更低。除了上面提到的范圍之外，本發(fā)明的方法還對其它厚度范圍起作用。
從更廣的范圍來說，本發(fā)明給出用于刻畫，即確定，位于SiGe層頂上的Si層中的晶體缺陷的方法，該方法包含下列步驟用對Si具有缺陷選擇性的缺陷腐蝕劑來第一腐蝕在SiGe合金層上具有Si層的結(jié)構(gòu)，以在Si層中形成至少一個與SiGe合金層接觸的坑缺陷；以及用與第一腐蝕相同或不同的腐蝕劑來第二腐蝕含有該至少一個坑缺陷的結(jié)構(gòu)，從而第二腐蝕下切該至少一個坑缺陷下方的SiGe層。
根據(jù)本發(fā)明，第一腐蝕步驟使用的腐蝕劑非?？斓馗gSi中的缺陷，例如位錯和堆垛層錯，而腐蝕無缺陷Si則要慢得多。
在第二腐蝕步驟中使用相同腐蝕劑的實施方案中，SiGe層被迅速腐蝕并發(fā)生下切。本發(fā)明的這一實施方案可稱作“自點綴”，因為用于在Si層中形成坑缺陷的腐蝕劑也用來下切SiGe層。
在本發(fā)明另一實施方案中，利用與在Si層中形成坑缺陷的缺陷腐蝕劑不同的腐蝕劑來進行第二腐蝕步驟。在本發(fā)明這一實施方案中，使用了腐蝕SiGe比腐蝕Si更快的腐蝕劑。也就是，在本發(fā)明這一實施方案中，使用了對Si有高度選擇性的腐蝕劑。
在進行了第一和第二腐蝕步驟之后，將已腐蝕的結(jié)構(gòu)放在光學(xué)顯微鏡下掃描以識別缺陷坑被下切了的區(qū)域(或多個區(qū)域)。然后確定給定區(qū)域中被下切了的腐蝕坑的數(shù)目，這些下切缺陷的數(shù)目除以所分析的區(qū)域的面積(單位cm2)作為缺陷密度。


圖1為一圖示，示出可用于本發(fā)明中的初始結(jié)構(gòu)。
圖2為一圖示，示出本發(fā)明用于確定圖1所示的初始結(jié)構(gòu)中的晶體缺陷密度的第一步驟。
圖3為一圖示，示出本發(fā)明用于確定圖2所示的結(jié)構(gòu)中的晶體缺陷密度的第二步驟。
圖4為150埃Si/350埃SiGe/1400埃SiO2/Si襯底結(jié)構(gòu)在使用本發(fā)明的方法進行缺陷腐蝕之后的光學(xué)顯微照片(Nomarski反差)。圖片寬度為86μm。
具體實施例方式
將參考本申請的附圖更詳細地描述本發(fā)明，它給出用于刻畫Si/SiGe雙層中的晶體缺陷的方法。在附圖中，相同和相當?shù)脑赜孟嗤膮⒖继杹肀硎尽?br> 首先參看本發(fā)明圖1所示的初始結(jié)構(gòu)。初始結(jié)構(gòu)10至少包括位于SiGe層14頂上的Si層16。初始結(jié)構(gòu)10還包括位于SiGe層14下方的襯底12。襯底12可包括體Si襯底或任何其它半導(dǎo)體襯底以及絕緣體上硅(SOI)襯底的掩埋絕緣區(qū)和底部半導(dǎo)體層；SOI襯底的頂部SOI層已用于SiGe層的形成中。
圖1所示的初始結(jié)構(gòu)10利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的方法來形成。例如，初始結(jié)構(gòu)10可通過下述方法來形成首先在襯底12頂上生長SiGe層14，然后在SiGe層14頂上生長Si層16。在這樣的實施方案中，SiGe層14可利用外延生長方法來生長，這些方法包括，例如，低壓化學(xué)氣相沉積(LCVD)、超高真空化學(xué)氣相沉積(UHVCVD)、常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)、分子束外延(MBE)或等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)。
SiGe層14的厚度可根據(jù)形成它的外延生長方法而變化。然而，通常，SiGe層14具有從大約10至大約10000nm的厚度，更優(yōu)選大約10至大約5000nm的厚度。SiGe層14可以是非弛豫層，或者，如果SiGe層14較厚(在大約1至大約10微米量級)的話，SiGe層可以是弛豫層。
SiGe合金層14包括含有高達99.99原子百分比的Ge的SiGe材料。優(yōu)選地，本發(fā)明的SiGe合金層具有從大約5至大約99.9原子百分比的Ge含量，更優(yōu)選從大約10至大約50原子百分比的Ge含量。
Si層16利用傳統(tǒng)外延生長方法形成在SiGe層14頂上，其中使用含Si氣體——例如硅烷或二氯甲硅烷——作為生長Si的源。epi-Si層——即層16——的厚度可以變化，但是通常，Si層16具有從大約1至大約100nm的厚度，更優(yōu)選大約1至大約50nm的厚度。在SiGe合金層是弛豫的情形中，Si層16為張應(yīng)變層。
圖1所示的結(jié)構(gòu)還可使用下述文獻中公開的方法來形成，例如，2002年1月23日提交的題為“制作高質(zhì)量弛豫絕緣體上SiGe用于應(yīng)變Si CMOS應(yīng)用的方法(Method of Creating High-Quality RelaxedSiGe-on-Insulator for Strained Si CMOS Applications)”的共同未決和共同轉(zhuǎn)讓U.S.專利申請系列No.10/055,138；2002年7月16日提交的題為“使用氫注入以改善熱擴散制作的絕緣體上硅鍺材料的材料特性(Use of Hydrogen Implantation to Improve Material Propertiesof Silicon-Germanium-On-Insulator Material Made by ThermalDiffusion)”的共同未決和共同轉(zhuǎn)讓U.S.專利申請系列No.10/196,611；以及2003年5月30日提出的題為“在合金熔點溫度附近氧化得到的高質(zhì)量SGOI(High-Quality SGOI By Oxidation Near TheAlloy Melting Temperature)”的共同未決和共同轉(zhuǎn)讓U.S.專利申請系列No.10/448,948。前述U.S.專利申請中每一篇的所有內(nèi)容都在此引入作為參考。注意，在這些申請中，在SOI襯底的掩埋絕緣層上形成弛豫SiGe層中使用了熱混合步驟。
除了上述特定方法之外，圖1所示的初始結(jié)構(gòu)可利用任何其它能夠形成Si/SiGe雙層結(jié)構(gòu)的方法來形成。如上所述，Si層可以是應(yīng)變的或非應(yīng)變的，SiGe層可以是弛豫的或非弛豫的。應(yīng)變Si/弛豫SiGe雙層是能夠獲得高的溝道電子遷移率的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
然后將包括Si/SiGe雙層的結(jié)構(gòu)進行第一腐蝕步驟。用于本發(fā)明中的第一腐蝕步驟包括使用對Si具有非常高的缺陷選擇性的缺陷腐蝕劑。用于本發(fā)明中的缺陷腐蝕劑通常包括氧化劑和氧化物腐蝕劑，例如HF酸?？捎糜诒景l(fā)明中的缺陷腐蝕劑的說明性實施例包括，但不局限于2份HF和1份重鉻酸鉀溶液(0.15M)(Secco)的混合物，可選地用水稀釋以控制腐蝕速率；或者2份HF和1份三氧化鉻(1M)的混合物，可選地用水稀釋(Shimmel)；或者任何其它腐蝕有缺陷的晶體Si區(qū)域比腐蝕無缺陷的Si更快的化學(xué)混合物。
在上述各種缺陷腐蝕劑中，高度優(yōu)選以等體積水稀釋的2∶1 HF∶重鉻酸鉀(0.15M)溶液。通常，使用六份去離子水。用于本發(fā)明這一步驟中的缺陷腐蝕劑腐蝕位錯和堆垛層錯缺陷的速率比腐蝕無缺陷Si要快得多。
根據(jù)本發(fā)明，第一腐蝕步驟在室溫或稍高于室溫的溫度(30℃或更低)下進行，進行的時間段從大約10至大約1000秒。該時間段是Si厚度以及缺陷腐蝕劑腐蝕速率的函數(shù)，因此它可以稍微偏離上面給出的范圍。
在進行本發(fā)明第一腐蝕步驟之后形成的所得結(jié)構(gòu)示于，例如，圖2中。注意，在圖2中，使用稀釋2∶1 HF-重鉻酸鉀溶液以線性“楔形”輪廓腐蝕樣品。
如圖2所示，本發(fā)明的第一腐蝕步驟在Si層16中形成許多缺陷坑18。取決于Si層16的厚度，缺陷坑18中的某一些向下延伸到SiGe層14。這樣，坑缺陷18中的某一些就與下層SiGe層14接觸了。
現(xiàn)在進行第二腐蝕步驟，它對與SiGe層14接觸的缺陷坑18之下的SiGe層14進行下切。進行第二腐蝕步驟之后的所得結(jié)構(gòu)示于，例如，圖3中。在這一附圖中，參考號22表示下切區(qū)域。
第二腐蝕步驟可包括“自點綴(self-decorating)”步驟，其中使用了與第一腐蝕步驟中所用的相同的腐蝕劑。當坑缺陷處的缺陷腐蝕劑到達下層SiGe時，SiGe被快速腐蝕，發(fā)生下切。本發(fā)明的這一實施方案在Si層較厚(厚于150埃)時尤其有用。
對于更薄的Si層(大約150埃量級或更薄)，使用替代方法來給出與SiGe層接觸的坑缺陷之下的SiGe層中的下切。在本發(fā)明這一第二實施方案中，使用與上面所用的缺陷腐蝕劑不同的化學(xué)腐蝕劑來進行下切。特別是，用于本發(fā)明第二實施方案中的腐蝕劑為任何腐蝕SiGe比腐蝕Si更快的腐蝕劑。
可用于本發(fā)明第二實施方案中的腐蝕劑的說明性實施例包括，但不局限于HF/H2O2/醋酸(HHA)混合物(比例1∶2∶3)，或者100∶1的硝酸∶HF混合物。在上述各種腐蝕劑中，高度優(yōu)選使用HHA混合物，因為這一腐蝕劑中SiGe的腐蝕速率比Si的腐蝕速率大好幾個數(shù)量級，同時硅的絕對腐蝕速率非常低(＜1埃/min)。這使得HHA混合物能用作點綴腐蝕；它保持Si完整，同時腐蝕下切暴露的SiGe。
根據(jù)本發(fā)明，第二腐蝕步驟在室溫或稍高于室溫的溫度(30℃或更低)下進行，進行的時間段從大約1至大約1000秒。該時間段是本發(fā)明這一步驟中所用的腐蝕劑的腐蝕速率的函數(shù)。
在某些情形中，在第一和第二腐蝕步驟之間，可進行水洗步驟和可選的干燥步驟。當使用水洗步驟時，水洗溶液通常為蒸餾水或去離子水。本發(fā)明中可以使用的其它類型的水洗溶液包括，但不局限于烷烴，例如己烷或庚烷；酮；或乙醇。干燥可在空氣、惰性氣氛、烘箱或真空中進行。
在上述兩種實施方案中，實際上都難以精確地在最佳Si厚度處停止腐蝕過程。此處所能使用的保證具有最佳已腐蝕Si厚度的區(qū)域的腐蝕方法之一是進行“分級腐蝕”。特別是，首先將要腐蝕的結(jié)構(gòu)以一定速率沒入包括缺陷腐蝕劑的腐蝕劑浴中，這一速率導(dǎo)致樣品底部的Si被完全腐蝕(至SiGe)，而頂部的Si厚度保持不變。
圖2和3所示的結(jié)構(gòu)已使用分級方法進行了腐蝕。照此，結(jié)構(gòu)中首先浸沒的部分可稱作結(jié)構(gòu)的“底部”，最后浸沒的部分可稱作結(jié)構(gòu)的“頂部”。術(shù)語“頂部”和“底部”是相對于結(jié)構(gòu)的哪一端先沒入腐蝕劑浴中而言的。通過使用這一分級腐蝕方法，從結(jié)構(gòu)的頂部至底部，頂部Si厚度將大致線性地下降。樣品在腐蝕溶液中的浸沒可手動(用手)進行或使用自動設(shè)備以改善分級輪廓的控制。
然后將圖3所示的已腐蝕結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡(或者原子力顯微鏡)下掃描以識別腐蝕坑被下切了的區(qū)域(或多個區(qū)域)。然后確定給定區(qū)域中被下切了的腐蝕坑的數(shù)目，這些下切缺陷的數(shù)目除以所分析的區(qū)域的面積(單位cm2)作為缺陷密度。
圖4為150埃Si/350埃SiGe/1400埃SiO2/Si襯底結(jié)構(gòu)在使用本發(fā)明的方法進行缺陷腐蝕之后的實際光學(xué)顯微照片(Nomarski反差)。圖片寬度為86μm。圖片清楚地示出了腐蝕坑以及面缺陷——例如堆垛層錯——的輪廓。圖片是在分級腐蝕輪廓中靠近Si/SiGe界面的區(qū)域處取得的。
雖然關(guān)于其優(yōu)選實施方案特別示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能理解，只要不超出本發(fā)明的范圍和精神，就可以對形式和細節(jié)做出前述和其它改變。因此，本發(fā)明并不嚴格局限于所描述和示出的形式和細節(jié)，而是處于所附權(quán)利要求的范圍中。
權(quán)利要求
1.用于描繪Si/SiGe雙層結(jié)構(gòu)中的晶體缺陷的方法，包含下列步驟用對Si具有缺陷選擇性的缺陷腐蝕劑來第一腐蝕在SiGe合金層上具有Si層的結(jié)構(gòu)，以在Si層中形成至少一個與SiGe合金層接觸的坑缺陷；以及用與第一腐蝕相同或不同的腐蝕劑來第二腐蝕含有該至少一個坑缺陷的結(jié)構(gòu)，從而第二腐蝕下切該至少一個坑缺陷下方的SiGe層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中Si層由外延形成，SiGe合金層由外延形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中Si層為應(yīng)變層而SiGe合金層為弛豫層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中應(yīng)變層具有大約100nm或更薄的厚度而弛豫層具有從大約10000nm開始或更薄的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在絕緣體上硅襯底的掩埋絕緣體層頂上形成所述SiGe合金層時利用熱混合步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中SiGe合金層包含高達99.99原子百分比的Ge。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中SiGe合金層形成在襯底頂上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中該襯底為體O或絕緣體上硅基襯底。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中缺陷腐蝕劑包含HF和重鉻酸鉀的混合物，HF、重鉻酸鉀和蒸餾水的混合物，HF和三氧化鉻的混合物，或者HF、三氧化鉻和蒸餾水的混合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中缺陷腐蝕劑包含2份HF和1份0.15M的重鉻酸鉀溶液以及6份去離子水。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中缺陷腐蝕劑腐蝕位錯和堆垛層錯缺陷的速率比腐蝕無缺陷Si的速率快得多。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一腐蝕使用分級腐蝕工藝來進行。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第二腐蝕使用與第一腐蝕相同的腐蝕劑。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中缺陷腐蝕劑和第二腐蝕中的腐蝕劑都包含2份HF和1份重鉻酸鉀溶液以及6份去離子水。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第二腐蝕使用不同于缺陷腐蝕劑的腐蝕劑來進行，所述不同的腐蝕劑腐蝕SiGe的速率比腐蝕Si的速率更快。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中該不同的腐蝕劑包含HF/H2O2/醋酸或含氮物/HF。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中該不同的腐蝕劑包含1份HF/2份H2O2/和3份醋酸。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，在所述第一和第二腐蝕步驟之間進一步包含水洗步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括在顯微鏡下掃描第一和第二腐蝕結(jié)構(gòu)以識別坑區(qū)域已被下切的區(qū)域，并根據(jù)被區(qū)域劃分的總計下切坑缺陷來計算缺陷密度。
20.測量Si/SiGe雙層結(jié)構(gòu)中晶體缺陷的方法，包含用對Si具有缺陷選擇性的缺陷腐蝕劑來第一腐蝕在SiGe合金層上具有Si層的結(jié)構(gòu)，以在Si層中形成至少一個與SiGe合金層接觸的坑缺陷；用與第一腐蝕相同或不同的腐蝕劑來第二腐蝕含有該至少一個坑缺陷的結(jié)構(gòu)，從而第二腐蝕下切該至少一個坑缺陷下方的SiGe層；以及在顯微鏡下掃描已腐蝕結(jié)構(gòu)以識別該至少一個坑缺陷被下切的區(qū)域，并以缺陷密度的形式計算缺陷的數(shù)目。
全文摘要
此處公開用于刻畫SiGe合金層上的薄Si層中的晶體缺陷的方法。該方法使用對Si具有高度缺陷選擇性的缺陷腐蝕劑。將Si腐蝕至缺陷坑能達到下層SiGe層的厚度。然后使用與缺陷腐蝕劑相同或不同的第二腐蝕劑，腐蝕坑下的SiGe層而保持Si完整。
文檔編號G01N21/95GK1601274SQ200410068370
公開日2005年3月30日 申請日期2004年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月3日
發(fā)明者斯蒂芬·W·拜德爾, 基思·E·佛格爾, 德溫得拉·K·薩達納 申請人:國際商業(yè)機器公司