專利名稱：制造半導體基質(zhì)的方法
相關(guān)申請本申請涉及于2000年4月3日提交的、序列號為09/541,255的“在Si上形成厚松弛的SiGe層的方法”，和于2001年2月13日提交的、序列號為09/783,817的“降低Si1-xGexCMOS漏瀉電流的方法”。
在厚Si1-xGex層中，通過形成錯配位錯，應(yīng)變(應(yīng)力)被塑性地松弛，R.Hull等，Nucleation of misfit dislocations in strained-layer epitaxy in theGexSi1-x/Si system，J.Vac Sci.Technol.，A7，2580，1989；Houghton，Strainrelaxation kinetics in Si1-xGex/Si heterostructures，J.Appl.Phys.，70，2136，1991；Wickenhauser等.，Determination of the activation energy for theheterogeneous nucleation of misfit dislocations in Si1-xGex/Si deposited byselective epitaxy，Appl.Phys.Lett.，70.324，1997；Matthews等.，Defects inepitaxial multilayers，J.Cryst.Growth，27，118，1974；和Tang等.，Investigation of dislocations in Si1-xGex/Si heterostructures grown byLPCVD，J.Cryst.Growth，125，301，1992。在這一過程中，常常產(chǎn)生螺紋位錯。螺紋位錯的存在使裝置的性能下降并且明顯降低了裝置的產(chǎn)率。
制作高質(zhì)量應(yīng)力-松弛Si1-xGex緩沖層的技術(shù)現(xiàn)狀是增長幾個μm厚度(等級)的層，其中的組合物沿著厚度方向變化。Rim等.，2000；Nayak等.；Scgffler等.，High-electron-mobility Si/SiGe heterostructuresinfluence ofthe relaxed SiGe buffer layer，Semiconductor.Sci.Technol.，7.260，1992；和Fitzgerald等.，Totally relaxed GexSi1-xlayers with low threading dislocationdensities grown on Si substrates，Appl.Phys.Lett.，59，811，1991。但是，螺紋位錯的密度依然很高，例如典型地＞106cm-2。此外，將幾個μm厚度的Si1-xGex層結(jié)合到商用裝置的制造中是不實際的。同樣對增長在注氧隔離(SIMOX)片上的SiGe進行了研究，在這種情況下，Si/SiGe雙層表現(xiàn)為游離漂浮的薄片，其被基質(zhì)限制以保持平坦。但是必須精確地控制硅與SiGe層之間的厚度比率以將成核作用和位錯滑移從SiGe層移動到硅層。同樣，該技術(shù)需要被擴展到包含更高的Ge含量從而對大多數(shù)的技術(shù)應(yīng)用有效，LeGouse等.，Relaxation of SiGe thin films grown on Si/SiO2substrates，J.Appl.Phys.75(11)1994.Powell等.，New approach to the growth of lowdislocation relaxed SiGe material，Appl.Phys.Lett.，vol.64，1856(1994)。
在硅和Ge及其合金中，由注氦和退火形成的空穴被發(fā)現(xiàn)與位錯之間具有強烈的短期、有吸引力的相互作用。在SiGe/Si界面引入空穴大大地提高了應(yīng)力松弛率并且改變了位錯微結(jié)構(gòu)。但是，沒有觀察到螺紋位錯的密度降低，F(xiàn)ollstaedt等.，Cavity-dislocation interactions in Si-Ge andimplications for heterostructure relaxation，Appl.Phys.Lett.，69，2059，1996。為了得到80％的松弛，需要在大約1000℃退火1個小時。
已有報道注氫引起硅脫落并且引起宏觀硅層的剪切，Weldon等，Onthe mechanism of the hydrogen-induced exfoliation of silicon，J.Vac.Sci.Technol.B.15，1065，1997。這被應(yīng)用于高質(zhì)量硅-絕緣體(SOI)片的制造，并且被稱作SmartCutTM方法。近來德國合作者S.Mantl等和H.Trinkaus等的出版物報道了使用注氫來增加SiGe松弛度和降低螺紋位錯密度的優(yōu)點，S.Mantl等.，Strain relaxation ofepitaxial SiGe layers on Si(100)improved by hydrogen implantation，Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research B147，29，(1999)，和H.Trinkaus等，Strain relaxationmechanism for hydrogen-implantedSi1-xGex/Si(100)heterostructures，Appl.Phys.Lett.，76，3552，2000。但是，這些研究者報道了厚度僅為2000-2500、以分子量計的Ge濃度小于22％的SiGe層的松弛。這種厚度的SiGe層不足以用于商業(yè)裝置應(yīng)用。制作較厚的膜的方法公開在相關(guān)申請序列No.09/541,255，而通過適當絕緣來減少漏瀉電流的方法被公開在相關(guān)申請序列No.09/783,817中。相關(guān)申請序列No.09/541,255中描述了帶有大約21％Ge的SiGe薄膜的制作。為了增加帽硅通路中的應(yīng)力并且因而進一步提高電子和空穴遷移率，需要較高的Ge含量。
德國的合作者已經(jīng)報道注氦對于制造高度松弛的、具有高達30％的Ge的SiGe層有效，M.Luysberg等.，Relaxation of Si1-xGexbuffer layerson Si(100)through Helium implantation，Abstracts of the 2001 MRS SpringMeeting，Abstract P5.4，April 18，2001。在該論文的口述中，特別報道了通過以1·1016cm-2-3·1016cm-2的劑量注入18keV氦離子并且RTA為750℃-1000℃，在100nm厚度、30％Ge含量的SiGe層中得到了80％的應(yīng)力松弛。演講者特別陳述了當Ge的含量超過22％的時候，氫灌輸不起作用。為了產(chǎn)生光滑的，100nm-500nm厚度、Ge含量超過22％的應(yīng)力松弛層，據(jù)報道注入氦是必需的，注入氫不起作用。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種制作半導體基質(zhì)的方法，其包括形成具有相對高Ge含量的SiGe層的方法，該方法包括制備硅基質(zhì)；沉積SiGe層至厚度約100nm-500nm，其中SiGe層的Ge含量以摩爾分數(shù)計算等于或者大于22％；以大約1·1016cm-2-5·1016cm-2的劑量，和大約20keV-45keV的能量，將H+離子注入到SiGe層；在惰性氣氛下，在650℃-950℃熱退火該硅基質(zhì)和SiGe層30秒鐘到30分鐘，以松弛SiGe層；在松弛的SiGe層上沉積一層大約5nm-30nm厚度的張力-應(yīng)變的硅層。
在本發(fā)明的一個實施方案中，所述的沉積SiGe層包括在溫度大約400℃-600℃沉積SiGe層。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，該方法還包括在所述的注入前，在SiGe層上沉積一層厚度為大約50-300的氧化硅。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，該方法還包括在所述的熱退火之后，在松弛的SiGe層上沉積一層厚度為大約100nm的松弛的SiGe層。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，所述的熱退火在氬氛圍下進行。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制作半導體基質(zhì)的方法，其包括形成具有相對高Ge含量的SiGe層的方法，該方法包括制備硅基質(zhì)，其中的硅基質(zhì)來自由塊硅和SIMOX組成的基質(zhì)組；沉積SiGe層至厚度約100nm-500nm，其中SiGe層的Ge含量以摩爾分數(shù)計算等于或者大于25％，而且所述的沉積在大約400℃-600℃的溫度范圍內(nèi)進行；以大約1·1016cm-2-5·1016cm-2的劑量，和大約20keV-45keV的能量，將H+離子注入到SiGe層；在氬氣氣氛下，在約650℃-950℃熱退火該硅基質(zhì)和SiGe層約30秒鐘到30分鐘，以松弛SiGe層；在松弛的SiGe層上沉積一層大約5nm-30nm厚度的張力-應(yīng)變的硅層。
在本發(fā)明的一個實施方案中，該方法還包括在所述的注入前，在SiGe層上沉積一層厚度為大約50-300的氧化硅。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，該方法還包括在所述的熱退火之后，如果松弛的SiGe層的厚度小于300nm，那么在松弛的SiGe層上沉積一層厚度為大約100nm的松弛的SiGe層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制作半導體基質(zhì)的方法，其包括形成具有相對高Ge含量的SiGe層的方法，該方法包括制備硅基質(zhì)；沉積SiGe層至厚度約100nm-500nm，其中SiGe層的Ge含量以摩爾分數(shù)計算等于或者大于22％，而且所述的沉積在大約400℃-600℃的溫度范圍內(nèi)進行；以大約1·1016cm-2-5·1016cm-2的劑量和大約20keV-45keV的能量，把H+離子注入到SiGe層；在惰性氛圍下，在約650℃-950℃熱退火該硅基質(zhì)和SiGe層30秒鐘到30分鐘，以將SiGe層松馳到至少70％松弛；并且在松弛的SiGe層上沉積一層大約5nm-30nm厚度的張力-應(yīng)變的硅層。
在本發(fā)明的一個實施方案中，該方法還包括在所述的注入前，在SiGe層上沉積一層厚度為大約50-300的氧化硅。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，所述的熱退火在氬氣氣氛下進行。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，該方法還包括在所述的熱退火之后，在松弛的SiGe層上沉積一層厚度為大約100nm的松弛的SiGe層。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，只有在松弛的SiGe層的厚度小于300nm的時候，才在松弛的SiGe層上沉積一層厚度為大約100nm的松弛的SiGe層。
本發(fā)明的目的是采用注入氫來生產(chǎn)一種厚的例如100nm-500nm的應(yīng)力-松弛的、光滑的、具有高Ge含量(＞22％(摩爾分數(shù)))的SiGe層(膜)，該層作為張力應(yīng)變的硅膜緩沖層用于高速MOSFET應(yīng)用。
為了能夠使得快速理解本發(fā)明的性質(zhì)，在此提供了本發(fā)明的概述和發(fā)明目的。通過參考下面對本發(fā)明優(yōu)選實施方案的詳細描述和附圖，可以對本發(fā)明有更徹底的理解。
圖6描述了在注入氫和熱松弛以后，厚度為200nm-220nm的、具有Ge濃度為大約28-30％的SiGe膜的Nomarski顯微圖象。
圖7描述了圖6的SiGe膜的X射線衍射。
圖8描述了在注入氫和退火以后，厚度為300nm的、帶有分級Ge分布的SiGe膜的400X的Nomarski顯微圖象。
圖9描述了在注入氫和退火以后，厚度為300nm的、帶有分級Ge分布的SiGe膜的1000X的Nomarski顯微圖象。


圖10描述了圖8和圖9的SiGe層的X射線衍射。
圖11描述了厚度為300nm、用分級分布制作的SiGe層的Nomarski顯微圖象。
圖12描述了圖11的300nm厚度的SiGe層的1000X的X射線衍射。
對本發(fā)明方法的描述從圖1開始。制備硅基質(zhì)10，它可以是塊硅或者注氧隔離(SIMOX)。在硅基質(zhì)10上沉積一層具有約100nm-500nm厚度的應(yīng)變的SiGe層12。應(yīng)變SiGe層12的Ge含量以原子比(摩爾分數(shù))計算可以是22％或者更高。本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方案產(chǎn)生了Ge濃度為大約30％的SiGe層12?；蛘?，可以使用分級的Ge分布，即可以使用SiGe層12，其中Ge濃度沿著厚度方向變化以使SiGe層12中更高的等級具有更高的Ge濃度。應(yīng)該對生長條件和源氣體進行選擇以將表面粗糙度最小化而同時保證良好的結(jié)晶度。這通常意味著低溫度如400℃-600℃的生長以產(chǎn)生亞穩(wěn)定的，應(yīng)變的SiGe膜。
再看圖2，H+離子被注入。H+的劑量范圍為大約1·1016cm-2-5·1016cm-2。能量水平依賴于SiGe的厚度，但是典型范圍為大約20keV-45keV。為了避免在注入步驟中的污染，可以在SiGe層12上沉積一個薄的犧牲氧化硅層，厚度范圍為大約50-300(5nm-30nm)。
圖3描述了熱退火步驟，其將應(yīng)變的SiGe層12轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝粦?yīng)變-松弛(應(yīng)力-松弛)SiGe層14。退火在惰性環(huán)境氛圍例如Ar下、在溫度約650℃-950℃的范圍內(nèi)進行30秒鐘-30分鐘。
如果需要，任選地，在松弛的SiGe層14上沉積一個厚度為大約100nm或者更高的應(yīng)變-松弛SiGe的第二SiGe層16。確定該任選層是否為必要的標準，是松弛的SiGe層14的厚度。如果SiGe層14的厚度小于300nm，則需要附加的應(yīng)變-松弛SiGe層16以將最終整個SiGe松弛層的厚度增加到至少300nm。
本發(fā)明方法的最后步驟被描述在圖5中，其中的厚度為大約5nm-30nm的張力-應(yīng)變的硅層18被沉積在松弛的SiGe層14上或者第二SiGe層16上。
圖6，7和8-10描述了在注入氫和熱松弛之后，厚度為200nm-220nm、以摩爾分數(shù)計算Ge含量為25％-30％的SiGe膜。圖6描述了在注入氫和熱松弛以后，厚度為200nm-220nm的、Ge濃度為大約28-30％的SiGe層的Nomarski顯微圖象。圖7描述了圖6的SiGe層的X射線衍射。圖8描述了在注入氫和退火以后，厚度為300nm的、帶有分級Ge分布的SiGe膜的400X的Nomarski顯微圖象，其中的組成沿著厚度方向變化。圖9描述了在注入氫和退火以后，厚度為300nm的、帶有分級Ge分布的SiGe膜的1000X的Nomarski顯微圖象。圖10描述了圖8和圖9的SiGe層的X射線衍射。
Nomarski顯微圖象，圖6，8和9，描述了一個非常平的表面形態(tài)。圖7和10描述了X射線衍射的倒晶格空間圖，其證實了晶格是高度應(yīng)變-松弛的，至少70％-85％。在圖7中，硅(224)峰和SiGe(224)峰之間的偏移表明了這種松弛狀態(tài)，如虛線所示。
圖11描述了在注入氫和退火之后，厚度為大約300nm、伴隨分級Ge分布的SiGe膜的Nomarski顯微圖象。圖12描述了圖11的SiGe層的X射線衍射。從硅基質(zhì)中的21％到表面的30％，Ge含量近似線性地變化。分級Ge分布的使用，促進了SiGe層厚度的增加而且還提供了帶有光滑表面的高度應(yīng)變-松弛的SiGe層。該SiGe層的厚度很厚，通常足以不需要第二SiGe沉積，因此提高了整體SiGe層的質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明方法所構(gòu)建的所有的應(yīng)變-松弛SiGe層，都可以被用作張力-應(yīng)變的硅膜生長的基質(zhì)。這些可以隨后被用于制作具有增強的空穴和電子遷移率的nMOS和pMOS晶體管。圖6和7的SiGe薄膜具有的Ge濃度為28.6％。它的厚度大約為200nm，而且是用能量為大約25keV和離子劑量為大約3·1016cm-2的H+離子注入制造的。在氬氣氣氛下，在RTA室中，將晶片在大約800℃退火10分鐘。Nomarski顯微圖象是在1000X，其描述出了一個相當光滑的表面。圖7的X射線衍射倒晶格空間圖顯示了一個大的中央峰，這是硅(-2-24)基質(zhì)峰。下面的和右邊的較小的峰來自部分松弛的SiGe層。從這兩個峰的相對位置來看，SiGe層有28.2％±0.5％的Ge，而且是75.8％±3％應(yīng)力松弛的。
圖8，9，10描述了高度應(yīng)力松弛例如大約85％的、具有大約30％Ge濃度的、光滑的第一SiGe層。該實例在SiGe層中具有的Ge濃度是大約30％，此SiGe層的厚度為大約220nm。大約20nm厚度的SiO2帽由PECVD形成。在大約26keV的能量進行H+離子注入，離子的劑量為大約3·1016cm-2。在氬氣氣氛下，在RTA室中，將晶片在大約800℃退火9分鐘。圖9描述了在400X，在晶片中心拍攝的Nomarski顯微圖象。圖9是在1000X，也是在晶片的中心拍攝的相同晶片的Nomarski顯微圖象。圖10描述了該晶片的X射線衍射，其證實了SiGe膜具有濃度為29.7％±0.5％的Ge，而且是85.2％±3％應(yīng)力松弛的。
圖11和12描述了一個高度松弛的、帶有光滑表面的分級Ge樣品。圖11是一個高度松弛例如大約82％的、光滑的第一SiGe層的Nomarski顯微圖象，它是在1000X、在晶片中心拍攝的。圖12描述了圖11的晶片的X射線衍射。該SiGe層的厚度為大約301nm，其具有大約21％-30％生長狀態(tài)的Ge分級分布。在大約32keV的能量水平進行H+離子注入，離子的劑量為大約2·1016cm-2。在氬氣氣氛下，在RTA室中，將晶片在大約800℃退火約9分鐘。該SiGe層有27.8％±0.5％的Ge，而且是82.2％±3％應(yīng)力松弛的。備選實施方案本發(fā)明的方法可以通過以下方式被修改用表面Ge含量超過22％的分級Ge分布增長超過300nm厚度的SiGe層+H-II+RTA(以松弛SiGe層應(yīng)力)+張力表-硅帽/通路。這不需要第二SiGe層的沉積。
本發(fā)明方法的另一個實施方案包括使用或者恒定的或者分級的Ge分布增長第一SiGe層+H-II+RTA(以松弛SiGe層的應(yīng)力)+表面Ge含量超過22％的或者恒定的或者分級的Ge分布的第二SiGe層+張力表-硅帽/通路。在本發(fā)明方法的此實施方案中，整個SiGe層的厚度應(yīng)該是300nm或者更高。
這樣，本發(fā)明公開了形成具有高Ge濃度的松弛SiGe層的方法。應(yīng)該注意到，在附加權(quán)利要求中所定義的本發(fā)明的范圍內(nèi)，該方法可以被進一步的變更和修改。
權(quán)利要求
1.一種制造半導體基質(zhì)的方法，其包括形成具有相對高的Ge含量的SiGe層的方法，包括制備硅基質(zhì)；沉積SiGe層至厚度為約100nm-500nm，其中SiGe層的Ge含量以摩爾分數(shù)計算等于或者大于22％；以大約1·1016cm-2-5·1016cm-2的劑量和大約20keV-45keV的能量，把H+離子注入到SiGe層；在惰性氣氛下，在約650℃-950℃熱退火硅基質(zhì)和SiGe層約30秒鐘到30分鐘，以松弛SiGe層；和在松弛的SiGe層上沉積一層厚度約5nm-30nm的張力-應(yīng)變的硅層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的沉積SiGe層包括在溫度大約400℃-600℃之間沉積SiGe層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其還包括在所述的注入前，在SiGe層上沉積一層厚度為大約50-300的氧化硅層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其還包括在所述的熱退火之后，在松弛的SiGe層上沉積一層厚度為大約100nm的松弛的SiGe層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的熱退火在氬氣氣氛下進行。
6.一種制造半導體基質(zhì)的方法，其包括形成具有相對高的Ge含量的SiGe層的方法，包括制備硅基質(zhì)，其中的硅基質(zhì)來自由塊硅和SIMOX組成的基質(zhì)組；沉積SiGe層至厚度為約100nm-500nm，其中SiGe層的Ge含量以摩爾分數(shù)計算等于或者大于25％，而且所述的沉積在大約400℃-600℃的溫度范圍內(nèi)進行；以大約1·1016cm-2-5·1016cm-2的劑量，和大約20keV-45keV的能量，將H+離子注入到SiGe層；在氬氣氣氛下，在約650℃-950℃熱退火硅基質(zhì)和SiGe層30秒鐘到30分鐘，以松弛SiGe層；和在松弛的SiGe層上沉積一層厚度約5nm-30nm厚度的張力-應(yīng)變的硅層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其還包括在所述的注入前，在SiGe層上沉積一層厚度為大約50-300的氧化硅層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其還包括在所述的熱退火之后，如果松弛的SiGe層的厚度小于300nm，那么在松弛的SiGe層上沉積一層厚度為大約100nm的松弛的SiGe層。
9.一種制造半導體基質(zhì)的方法，其包括形成具有相對高的Ge含量的SiGe層的方法，包括制備硅基質(zhì)；沉積SiGe層至厚度約100nm-500nm，其中SiGe層的Ge含量以摩爾分數(shù)計算等于或者大于22％，而且所述的沉積在大約400℃-600℃的溫度范圍內(nèi)進行；以大約1·1016cm-2-5·1016cm-2的劑量和大約20keV-45keV的能量，把H+離子注入到SiGe層；在惰性氣氛下，在約650℃-950℃熱退火該硅基質(zhì)和SiGe層30秒鐘到30分鐘，以將SiGe層松馳到至少70％松弛；和在松弛的SiGe層上沉積一層厚度約5nm-30nm的張力—應(yīng)變的硅層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其還包括在所述的注入前，在SiGe層上沉積一層厚度為大約50-300的氧化硅層。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述的熱退火在氬氣氣氛下進行。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其還包括在所述的熱退火之后，在松弛的SiGe層上沉積一層厚度為大約100nm的松弛的SiGe層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中只有在松弛的SiGe層的厚度小于300nm的時候，才在松弛的SiGe層上沉積一層厚度為大約100nm的松弛的SiGe層。
全文摘要
一種制造半導體基質(zhì)的方法，其包括形成具有相對高的Ge含量的SiGe層的方法，其包括制備硅基質(zhì)；沉積SiGe層至厚度約100nm－500nm，其中SiGe層的Ge含量以摩爾分數(shù)計算等于或者大于22％；以大約1·10
文檔編號H01L21/205GK1435862SQ03103459
公開日2003年8月13日 申請日期2003年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月31日
發(fā)明者馬哲申, 道格拉斯·詹姆斯·特威滕, 許勝籘 申請人:夏普株式會社