專利名稱：應(yīng)變絕緣體上硅(ssoi)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在絕緣體上拉應(yīng)變硅層結(jié)構(gòu)及其制造方法。本發(fā)明也教導(dǎo)了包括在絕緣體上的應(yīng)變硅層的系統(tǒng)。此外，本發(fā)明還涉及改變薄的結(jié)晶層的應(yīng)變狀態(tài)的方法。
背景技術(shù)：
如今的集成電路包括大量的器件。更小的器件是增強(qiáng)性能和改善可靠性的關(guān)鍵。然而，由于MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，一個歷史意義的名字一般意指絕緣柵場效應(yīng)晶體管)器件規(guī)模小，技術(shù)變得更加復(fù)雜，需要對器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變和新的制造方法以從器件的一代到下一代維持預(yù)定的性能增強(qiáng)。關(guān)于最近進(jìn)展的半導(dǎo)體器件是微電子器件的基本半導(dǎo)體材料硅(Si)。
在更近的亞微米時代的器件方面維持性能改善存在極大的困難。為保持器件性能持續(xù)改善研究了幾種方法。在這些方法中使用拉應(yīng)變Si作為基本的半導(dǎo)體器件材料。
以拉應(yīng)變Si制造的MOSFET比常規(guī)的MOSFET具有更高的載流子流動性，如K.Rim等人在“Enhanced performance in surfacechannel strained Si and p MOSFETs”(Proceedings of the TwentySixth International Symposium on Compound Semiconductors Berlin，Germany 22-26Aug.1999)中所說明。應(yīng)變Si層通常通過在松弛的分級的SiGe緩沖層上外延生長Si形成，如在P.M.Mooney在MaterialsScience and Engineering Reports R17，105(1996)中和在LeGoues等人的題為“Low Defect Density/arbitrary Lattice ConstantHeteroepitaxial Layers”的美國專利US5,659,187中所討論，在此以引用參考的方式將其并入在本申請中。
雖然為使Si層應(yīng)變，松弛的SiGe層是關(guān)鍵，但是這個層的層疊不可能用于制造絕緣體上硅片(SOI)MOSFET。通常，當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)的器件運(yùn)行在通過絕緣層與半導(dǎo)體襯底分離的半導(dǎo)體層中。這種技術(shù)一般被稱為SOI技術(shù)。生產(chǎn)SOI材料或晶片的標(biāo)準(zhǔn)方法稱為SIMOX過程。它包含將非常高劑量的高能氧離子注入半導(dǎo)體中，并且一旦退火，氧氣在半導(dǎo)體的表面下形成了氧化物層。這樣，具有了與襯底的體積分離的頂部半導(dǎo)體層。然而，除了生產(chǎn)SOI晶片的SIMOX之外還存在其它的方法，這些方法通?；诰雍霞夹g(shù)。
在松弛的SiGe層上的應(yīng)變硅層僅對于制造大器件有用。大器件沒有SOI所具有的優(yōu)點(diǎn)比如結(jié)電容的減小和在器件之間的閉鎖路徑的消除，如在J-P.Colinge，Silicon-On-Insulator TechnologyMaterialsto VLSI，2nd Ed.Kluwer Academic Press，Boston，1997中所詳細(xì)描述。
最后，希望一種在絕緣體上直接制造的拉應(yīng)變Si層的SOI技術(shù)，由此在應(yīng)變硅中實(shí)現(xiàn)了SOI技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與流動性增強(qiáng)的組合。此外，涉及作為器件襯底的SiGe的使用的問題也被消除。例如，在SiGe中比在純Si中形成更高的溫度的二硅化鈷(如R.A.Donaton等人“Cosilicide formation on SiGeC/Si and SiGe/Silayers”，Appl.Phys.Lett.，70，p.1266，(1997))和更高的摻雜劑擴(kuò)散是在SiGe上制造應(yīng)變硅MOSFET的主要問題。
在絕緣體上應(yīng)變硅層通過晶片接合和層轉(zhuǎn)移形成。給具有在SiGe緩沖層上生長的應(yīng)變硅層的第一晶片注入氫—以一種稱為SmartCut(SOITEC公司的注冊商標(biāo))的方法，如A.J.Auberton Herve，“SOImaterials to systems”，International Electron Devices Meeting(IEDM)Technical Digest，San Francisco，p.3-10，Dec.1996中所描述，然后翻轉(zhuǎn)并接合到具有絕緣體層的柄狀晶片。對連接晶片退火以增強(qiáng)接合并在大約注入氫的深度處產(chǎn)生氣泡。因此，應(yīng)變硅層和一部分SiGe緩沖層從第一晶片中分離開，并且通過接合轉(zhuǎn)移到柄狀晶片。這種方法存在缺陷。首先，這種接合方法要求昂貴且相對較低生產(chǎn)率過程的晶片接合和層轉(zhuǎn)移。第二，淀積的SiGe表面對于晶片接合太粗糙，這僅可以通過非常平滑和平整的表面實(shí)現(xiàn)。結(jié)果，較長的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)步驟通常被應(yīng)用以將表面粗糙度減小到可接受的水平。第三，為獲得較強(qiáng)的接合，晶片需要在超過1000℃的溫度退火。然而，這種高溫使應(yīng)變硅層松弛并且使Ge從SiGe緩沖層擴(kuò)散進(jìn)應(yīng)變硅層。第四，由此所使用的低的退火溫度可能導(dǎo)致可靠性問題。第五，其中將氫注入SiGe緩沖層的SmartCut過程可能難以控制，因?yàn)闅鋵⒉糠值馗拥竭h(yuǎn)離氣泡位置的SiGe層中的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述的問題，本發(fā)明公開了一種形成拉應(yīng)變的SOI層的方法，以及公開了一種拉應(yīng)變的SOI層的結(jié)構(gòu)。
注意，為了簡潔，在此討論拉應(yīng)變硅的特定情況。雖然應(yīng)變硅可能由于它的優(yōu)良特性而具有特定的利益，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會注意到本發(fā)明可一般地應(yīng)用于其它的半導(dǎo)體層，比如SiGe，SiC，GaAs，InP，InGaAs等?；蛘?，更一般地說，本方法可以以定量的方式(例如增加在層中的壓縮或拉伸量)和定性的方式(例如從壓縮變換到拉應(yīng)變)改變應(yīng)變狀態(tài)，以及以各種材料實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)變變化，而不必僅在半導(dǎo)體中。
基本的發(fā)明是如下地在絕緣體頂部上形成拉應(yīng)變。以具有松弛的Si層的標(biāo)準(zhǔn)SOI晶片(一種本領(lǐng)域中十分公知的結(jié)構(gòu))開始。然后，在Si層的頂部上形成松弛的SiGe層上，在SiGe層的頂部上具有給定的Ge濃度。術(shù)語“松弛的”意味著層實(shí)質(zhì)上沒有處于應(yīng)變或應(yīng)力下，但能夠通過它的晶格平衡常數(shù)松弛。然而，實(shí)際上，層松弛可以是完全的(即100％松弛)，并且實(shí)際的松弛量取決于用于使在SiGe膜中的應(yīng)變松弛的方法和膜厚度。例如，在硅上生長30％Ge并通過離子注入和快速熱退火獲得65％的松弛(H.J.Herzog等人，“Si/SiGen-MOSFETs on Thin SiGe Virtual Substrates Prepared by Means ofHe Implantation”，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERSV，p.485，23(8)，Aug.2002)。松弛的SiGe層可以通過如下過程形成以均勻的Ge濃度生長假晶SiGe層、注入氦或氫并對該膜進(jìn)行退火以使應(yīng)變松弛?？商鎿Q地，松弛的SiGe層可以通過以分級的Ge成分生長厚的SiGe層實(shí)現(xiàn)。在后一種情況下在與Si層的界面上，Ge的濃度相對較低，并且晶格常數(shù)不大于Si層晶格常數(shù)，但與Si晶格常數(shù)的不匹配朝SiGe層是頂部更加嚴(yán)重，因?yàn)樵谀抢锇l(fā)現(xiàn)Ge的濃度更大。接著，在絕緣體的頂部的松弛的Si層和松弛的SiGe層的底部部分通過離子注入非晶化。這樣，在非晶材料的頂部上形成了單晶SiGe層。在非晶化之后，通過對包括絕緣體上硅片層的非晶材料從松弛的SiGe層的結(jié)晶頂部部分開始進(jìn)行固相外延進(jìn)行再結(jié)晶。在再結(jié)晶的過程中必須適應(yīng)在它與非晶材料的界面的點(diǎn)上的結(jié)晶SiGe的晶格常數(shù)。由于在結(jié)晶/非晶界面上的晶格常數(shù)大于Si層，因此一旦再結(jié)晶Si層將處于拉應(yīng)變狀態(tài)，因?yàn)楸仨氝m應(yīng)松弛的SiGe層的頂部部分的更大的晶格常數(shù)。一旦清除了SiGe層，獲得了拉應(yīng)變絕緣體上硅片。
在形成拉應(yīng)變絕緣體上硅片的實(shí)施例中有幾種變型。
在本發(fā)明的一種變型實(shí)施例中，非晶和固相外延反復(fù)進(jìn)行以在SOI層上逐漸累積應(yīng)變。分級的SiGe層的非晶部分隨著每次重復(fù)而增大，因此再結(jié)晶以具有更高的Ge濃度的籽晶開始。通過使它從具有更高的Ge濃度的區(qū)域再結(jié)晶，連續(xù)的重復(fù)使SOI層的應(yīng)變達(dá)到更高的應(yīng)變等級，由此實(shí)現(xiàn)了更大的晶格常數(shù)。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，在每次再結(jié)晶之后通過清除和再成形分級的SiGe層重復(fù)該過程，并且每次該層以更高的Ge濃度形成。每次重復(fù)剩下具有更高的應(yīng)變等級的SOI層。
本發(fā)明的一個目的是提供一種方法，通過這種方法拉應(yīng)變被引入到絕緣體上硅片層。教導(dǎo)一種拉應(yīng)變絕緣體上硅片及其制造方法也是本發(fā)明的一個目的。本發(fā)明的再一目的是教導(dǎo)一種電子系統(tǒng)，這種電子系統(tǒng)包括拉應(yīng)變絕緣體上硅片層。本發(fā)明的進(jìn)一步的目的是教導(dǎo)一種改變在支撐臺的頂部上的結(jié)晶層的應(yīng)變狀態(tài)的方法的一般性。


通過下文的詳細(xì)描述以及附圖將會清楚本發(fā)明的這些特征和其它特征，在附圖中
附圖1所示為絕緣體上硅晶片的層狀結(jié)構(gòu)的示意性橫截面視圖；附圖2所示為形成在絕緣體上硅晶片的頂部上的SiGe松弛的層的層狀結(jié)構(gòu)的示意性橫截面視圖；附圖3所示為層狀結(jié)構(gòu)的離子注入的示意性橫截面視圖；附圖4所示為具有Si和非晶化的SiGe松弛的層的底部部分的層狀結(jié)構(gòu)的示意性橫截面視圖；附圖5所示為通過固相外延的再結(jié)晶的初始階段的示意性橫截面視圖；附圖6所示為在再結(jié)晶之后層狀結(jié)構(gòu)的示意性橫截面視圖，其中Si層獲得了拉應(yīng)變；附圖7所示為具有應(yīng)變Si層的絕緣體上硅晶片的示意性橫截面視圖；附圖8所示為包含在絕緣層上的拉應(yīng)變Si作為它的成分的電子系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
附圖1所示為絕緣體上硅晶片的層狀結(jié)構(gòu)的示意性橫截面視圖。獲取這個晶片是本發(fā)明的開始點(diǎn)。晶片是具有夾在Si襯底160和單晶Si層100之間的掩埋的SiO2層150的層狀結(jié)構(gòu)。Si層100具有第一晶格常數(shù)，它是Si的松弛的晶格常數(shù)。SOI晶片在本領(lǐng)域中是公知的并且可購買到。通常，它們通過比如注入的氧氣分離(SIMOX)或晶片接合的技術(shù)制造。Si層100的厚度可以改變。高級的器件制造要求更加薄的結(jié)構(gòu)。此外，Si層越薄，它能夠承受的不損害晶體質(zhì)量的應(yīng)變越大。因此，Si層100的厚度的范圍大約在1nm和100nm、優(yōu)選大約在2nm和50nm之間。在本發(fā)明的步驟的執(zhí)行過程中，可以理解這個厚度不改變。
附圖2所示為具有在絕緣體上硅晶片的頂部上形成的SiGe松弛的層110的層狀結(jié)構(gòu)的示意性橫截面視圖。通常，這種松弛的SiGe層具有分級的Ge濃度。在層110中的Ge濃度的特征等級在層的底部大約5％Ge(在那里它與Si層形成了第一界面)、在SiGe層的頂部表面具有大約30％。如何形成這種松弛的SiGe層在本領(lǐng)域中是公知的。有幾種方法可用于制造它們，比如通過在LeGoues等人的并入的美國專利US5,659,187中描述的階梯分級處理。所提及方案的變型過程是通過注入和退火過程，如以參考的方式并入在此的S.H.Christiansen等人在2002年4月3日申請的美國專利申請U.S.No.10/115160題為“Relaxed SiGe Layers on Si or Silicon onInsulator Substrates by Ion Implantation and Thermal Annealing”(檔案號YOR920010546US2)和以參考的方式并入在此的2002年11月19日申請的U.S.No.10/299880(檔案號YOR920010546US3)中所描述。注意，通過He注入和退火過程制造的松弛的SiGe緩沖層100包含缺陷區(qū)。在SiGe層中這個缺陷區(qū)在本發(fā)明中不是問題，因?yàn)樵诒景l(fā)明的注入步驟中它被非晶化。
SiGe松弛的層110的厚度可以是相對較大的范圍，取決于在Si層100中所需的應(yīng)變量和形成層110的方法。階梯分級法通常要求更厚的層，范圍高達(dá)大約3000nm，而其它的方法比如注入和退火過程可以以大約20nm的層110的最小厚度實(shí)現(xiàn)。
附圖3所示為層狀的結(jié)構(gòu)的注入的示意性橫截面視圖。將Si層100和SiGe層110的底部部分轉(zhuǎn)換為材料的非晶態(tài)是離子注入的目的，通過箭頭200表示。注入的種類通常是Si或Ge，然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會理解，其它的種類也可以達(dá)到目的?？梢赃x擇注入能量和劑量以使SiGe緩沖層110的底部部分和SOI層100變?yōu)榉蔷У摹?br> 附圖4所示為具有Si和非晶化的SiGe松弛的層的底部部分的層狀結(jié)構(gòu)的示意性橫截面視圖。在注入200之后，SiGe緩沖層110′的底部部分和SOI層100′被非晶化。帶有增加的“prime”符號的標(biāo)記表示這些層是與先前的層相同的層，但它們的材料狀態(tài)改變了，(對于SiGe層僅部分改變，因?yàn)樗鼉H僅是部分非晶化)。非晶半導(dǎo)體層的延伸通過卷曲的支架410顯示。在SiGe層中非晶區(qū)從與Si層的界面(第一界面)直到在SiGe層的非晶和結(jié)晶部分之間的第二界面。SiGe層的頂部部分沒有被非晶化并且仍然保留單晶。
附圖5所示為通過固相外延再結(jié)晶的初始化階段的示意性橫截面視圖。在該結(jié)構(gòu)被退火時，層狀結(jié)構(gòu)410的非晶部分收縮。通過箭頭510所表示的再結(jié)晶生長從在第二界面處它的原始籽晶位置朝下傳播，在原始籽晶位置上SiGe結(jié)晶層具有第二晶格常數(shù)，這個常數(shù)大于Si層的第一晶格常數(shù)。如附圖5所示，SiGe層110′的部分和Si層100′仍然是非晶的。SiGe層的結(jié)晶的頂部部分現(xiàn)在朝下延伸。在分級的SiGe膜的情況下，結(jié)晶的SiGe層不再松弛，具有第二界面的晶格常數(shù)。因此，應(yīng)變的結(jié)晶SiGe層以層520表示。
附圖6所示為在再結(jié)晶之后的層狀結(jié)構(gòu)的示意性橫截面視圖，其中Si層具有拉應(yīng)變。非晶化的SiGe層的一部分現(xiàn)在發(fā)生應(yīng)變，相對于整個層以新的標(biāo)記520表示。在這個附圖中Si層被迫適應(yīng)第二晶格常數(shù)，并且產(chǎn)生拉應(yīng)變。它已經(jīng)成為拉應(yīng)變的絕緣體上硅片600。應(yīng)用這個，完成了在絕緣體上硅片層中引入拉應(yīng)變的方法。為制造可用于容納器件和電路的絕緣體上硅片層，必須從應(yīng)變的Si層的頂部清除SiGe層。這種清除的方法是本領(lǐng)域中公知的，通常通過有選擇性蝕刻實(shí)現(xiàn)，比如1HF:2H2O2:3CH3COOH。有選擇性SiGe層蝕刻劑的使用對于具有均勻的Ge濃度的松弛的SiGe膜特別有用，這種松弛的SiGe膜下延伸到SiGe/Si界面(在松弛的SiGe層由注入和退火方法形成時它是典型的情況)。應(yīng)用分級的SiGe緩沖層，有時優(yōu)選將蝕刻停止層或者標(biāo)記并入在SiGe/Si界面上。例如，硼增量摻雜有時用作濕蝕刻和干蝕刻的蝕刻停止層。
附圖7所示為具有應(yīng)變的Si層的絕緣體上硅晶片的示意性橫截面視圖。應(yīng)變的SiGe層520已經(jīng)被清除，剩下在該表面上暴露的應(yīng)變的Si層600。Si層600附著到絕緣層150(通常是SiO2層)上。拉應(yīng)變Si層具有低于108/cm2、優(yōu)選低于105/cm2的低缺陷密度的器件質(zhì)量。
這個層狀結(jié)構(gòu)顯示用于非晶化的離子注入200的效果。在對Si層100完成非晶化時，由于注入的離子的自然傳播，某些離子滲透進(jìn)絕緣層。這些離子永久保留在絕緣體中。它們不具有有害的電效應(yīng)，但顯示它們進(jìn)入絕緣體。在顯示它們存在的幾種可能方式中，一種是注入的種類的存在輕微地改變絕緣體的化學(xué)成分(通常是SiO2)。由于注入的離子的緣故，絕緣層包含了在限度之上的至少一種原子種類，該限度是基于絕緣層的已知的化學(xué)成分建立的限度。例如，如果絕緣體是SiO2，則注入的種類也是Si，根據(jù)研究，與基礎(chǔ)或SiO2化學(xué)式預(yù)計(jì)的Si的自然量相比，SiO2就顯示出Si有一定過量。
通過本發(fā)明形成的應(yīng)變SOI層狀結(jié)構(gòu)使在原始SOI晶片上已經(jīng)存在的Si層應(yīng)變，但它不涉及層轉(zhuǎn)移。因此，原始Si層的結(jié)晶取向在整個應(yīng)變過程中保留。如果原始Si層與在絕緣體下的襯底具有相同的結(jié)晶取向，這是在SIMOX過程已經(jīng)用于形成原始SOI晶片時的情況，則最后的應(yīng)變Si層將也與下面的Si襯底的結(jié)晶取向匹配。
根據(jù)情況，使SOI層產(chǎn)生拉應(yīng)變的方法可以以不同的實(shí)施例執(zhí)行。在一種這樣的實(shí)施例中，目的是逐漸調(diào)節(jié)在Si層和下面的絕緣體之間的匹配，重復(fù)轉(zhuǎn)換并再結(jié)晶步驟至少一次，但也可能是幾次。在該方法的這種實(shí)施例中，在到達(dá)如附圖6所示的層狀結(jié)構(gòu)的狀態(tài)之后，返回到附圖3的離子注入，之后進(jìn)行附圖5的再結(jié)晶。這通過如下的方式完成在每次重復(fù)時更大部分的SiGe層轉(zhuǎn)換成非晶材料。這樣在用作固相再結(jié)晶的籽晶表面的第二界面處，第二晶格常數(shù)隨著每次重復(fù)而增大，由此在Si層中的拉應(yīng)變達(dá)到預(yù)定的或所需的值時，重復(fù)結(jié)束并且SiGe松弛層被消除。
在另一實(shí)施例中，為了增加應(yīng)變而不必形成過厚的SiGe層，并且也為了一般柔性，重復(fù)形成、轉(zhuǎn)換、再結(jié)晶和清除步驟一次，但可以幾次。應(yīng)用這種清除步驟，重新提供SOI晶片并準(zhǔn)備再次用于處理。在該方法的本實(shí)施例中，在達(dá)到附圖7所示的層狀結(jié)構(gòu)的狀態(tài)之后，返回以形成附圖2所示的松弛SiGe層，之后應(yīng)用附圖3的離子注入的通常的順序，附圖5的再結(jié)晶，以及再次清除如附圖7的SiGe層。在這些重復(fù)周期中的每個周期上，SiGe層形成在更大的應(yīng)變Si層上，并且在SiGe層松弛層的頂部或附近可以達(dá)到更高的Ge濃度，導(dǎo)致更高的晶格常數(shù)。因此，在第二界面處，第二晶格常數(shù)隨著每次重復(fù)而增大，由此在Si層中的拉應(yīng)變也隨著每次重復(fù)而增大。在Si層中的拉應(yīng)變已經(jīng)達(dá)到了預(yù)定的或所需的值時，重復(fù)結(jié)束并且在應(yīng)變Si層的頂部上不再形成新的SiGe松弛層。
附圖8示意性地示出了包含在絕緣層上的拉應(yīng)變Si作為它的成分的電子系統(tǒng)。在這個附圖中電子系統(tǒng)以一般的方式作為球體800示出，包括在絕緣層600上的應(yīng)變Si。在絕緣層600上的應(yīng)變Si是各種高性能裝置和電路的主要部分。利用在絕緣體上的應(yīng)變Si提供的高性能器件的優(yōu)點(diǎn)的電子系統(tǒng)具有各種類型。在這種電子系統(tǒng)是數(shù)字處理器比如計(jì)算機(jī)的中央電子綜合體(CEC)時它特別有利。
使在絕緣體上Si層應(yīng)變的方法的步驟可一般用于修改任何結(jié)晶層的應(yīng)變狀態(tài)或者僅僅具有第一晶格常數(shù)的第一結(jié)晶層，這取決于支撐臺。支撐臺優(yōu)選是非晶的，由此它不影響第一結(jié)晶層的晶格常數(shù)。在第一結(jié)晶層的頂部上必須形成外延松弛的單晶第二結(jié)晶層以使在它的頂部表面附近第二結(jié)晶層具有不同于第一晶格常數(shù)的第二晶格常數(shù)。此外第一層和與第一層交界的第二層的底部部分通過離子注入轉(zhuǎn)換為非晶狀態(tài)。一旦通過固相外延再結(jié)晶，被迫適應(yīng)第二晶格常數(shù)的第一結(jié)晶層具有改變的應(yīng)變狀態(tài)。這個改變?nèi)Q于第一晶格常數(shù)與第二晶格常數(shù)的關(guān)系。如果第二晶格常數(shù)大于第一晶格常數(shù)，如Si層和SiGe松弛層的情況，第一層的應(yīng)變狀態(tài)將在拉伸方向上被改變。在相反的情況下，在第二晶格常數(shù)小于第一晶格常數(shù)時，第一層的應(yīng)變狀態(tài)將在壓縮方向上改變。清除第二層將在原始支撐結(jié)構(gòu)的頂部上產(chǎn)生改變的應(yīng)變狀態(tài)的第一層。
根據(jù)上述的教導(dǎo)可以對本發(fā)明做出修改改變和修改，并且這些改變和修改對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是顯然的。本發(fā)明的范圍由附加的權(quán)利要求界定。
權(quán)利要求
1.一種使在絕緣體上的Si層產(chǎn)生拉應(yīng)變的方法，包括如下步驟提供絕緣體上硅晶片，所述晶片包括夾在Si襯底和單晶Si層之間的埋置的絕緣層，所述Si層具有第一晶格常數(shù)；在所述Si層的頂部上形成外延的松弛的SiGe層；通過離子注入將所述SiGe層的底部部分以及所述Si層轉(zhuǎn)換為非晶狀態(tài)，其中所述SiGe層的所述底部部分與所述Si層共享第一界面；和通過固相外延使所述SiGe層的所述底部部分和所述Si層再結(jié)晶，所述固相外延從在所述SiGe層的結(jié)晶頂部部分和所述SiGe層的所述非晶底部部分之間的第二界面產(chǎn)生籽晶，其中在所述第二界面處所述SiGe層的所述頂部部分具有第二晶格常數(shù)，所述第二晶格常數(shù)大于所述第一晶格常數(shù)，由此一旦再結(jié)晶，所述Si層被迫適應(yīng)所述第二晶格常數(shù)并產(chǎn)生拉應(yīng)變。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述Si層的厚度被選擇為在大約1納米和100納米之間。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述Si層的厚度被選擇為在大約2納米和50納米之間。
4.權(quán)利要求1的方法，其中在所述離子注入中注入的種類被選擇為Si。
5.權(quán)利要求1的方法，其中在所述離子注入中注入的種類被選擇為Ge。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述松弛的SiGe層的厚度被形成為大約20納米和3000納米之間。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述埋置的絕緣層被選擇為SiO2。
8.一種單晶拉應(yīng)變Si層，其中所述應(yīng)變Si層附著到絕緣層上，所述絕緣層包含在一個限度之上的至少一種原子種類，其中所述限度基于所述絕緣層的已知的化學(xué)成分，由此指示以所述至少一種原子種類對所述絕緣層的離子注入。
9.權(quán)利要求8的應(yīng)變Si層，其中所述絕緣層是SiO2。
10.權(quán)利要求8的應(yīng)變Si層，其中所述應(yīng)變Si層的厚度為大約1納米和100納米之間。
11.權(quán)利要求10的應(yīng)變Si層，其中所述應(yīng)變Si層的厚度為大約2納米和50納米之間。
12.權(quán)利要求10的應(yīng)變Si層，其中所述應(yīng)變Si層具有小于108/cm2的缺陷密度。
13.權(quán)利要求12的應(yīng)變Si層，其中所述應(yīng)變Si層具有小于105/cm2的缺陷密度。
14.權(quán)利要求8的應(yīng)變Si層，其中所述絕緣層被夾在所述應(yīng)變Si層和Si襯底之間。
15.權(quán)利要求14的應(yīng)變Si層，其中所述應(yīng)變Si層的結(jié)晶取向與所述Si襯底的結(jié)晶取向匹配。
16.一種在絕緣體上制造拉應(yīng)變Si層的方法，包括如下步驟提供絕緣體上硅晶片，所述晶片包括夾在Si襯底和單晶Si層之間的埋置的絕緣層，所述Si層具有第一晶格常數(shù)；在所述Si層的頂部上形成外延的松弛的SiGe層；通過離子注入將所述SiGe層的底部部分和所述Si層轉(zhuǎn)換為非晶狀態(tài)，其中所述SiGe層的所述底部部分與所述Si層共享第一界面；和通過固相外延使所述SiGe層的所述底部部分和所述Si層再結(jié)晶，所述固相外延從在所述SiGe層的結(jié)晶頂部部分和所述SiGe層的所述非晶底部部分之間的第二界面產(chǎn)生籽晶，其中在所述第二界面處所述SiGe層的所述頂部部分具有第二晶格常數(shù)，所述第二晶格常數(shù)大于所述第一晶格常數(shù)，由此一旦再結(jié)晶，所述Si層被迫適應(yīng)所述第二晶格常數(shù)并產(chǎn)生拉應(yīng)變；和清除所述SiGe層，由此所述絕緣體上硅晶片已經(jīng)變換為包括所述拉應(yīng)變Si層的晶片。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述Si層的厚度被選擇為在大約1納米和100納米之間。
18.權(quán)利要求17的方法，其中所述Si層的厚度被選擇為在大約2納米和50納米之間。
19.權(quán)利要求16的方法，其中在所述離子注入中注入的種類被選擇為Si。
20.權(quán)利要求16的方法，其中在所述離子注入中注入的種類被選擇為Ge。
21.權(quán)利要求16的方法，其中所述埋置的絕緣層被選擇為SiO2。
22.權(quán)利要求16的方法，其中所述松弛的SiGe層通過階梯分級過程形成。
23.權(quán)利要求16的方法，其中所述松弛的SiGe層通過注入和退火過程形成。
24.權(quán)利要求16的方法，其中所述松弛的SiGe層的厚度被形成為大約20納米和3000納米之間。
25.權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包括如下步驟重復(fù)所述轉(zhuǎn)換和再結(jié)晶步驟至少一次，使每次重復(fù)時在所述第二界面處所述第二晶格常數(shù)隨每次重復(fù)而增大，由此在所述Si層中所述拉應(yīng)變隨每次重復(fù)而增大；和在所述Si層中所述拉應(yīng)變已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的值時結(jié)束所述重復(fù)。
26.一種在絕緣體上制造拉應(yīng)變Si層的方法，包括如下步驟提供絕緣體上硅晶片，所述晶片包括夾在Si襯底和單晶Si層之間的埋置的SiO2層，所述Si層具有第一晶格常數(shù)；在所述Si層的頂部上形成外延的松弛的SiGe層；通過離子注入將所述SiGe層的底部部分和所述Si層轉(zhuǎn)換為非晶狀態(tài)，其中所述SiGe層的所述底部部分與所述Si層共享第一界面；和通過固相外延使所述SiGe層的所述底部部分和所述Si層再結(jié)晶，所述固相外延從在所述SiGe層的結(jié)晶頂部部分和所述SiGe層的所述非晶底部部分之間的第二界面產(chǎn)生籽晶，其中在所述第二界面處所述SiGe層的所述頂部部分具有第二晶格常數(shù)，所述第二晶格常數(shù)大于所述第一晶格常數(shù)，由此一旦再結(jié)晶，所述Si層被迫適應(yīng)所述第二晶格常數(shù)并產(chǎn)生拉應(yīng)變；和清除所述SiGe層，由此重新得到絕緣體上硅晶片，其中由于所述第一晶格常數(shù)增加而使所述Si層產(chǎn)生拉應(yīng)變；對所述重新得到的絕緣體上硅晶片重復(fù)上述生長、轉(zhuǎn)換、再結(jié)晶和清除步驟至少一次，使得在所述第二界面處所述第二晶格常數(shù)隨著每次重復(fù)而增大，由此在所述Si層中的所述拉應(yīng)變也隨著每次重復(fù)而增大；和在所述Si層中的所述拉應(yīng)變已經(jīng)達(dá)到了預(yù)定的值時結(jié)束所述重復(fù)。
27.一種包括單晶應(yīng)變Si層的電子系統(tǒng)，其中所述應(yīng)變Si層附著到絕緣層上，所述絕緣層包含在一個限度之上的至少一種原子種類，其中所述限度基于所述絕緣層的已知的化學(xué)成分，由此指示以所述至少一種原子種類對所述絕緣層的離子注入。
28.權(quán)利要求27的電子系統(tǒng)，其中所述電子系統(tǒng)是數(shù)字處理器。
29.一種改變支撐臺上第一結(jié)晶層的應(yīng)變狀態(tài)的方法，包括如下步驟在所述支撐臺上提供所述第一結(jié)晶層，所述第一結(jié)晶層具有第一晶格常數(shù)；在所述第一結(jié)晶層的頂上形成外延的松弛的第二結(jié)晶層；通過離子注入將所述第一結(jié)晶層和所述第二結(jié)晶層的底部部分轉(zhuǎn)換為非晶狀態(tài)，其中所述第二結(jié)晶層的所述底部部分與所述第一結(jié)晶層共享第一界面；和通過固相外延使所述第二結(jié)晶層的所述底部部分和所述第一結(jié)晶層再結(jié)晶，所述固相外延從在所述第二結(jié)晶層的結(jié)晶頂部部分和所述第二結(jié)晶層的所述非晶底部部分之間的第二界面產(chǎn)生籽晶，其中在所述第二界面處所述第二結(jié)晶層的所述頂部部分具有第二晶格常數(shù)，所述第二晶格常數(shù)不同于所述第一晶格常數(shù)，由此一旦再結(jié)晶，被迫適應(yīng)所述第二晶格常數(shù)的所述第一結(jié)晶層的所述應(yīng)變狀態(tài)被改變。
30.權(quán)利要求29的改變應(yīng)變狀態(tài)的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在所述再結(jié)晶步驟之后，從所述第一結(jié)晶層清除所述第二結(jié)晶層。
31.權(quán)利要求29的改變應(yīng)變狀態(tài)的方法，其中所述支撐臺包括非晶材料，其中所述非晶材料與所述第一結(jié)晶層交界。
全文摘要
本發(fā)明公開了制造基于應(yīng)變Si的層的方法、在這個層中制造的器件和包括這種層和器件的電子系統(tǒng)。該方法包括在襯底上外延生長SiGe層、在這個SiGe層中形成不同的Ge濃度的步驟。在SiGe層中的Ge濃度包括唯一的Ge突出區(qū)，在這個區(qū)中Ge濃度急劇增加?；赟i的層外延地淀積在SiGe層上，由此成為拉應(yīng)變。還公開了基于應(yīng)變Si的層(通常是Si或SiGe)可以轉(zhuǎn)移給不同的體積的襯底或者絕緣體。
文檔編號H01L21/762GK1726581SQ200380106506
公開日2006年1月25日 申請日期2003年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月19日
發(fā)明者蓋伊·M·科恩, 希爾科·H·克里斯蒂安森 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司