專利名稱：半導體基片及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種異質半導體結構(該結構具有包含硅-鍺混合晶體的SOI(絕緣層上的硅)結構)以低成本高生產(chǎn)率制造所述半導體結構的方法。
背景技術：
近年來，利用所謂應變硅技術來實施MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)集成電路的高速操作的方法已引起注意。所述應變硅技術是通過使用晶格常數(shù)大于通常的晶格常數(shù)的應變層，來提高MOSFET溝道部分中載流子(電子或空穴)的遷移率。
舉例來說，如日本專利JP-A6-252046中所述，曾建議了許多在適當硅層的鄰接配置硅-鍺混合晶體的方法，作為增加溝道所用硅層的晶格常數(shù)的手段。這些傳統(tǒng)方法的特征為通過汽相沉積將硅-鍺薄膜沉積在硅晶片上，并通過汽相沉積在其上面再形成一硅層。因鍺的晶格常數(shù)比硅的晶格常數(shù)大4％，通過控制硅-鍺混合晶體的組成比例，可在溝道層產(chǎn)生所需的應變。一般而言，鍺的組成比例在約10至30摩爾％之間。
所述應變硅技術可與所謂的SOI(Silicon On Insulator)結構結合使用，且這種組合體稱作SGOI(硅-鍺絕緣體)。舉例來說，如日本專利JP-A10-308503中所述，將通過汽相沉積含有硅-鍺混合層的多層薄膜而制得的第一基片與附有氧化薄膜的第二基片粘合在一起，并通過拋光及蝕刻作用將第一基片移除至某一厚度，可制得所述組合體。這一技術結合了所謂的SOI技術和應變硅技術。同時，也曾建議將應變硅技術與SIMOX(注氧隔離)技術(日本專利JP-A4-264724)(該技術是制備SOI晶片的另一類方法)相結合。舉例來說，日本專利JP-A9-321307曾建議一種方法通過在硅基片上沉積硅-鍺混合晶體，然后向其中注入氧離子，隨后對所制復合材料施以高溫熱處理，從而在硅-鍺混合晶體層中形成掩埋式氧化物薄膜。另外，日本專利JP-A2001-148473中曾建議一種方法；進一步利用所謂的ITOX技術，即通過在高溫下氧化SOI薄膜以減低該薄膜厚度，從而增加SOI薄膜內鍺的濃度，以制造具有高鍺濃度的SGOI晶片。
美國專利US-4975387中曾建議一種方法通過在硅基片上沉積無定形硅-鍺層，并在蒸汽環(huán)境中將所得復合材料加以氧化，以形成作為表層的硅-鍺層。
作為制造硅-鍺混合晶體的手段，曾建議一種方法通過區(qū)域熔煉法以摻有鍺的硅為原料形成硅-鍺混合晶體。舉例來說，日本專利JP-A8-143389中曾建議一種方法通過調節(jié)液相中鍺的濃度來控制固相的濃度以形成塊狀單晶。

發(fā)明內容
傳統(tǒng)方法中存在下列問題。
特別是，在使用日本專利JP-A6-252046中所公開的技術時，必須使待產(chǎn)生應變的硅-鍺混合晶體層足夠松弛，以使晶格常數(shù)與固有組成相符。晶格的松弛作用必須依賴位錯的產(chǎn)生。但是當所產(chǎn)生的位錯出現(xiàn)在相關器件所在的區(qū)域中時，將導使該器件發(fā)生故障。為防止這種情況的出現(xiàn)曾建議采取不同措施。如日本專利JP-A6-252046或JP-A5-129201中所述，其中一種方法包括在通過汽相沉積技術形成硅-鍺混合晶體層期間，沉積所謂的平穩(wěn)變化緩沖層(即鍺組成比例遞增層)，以防止位錯貫穿至表面層。如果采用所述技術來達到所需的鍺組成比例勢必要求沉積厚薄膜，從而大大降低生產(chǎn)率并提高生產(chǎn)成本。作為另一種手段，美國專利US-6039803中曾揭示一種方法，將所述硅基片的主要取向方向從正常采用的<100>方向傾斜1至8度，即使采用此種方法也難以對位錯產(chǎn)生足夠的抑制作用?？傊朔椒ㄋa(chǎn)生的問題是必須沉積平穩(wěn)變化的緩沖層。
同時，雖然采用日本專利JP-A9-321307及JP-2001-148473所揭示SOI結構與應變硅技術的結合，無需形成上述的厚硅-鍺混合晶體層，但采用這種結合工藝又會產(chǎn)生必須沉積硅-鍺混合晶體層的問題，從而需要復雜的制造工藝并提高生產(chǎn)成本。
美國專利US-4975387所公開了通過沉積無定形硅-鍺層形成一外延層，并隨后在蒸汽環(huán)境中氧化所述沉積層的方法，但該方法需要使用生長無定形薄膜的儀器。而且，絕大多數(shù)由無定形薄膜形成的器件容易遭受雜質污染。所以所述方法不適于制造用于近年來的先進的高速器件的晶片。
其次，日本專利JP-A8-143389所揭示的通過丘克拉斯基法或區(qū)域熔煉技術生長硅-鍺混合晶體的方法需要大量鍺原料。因鍺原料通常極為昂貴，制造具有10至30摩爾％的高鍺濃度的晶體(應變硅基片所必需的)幾乎沒有什么商業(yè)價值。而且，因生長中容易產(chǎn)生位錯，所以從液相生長含有所述高濃度鍺的單晶，在技術上甚為困難。
為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種具有新穎的層結構的晶片及其制造方法。本發(fā)明的晶片中的器件形成層和基片均由硅-鍺混合晶體制成，兩者的濃度差異極大。使用具有所述品質的晶片可以低成本和高生產(chǎn)率制備高品質的應變硅晶片。
本發(fā)明的第一個方面涉及半導體基片，所述半導體基片的特征為包括由添加鍺的硅所形成的第一層、由氧化物形成并鄰接第一層的第二層以及由硅-鍺混合晶體形成并鄰接第二層的第三層。
通過在上述第一層內普通硅層處提供具有低鍺濃度的硅-鍺層，可提高第三層及鄰接第三層的形成層的品質。從而可以低成本大量制造高品質的第二和第三層。所以，由此形成制造半導體工業(yè)所必需的具有SOI和SGOI結構的應變硅晶片的最佳技術。
本發(fā)明的第二方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為第一層的厚度對應于晶片的厚度。
除了具有本發(fā)明第一方面的優(yōu)點，本發(fā)明的半導體基片的第一層還具有足夠的機械強度以便于處理所述晶片。
本發(fā)明的第三方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為所述第一層內的鍺濃度不低于0.05摩爾％且不高于5摩爾％，優(yōu)選不低于0.2摩爾％且不高于1摩爾％。
在單晶生長之后立即將鍺濃度設定在本發(fā)明預期的不低于0.05摩爾％，則所達到的鍺濃度足以制造具有SGOI結構且可用于制造高速裝置的具有極佳的結晶性應變硅晶片。將鍺濃度設定在不低于0.2摩爾％可獲致更佳的特性。若鍺濃度超過5摩爾％，過高的濃度在抽拉單晶時容易引發(fā)位錯，從而難以實現(xiàn)極佳的結晶性。優(yōu)選將鍺濃度限制在低于1摩爾％，則可使單晶容易生長，并避免使用大量昂貴的鍺原料，并進一步降低成本。
本發(fā)明的第四方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為所述第一層是單晶。
根據(jù)本發(fā)明，可提高所述第三層晶體的品質，并容許在所述第三層上及進一步沉積在第三層上的晶體層上形成高速半導體器件。
本發(fā)明的第五方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為所述第二層是由具有電絕緣特性的氧化硅所形成。
與其它氧化物(例如氧化鍺及含有最高的濃度鍺的氧化硅)相比，氧化硅的絕緣性較佳。所以，通過用具有極佳電絕緣特性的氧化硅形成的所述第二層，可制造高品質的SGOI晶片。
本發(fā)明的第六方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為所述第二層的厚度至少不低于80納米。
將所述第二層的厚度設定在不低于80納米，可實現(xiàn)有效的絕緣作用和分離作用。
本發(fā)明的第七方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為所述第三層是單晶。
根據(jù)本發(fā)明，可使用所述第三層及沉積在第三層上的晶體層來制備半導體器件。
本發(fā)明的第八方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為所述第三層的厚度不低于1納米且不超過50納米。
如所述第二層的厚度低于1納米，厚度的不足將帶來基片制造中的技術困難，并將破壞所制的鄰接第三層的另一薄膜的穩(wěn)定性。而且，對所述第三層而言，厚度超過50納米的硅-鍺層既不需要也不重要。保持第三層的厚度不低于1納米且不超過50納米，可滿足非耗盡型、部分耗盡型，和全耗盡型半導體器件的所有要求。
本發(fā)明的第九方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為第三層中的鍺濃度不低于15摩爾％且最多為100摩爾％。
若所述第三層中的鍺濃度低于15摩爾％，濃度的不足將導致所沉積的應變硅層難以獲得足夠的應變。通過控制所述第三層中的鍺濃度，可直接在所述第三層上形成半導體器件或在形成鄰接第三層的應變硅層之后形成半導體器件。通過使第三層鍺濃度接近100摩爾％，可不必以高成本生長鍺的塊狀單晶，而直接在第三層上形成半導體器件，并具有極高的載體遷移率、窄帶隙、以及與III至V族化合物的晶格的優(yōu)異一致性等優(yōu)點。具有接近約100摩爾％的鍺濃度的第三層的形成，既能以蒸氣相在該層上面形成100摩爾％鍺層，同時還抑制了因不匹配而發(fā)生的位錯。所以本發(fā)明可自由選擇鍺晶體層的厚度，同時制得用以形成鍺金屬氧化物半導體的基片。
本發(fā)明的第十方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為所述第一層不含晶體原生顆粒(COP)。
所述晶體原生顆粒是指硅單晶生長期間所形成的小空心缺陷，這些缺陷對半導體器件具有不良影響。作為生長不含COP晶體的手段，通過降低抽拉單晶的速率以保證整個晶片表面無缺陷的方法已經(jīng)公開。該方法所得產(chǎn)品習稱所謂的完美晶體。利用所述晶片作為第一層可防止在第三層內形成缺陷。
本發(fā)明的第十一方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為所述第三層不含晶體原生顆粒(COP)。
根據(jù)本發(fā)明，如同在半導體器件加工中，可以高產(chǎn)率在本發(fā)明第一方面的結構上沉積另一層結構。
本發(fā)明的第十二方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為所述第三層表面上的位錯密度不超過1×105個/平方厘米。
制造目前已知最先進SGOI的方法有賴于異質外延生長層晶格的松弛。當表面層提高時，此種方法會導致器件形成層位錯密度的增加。相反地，本發(fā)明第一方面的晶片無需異質外延生長，因而具有低位錯密度，并在制造半導體器件時具有優(yōu)勢。
本發(fā)明的第十三方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為第二層在40×40微米內的粗度均方根值不超過5納米。
本發(fā)明第一方面晶片的粗度很低且無需進一步降低粗度的加工。所述低粗度的優(yōu)點有利于制造半導體器件。
本發(fā)明的第十四方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為所述第三層厚度的起伏變化不超過5％或不超過2.5納米。
與在氧化物層上形成薄膜的目前最先進的制造方法相比，本發(fā)明第一方面的晶片具有極均勻的層厚度。由于第三層中鍺濃度的增加，硅含量相對降低且氧化速率下降。所述氧化速率隨時間的變化逐漸緩和了平面內厚度的不均勻性，并最終使得整個平面區(qū)域內的薄膜厚度保持均勻。本發(fā)明利用了這一現(xiàn)象，由此帶來的厚度的高均勻性可使薄膜的厚度進一步減低而不影響厚度均勻性。所述特性有利于半導體器件的制造。
本發(fā)明的第十五方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為所述第三層內鍺濃度的起伏變化不超過5％。
由于鍺的擴散作用，本發(fā)明第一方面的晶片的鍺濃度平面內均勻性極為優(yōu)異。當在本發(fā)明第一方面的晶片上沉積應變硅層時，此特性可使所沉積的應變硅層具有均勻的平面內應變。
本發(fā)明的第十六方面涉及本發(fā)明第一方面所預期的半導體基片，其特征為在接近所述第三層處形成一應變硅層。
根據(jù)本發(fā)明，由于上述第三層的優(yōu)越特性，可在低成本的條件下，制得具有嵌入式絕緣薄膜的高品質應變硅晶片。所述優(yōu)異品質和低成本是制造各種非耗盡型、部分耗盡型及全耗盡型器件所不可或缺的。
本發(fā)明的第十七方面涉及半導體基片，其特征為包括由添加鍺的硅所形成的第一層；由氧化物形成并鄰接第一層的第二層；由硅-鍺混合晶體形成并鄰接第二層的第三層，其中第三層中的鍺濃度高于第一層的鍺濃度；以及由鍺形成的第四層。
上晶片主要由本發(fā)明的制造方法制成，無需生長塊狀鍺晶體(生長塊狀鍺晶體通常需要高成本)，可在半導體上直接形成第四層，且具有若干優(yōu)點，例如極高的載體遷移率、窄帶隙、以及與III至V族化合物的晶格的優(yōu)異一致性等。當具有約100摩爾％的鍺濃度的第三層形成時，可抑制不匹配位錯的產(chǎn)生，通過蒸氣沉積作用可形成100摩爾％鍺層，因此根據(jù)本發(fā)明，鍺晶體的厚度可自由選擇，且所述鍺層可用作鍺氧化物半導體的基片。
本發(fā)明的第十八方面涉及一種制造半導體基片的方法，其至少包括如下步驟1)將鍺摻入硅原料內并通過丘克拉斯基法或區(qū)域熔煉法生長單晶的步驟，
2)將所述單晶制成晶片的步驟，3)通過離子注入法將氧離子注入所述晶片的步驟，4)通過高溫熱處理形成掩埋式氧化物薄膜的步驟，及5)在氧化氣氛中通過熱氧化處理將所述掩埋式氧化物薄膜上的晶體層變薄。
根據(jù)本發(fā)明，可以極高的生產(chǎn)率形成SGOI結構，且無需采用化學蒸氣沉積法來生長硅-鍺層，即可容易地制造本發(fā)明第一方面所預期的晶片。由于省去了外延生長硅-鍺層的步驟，位錯、表面粗度(外延生長所固有的問題)等問題得到緩和。而且，晶格常數(shù)可連續(xù)變化，而不匹配所引起的位錯和貫穿位錯(對半導體器件有害)則可得到抑制。因發(fā)現(xiàn)無需實施硅-鍺層的外延生長，所述晶片的薄膜厚度均勻性和鍺濃度均勻性都很優(yōu)異。由于所述優(yōu)異的均勻性，厚度降至低于10納米的硅-鍺層仍可保持平面內的均勻性，且可容易地制成傳統(tǒng)方法在技術上從未實現(xiàn)的極薄薄膜SCOI結構。為達到所需的鍺濃度，只需適當調節(jié)第1)步中用以摻雜的鍺濃度和第5)步中薄膜厚度的減低(即濃度的增加)。
本發(fā)明的第十九方面涉及本發(fā)明第十八方面所預期的半導體基片制造方法，其特征為在本發(fā)明第十八方面第2)步完成之后實施一個在氧化氣氛中熱氧化所述晶片的步驟，隨后實施蝕刻并清理所述晶片表面上所形成氧化物薄膜的步驟，接著實施本發(fā)明第十八方面的第3)步和本發(fā)明第十八方面的隨后步驟。
根據(jù)本發(fā)明，通過將摻有較低濃度鍺的晶體加以熱氧化，從而在該晶體的表面層部分堆積高濃度的鍺。在硅-鍺混合晶體的熱氧化處理中，優(yōu)選將硅加以氧化并將較大部分的鍺原子作為殘留物在所述基片晶體內加以擴散。因所述硅晶體內鍺的擴散系數(shù)極小，這些鍺原子并未徹底地擴散至整個基片，僅在所述基片表層部分形成具有濃縮鍺的硅-鍺層。利用這一現(xiàn)象，本發(fā)明可容易地以低成本制造具有高鍺濃度的硅-鍺混合晶體層。利用如此形成的硅-鍺層并在其上面實施所謂的注入氧分離(SIMOX)加工，可以低成本和高生產(chǎn)率，在表面層內制得具有優(yōu)質硅-鍺層的SGOI結構。
本發(fā)明的第二十方面涉及一種用以制造本發(fā)明第十八或第十九方面所預期的半導體基片的方法，其特征為在熱氧化加工期間，氧化氣氛中至少含有水汽。
通常，在蒸汽環(huán)境中氧化處理的速度高且生產(chǎn)率極佳。因其可在短時間內形成預期的氧化物薄膜且可防止表面上的濃縮鍺在所述塊狀基片內發(fā)生擴散，從而在表面層上形成高鍺濃度層。
本發(fā)明的第二十一方面涉及一種用以制造本發(fā)明第二十方面所預期的半導體基片的方法，其特征為在熱氧化加工中，溫度不低于900℃且不高于熔點，且氧化時間不少于30分鐘。
在氧化期間若溫度降至低于900℃，則增加鍺濃度所需時間長，溫度的降低將造成生產(chǎn)率的大幅下降。為制得品質優(yōu)良的晶體，需要將氧化溫度控制在低于熔點。因熔點隨鍺濃度的增加而降低，所述溫度的上限必須與相關的濃度相符。即使當熔點足夠高時，氧化處理的溫度最好也不高于1300℃。若溫度超過1300℃，鍺的擴散速率增加，濃縮的鍺會擴散并消失在基片中。因此，進一步增加溫度，也無明顯成效。
若氧化時間少于30分鐘，在上述溫度范圍內，鍺的濃度將難以產(chǎn)生足夠的效果。
下面將對熱氧化期間的濃度處理加以具體說明。眾所周知，在熱氧化期間氧化物薄膜的厚度Tox對時間t通常具有下列關系Tox2+A×Tox＝B×t在該公式中，B代表所謂“拋物線型速度常數(shù)”的量，該值是由氧化期間的溫度、壓力及環(huán)境決定。在氧化處理期間鍺向深度方向的分布可由下式計算。
(公式1)∂C∂t=D∂2C∂x2+0.441∂Tox∂t∂C∂x]]>在該算式中，C代表鍺的濃度，D是鍺的擴散系數(shù)，x是自表面氧化物薄膜與所述晶體間的界面算起的深度，t是時間。假設將氧化處理所蝕刻的硅-鍺層中的所有鍺原子都掃至所述晶體側，則可以確定x＝0的邊界條件，以將所有鍺原子都保留在晶體層內。在厚度為T1的表層(x＝0～T1的層)內的平均鍺濃度可約略地表示如下。
(公式2)C0(1+α(1-erf(β)+1βπ(1-exp(-β2))))]]>在公式2中，C0代表氧化處理前的初始鍺濃度，α和β代表下面的量。
α=0.39BD,]]>β=T12Dt]]>根據(jù)該公式，可發(fā)現(xiàn)氧化處理期間的最佳時間—溫度條件。舉例來說，若氧化處理時間設定為8小時，1100至1150℃的溫度可最大程度地提升鍺濃度。若氧化處理時間設定為2小時，1200℃的溫度可最有效地提升濃度。
本發(fā)明的第二十二方面涉及一種用以制造本發(fā)明第二十一方面所預期的半導體基片的方法，其特征為由熱氧化處理方法制得的氧化物薄膜的厚度不低于1微米。
通過調節(jié)上述氧化物薄膜的厚度，可形成硅-鍺層，該層中的鍺濃度可滿足由SIMOX法制備SGOI晶片的需要。
本發(fā)明的第二十三方面涉及一種制造半導體基片的方法，其特征為通過汽相沉積再將一應變硅薄膜沉積在本發(fā)明第二十二方面所制得的半導體基片上。
根據(jù)本發(fā)明，可形成品質優(yōu)良的應變硅薄膜，并提高所述MOS期間溝道中載流子的遷移率。
因此，本發(fā)明的第二十四方面涉及一種制造半導體基片的方法，其特征為通過本發(fā)明的第十八方面的方法將掩埋式氧化物薄膜上晶體層內的鍺濃度提高至不低于95摩爾％，并通過汽相沉積技術進一步沉積一鍺薄膜。
根據(jù)本發(fā)明，若形成了鍺濃度約接近100摩爾％的第三層，即可用汽相沉積在其上面形成100摩爾％的鍺層，而且可抑制因不匹配而引起的位錯。本發(fā)明可自由地選擇鍺晶體層的厚度，且可制造出適于形成鍺MOS半導體的基片。
本發(fā)明涉及含有硅-鍺混合晶體的異質-半導體結構及其制造方法，使用本發(fā)明的異質-半導體結構可以低成本形成品質優(yōu)良的SGOI結構，而無需通過汽相沉積來形成硅-鍺晶體層或生長目前所用的無定形層或多晶層。
具體實施例方式
實施例下面將詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。下列所述鍺濃度均以摩爾％表示。
實施例1使用硅和鍺作原料，通過丘克拉斯基法生長5條具有不同鍺組成比的單晶棒。將其中4條在無位錯的情況下生長的單晶棒，按照與普通硅晶片相同的方式加以切片、研磨、蝕刻、拋光和清理，從而制得試驗用晶片。使用SIMS(二次離子質譜儀)測試從這些晶片中選出的試樣。所得測試結果以及生長后位錯的存在與否如表1所示。
隨后，在蒸汽環(huán)境中，在1150℃溫度下，將來自晶體1至4的試驗晶片分別加以氧化，歷時16個小時。所形成的氧化物薄膜的厚度為3.1微米。接著，對這些試樣施以所謂的低劑量SIMOX加工。具體而言，利用離子注入器，以4.0×1011個原子/平方厘米的劑量，將氧離子注入這些試樣內，隨后在氬和微量氧的混合氣氛中，在1350℃溫度下對這些晶片進行熱處理，歷時10小時，以誘發(fā)其中掩埋式氧化物薄膜的形成。在含氧氣氛中將這些晶片進一步加以氧化，以將所述掩埋式氧化物薄膜上的晶體層減薄至32納米。在濃縮作用過程中，在不超過熔點的溫度下(即對來自晶體1至3的晶片的處理溫度為1200℃，對來自晶體4的晶片的處理溫度為1100℃)實施氧化處理。用稀氫氟酸將所形成的氧化物薄膜從這些晶片上移除。通過二次離子質譜測量這些晶片試樣的SGOI層(直接位于掩埋式氧化物薄膜上面的表面晶體層)中的鍺濃度。所得結果如表2所示。
通常，就實用性而言，優(yōu)選SGOI中的鍺濃度不低于15％。已發(fā)現(xiàn)試樣3A和4A可獲得高的鍺濃度。而且發(fā)現(xiàn)所有試樣均具有優(yōu)良的平面內鍺濃度分布，濃度分布偏差均在5％以內。另外，還利用分光橢圓計測量這些試樣的平面內薄膜厚度分布，并獲得非常好的測量結果薄膜厚度的起伏變化為2.8％，且最大及最小薄膜厚度的差為0.7納米。
隨后，對所制試樣進行AFM(原子力顯微鏡)觀察以測定表面粗度。經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)在40×40微米的掃描范圍內的均方根值為1.9納米。
之后，在試樣3A上，通過汽相沉積技術，沉積一薄膜厚度為15納米的硅層。為測定在所述硅層中產(chǎn)生的應變，對如此沉積的硅層進行拉曼散射測試。結果發(fā)現(xiàn)這些硅層所具有的應變在理論上與其鍺濃度是相符合的。因此，發(fā)現(xiàn)隨后所制應變硅晶片的品質甚佳。
另外，為測定結晶性，使用透射電子顯微鏡對所述試樣的橫斷面進行觀察。該項觀察中，在形成最上表層的應變硅層內和位于其下方的硅-鍺層內均未發(fā)現(xiàn)因不匹配所產(chǎn)生的可辨識的位錯。由此可知所制晶體層的品質亦甚優(yōu)良。
采用合適的蝕刻技術對厚度約為0.5微米的包含應變硅層的表層中的貫穿位錯密度進行測量。結果發(fā)現(xiàn)所述試樣的貫穿位錯密度為7×104個/平方厘米。
實施例2將得自實施例1中所生長的晶體1至4的晶片，在與實施例1中相同的蒸汽環(huán)境中，在1150℃的溫度下氧化16小時，并在其中注入氧離子，然后進行熱處理以形成掩埋式氧化物薄膜。隨后，在本實施例中，將所述掩埋式氧化物薄膜上的晶體層減薄至25納米。用氫氟酸將所形成的氧化物薄膜移除之后，使用二次離子質譜儀分別測量這些試樣的SGOI層中的鍺濃度。所得結果如表3所示。
結果發(fā)現(xiàn)不僅晶體3和4而且初始鍺濃度較低的晶體也可形成具有極高濃度的SGOI層。
隨后，在試樣3A’上，通過汽相沉積技術沉積膜厚為15納米的薄硅層。為測定在所述硅層中產(chǎn)生的應變，對如此沉積的硅層進行拉曼散射測試。結果發(fā)現(xiàn)這些硅層所具有的應變量與理論應變量幾乎完全相符。因此，所制應變硅晶片的品質甚佳。
使用透射電子顯微鏡對所述試樣的橫斷面進行觀察并對其進行選擇性蝕刻。結果，在形成最上表層的應變硅層內和位于其下方的硅-鍺層內均未發(fā)現(xiàn)因不匹配所產(chǎn)生的可辨識的位錯。而且發(fā)現(xiàn)所述試樣的貫穿位錯密度分別為9×104個/平方厘米。
實施例3
在蒸汽環(huán)境中和1200℃溫度下，將得自實施例1的在無位錯情況下生長的晶體1至4的晶片加以氧化，歷時2小時。所形成的氧化薄膜的厚度為0.9微米。在與上述相同的條件下，對這些試樣施以氧離子注入和熱處理，以形成掩埋式氧化物薄膜。隨后，將所述掩埋氧化物薄膜上的晶體層減薄至25納米。在減薄該薄膜的過程中的氧化處理溫度與實施例1中相同。在用氫氟酸將所形成的氧化物薄膜移除之后，使用二次離子質譜儀測量每個試樣的SGOI層中的鍺濃度。所得結果如表4所示。
結果發(fā)現(xiàn)由晶體1、2和3所制試樣1B、2B和3B中的鍺濃度頗為不足，而由晶體4所制試樣4B則可制得具有足夠高的鍺濃度的硅-鍺層。濃度的起伏在5％以內。薄膜厚度的起伏為2.4％，而且最大和最小薄膜的厚度差為0.6納米(合格量)。
以與實施例1中相同的方式測量這些試樣的表面粗度，發(fā)現(xiàn)均方根值為1.5納米。
隨后，在試樣4B上，通過汽相沉積技術沉積膜厚為15納米的薄硅層。為測定在所述硅層中產(chǎn)生的應變，對如此沉積的硅層進行拉曼散射測試。結果發(fā)現(xiàn)這些硅層所具有的應變量與理論應變量幾乎完全相符。因此，所制應變硅晶片的品質甚佳。
另外，使用透射電子顯微鏡對所述試樣的橫斷面進行觀察并對其進行選擇性蝕刻。結果，在形成最上表層的應變硅層內和位于其下方的硅-鍺層內均未發(fā)現(xiàn)因不匹配所產(chǎn)生的可辨識的位錯。而且發(fā)現(xiàn)所述試樣的貫穿位錯密度為3×104個/平方厘米。
比較例1在蒸汽環(huán)境中和1350℃溫度下，將得自實施例1的同樣晶體1至4的晶片加以氧化，歷時8小時。如此形成的氧化物薄膜的厚度為2.4微米。對這些試樣施以氧離子注入和熱處理以形成掩埋式氧化物薄膜。隨后，將所述掩埋式氧化物薄膜減薄至25納米。所述氧化處理的溫度設定在1200℃。使用二次離子質譜儀測量每個試樣的SGOI層中的鍺濃度。所得結果如表5所示。
結果，雖然所用的溫度高于實施例2中的溫度，所用時間比實施例2中所用的時間更長，但發(fā)現(xiàn)鍺濃縮的效果卻較低。造成鍺濃縮效果降低的原因是由于溫度太高，鍺以足夠高的擴散速率得到充分擴散，并造成基片內鍺的消失。
比較例2在蒸汽環(huán)境中和1250℃溫度下，將得自實施例1的在無位錯情況下生長的晶體1至4的晶片加以氧化，歷時20分鐘。所形成的氧化物薄膜的厚度為0.4微米。在與上述相同的條件下，對這些試樣施以氧離子注入和熱處理以形成掩埋式氧化物薄膜。隨后，將該掩埋式氧化物薄膜上的晶體層減薄至25納米。所述氧化處理的溫度設定在1200℃。在將所形成氧化物薄膜移除之后，使用二次離子質譜儀測量每個試樣的SGOI層中的鍺濃度。所得結果如表6所示。
結果，所有試樣的鍺濃度均不足。這時由于氧化處理的時間過短，而鍺的濃縮效果較弱。若拉晶過程中鍺的濃度低，則必須延長氧化處理時間。
比較例3在蒸汽環(huán)境中和850℃溫度下，將得自實施例1的在無位錯情況下生長的晶體1至4的晶片加以氧化，歷時4小時。所形成的氧化物薄膜的厚度為0.3微米。在與上述相同的條件下，對這些試樣施以氧離子注入和熱處理以形成掩埋式氧化物薄膜。隨后，將該掩埋式氧化物薄膜上的晶體層減薄至25納米。所述氧化處理的溫度設定在1200℃。使用二次離子質譜儀測量每個試樣的SGOI層中的鍺濃度。所得結果如表7所示。
結果，所有試樣的鍺濃度均不足。這時由于氧化處理的溫度過低，而鍺的濃縮效果較弱。若拉晶過程中鍺的濃度低，則必須升高氧化處理的溫度。
比較例4在干氧環(huán)境中和1200℃溫度下，將得自實施例1的在無位錯情況下生長的晶體1至4的晶片加以氧化，歷時1小時。所形成的氧化物薄膜的厚度為0.2微米。在與上述相同的條件下，對這些試樣施以氧離子注入和熱處理以形成掩埋式氧化物薄膜。隨后，將該掩埋式氧化物薄膜上的晶體層減薄至25納米。所述氧化處理的溫度設定在1200℃。使用二次離子質譜儀測量每個試樣的SGOI層中的鍺濃度。所得結果如表8所示。
結果，所有試樣的鍺濃度均不足。這是由于在干氧環(huán)境中，與鍺擴散速率相比，氧化處理的速率太低。
比較例5在蒸汽環(huán)境中和1250℃溫度下，將得自如實施例1至5中的在無位錯情況下生長的晶體1至3的晶片加以氧化，歷時2小時。所形成的氧化物薄膜的厚度為1.0微米。在與上述相同的條件下，對這些試樣施以氧離子注入和熱處理以形成掩埋式氧化物薄膜。隨后，將該掩埋式氧化物薄膜上的晶體層減薄至70納米。對于得自晶體5的晶片，氧化處理溫度為1200℃；對于得晶體6和7的晶片，則氧化處理溫度為1100℃。使用二次離子質譜學的方法測量每個試樣的SGOI層中的鍺濃度。所得結果如表9所示。
結果，所有試樣的鍺濃縮效果均不足。這是由于最終形成的晶體層的厚度過大，因而濃縮的效果均不足。
實施例4對自實施例1中所生長的晶體3和4的晶片施以氧離子注入和熱處理，以形成掩埋式氧化物薄膜。在本實施例中，沒有進行氧離子注入前的氧化處理和移除氧化物薄膜的操作。隨后，通過氧化處理將掩埋式氧化物薄膜上的晶體層減薄至10納米。所述氧化處理的溫度設定在1100℃。在用氫氟酸移除所形成的氧化物薄膜之后，使用二次離子質譜學的方法測量每個試樣的SGOI層中的鍺濃度。所得結果如表10所示。
結果表明，若拉晶過程中鍺濃度足夠高，在氧離子注入的前無需實施任何氧化處理也可制得具有足夠高鍺濃度的SGOI層。
實施例5在蒸汽環(huán)境中和1150℃溫度下，將得自實施例1中所生長的晶體5的晶片加以氧化，歷時16小時。如實施例1，所形成的氧化物薄膜的厚度為3.1微米。隨后，對所述試樣施以低劑量SIMOX加工，并通過ITOX法將掩埋式氧化物薄膜上的晶體層減薄至5納米。測量該試樣的減薄后晶體層內的鍺濃度，發(fā)現(xiàn)濃度為99％。在蝕刻除去所述表面氧化物薄膜后，通過汽相沉積技術在其上面沉積0.2微米厚的鍺薄膜。隨后使用透射式電子顯微鏡對所述試樣的橫斷面進行觀察以測定結晶性，發(fā)現(xiàn)所生長的晶體為單晶，而且沒有位錯。
表1

表2實施例1

表3實施例2

表4實施例3

表5比較例1

表6比較例2

表7比較例3

表8比較例4

表9比較例5

表10比較例4

權利要求
1.一種半導體基片，其特征為包括由添加鍺的硅所形成的第一層、由氧化物形成并鄰接第一層的第二層以及由硅-鍺混合晶體形成并鄰接第二層的第三層。
2.如權利要求1的半導體基片，其中所述第一層的厚度對應于晶片的厚度。
3.如權利要求1的半導體基片，其中所述第一層內的鍺濃度不低于0.05摩爾％且不高于5摩爾％，優(yōu)選不低于0.2摩爾％且不高于1摩爾％。
4.如權利要求1的半導體基片，其中所述第一層是單晶。
5.如權利要求1的半導體基片，其中所述第二層是具有電絕緣特性的氧化硅。
6.如權利要求1的半導體基片，其中所述第二層的厚度至少不低于80納米。
7.如權利要求1的半導體基片，其中所述第三層是單晶。
8.如權利要求1的半導體基片，其中所述第三層的厚度不低于1納米且不高于50納米。
9.如權利要求1的半導體基片，其中所述第三層中的鍺濃度不低于15摩爾％且不高于100摩爾％。
10.如權利要求1的半導體基片，其中所述第一層不含晶體原生顆粒。
11.如權利要求1的半導體基片，其中所述第三層不含晶體原生顆粒。
12.如權利要求1的半導體基片，其中到達所述第三層表面的位錯密度不超過1×105個/平方厘米。
13.如權利要求1的半導體基片，其中所述第三層的粗度是在40×40微米內的均方根值不超過5納米。
14.如權利要求1的半導體基片，其中所述第三層的厚度起伏變化不超過5％或不超過2.5納米。
15.如權利要求1的半導體基片，其中所述第三層內鍺濃度的起伏變化不超過5％。
16.如權利要求1的半導體基片，其中在鄰接所述第三層處形成一應變硅層。
17.如權利要求1的半導體基片，其中在鄰接所述第三層處形成一鍺層。
18.一種制造半導體基片的方法，其至少包括如下步驟1)將鍺摻入硅原料內并通過丘克拉斯基法或區(qū)域熔煉法生長單晶的步驟，2)將所述單晶制成晶片的步驟，3)通過離子注入法將氧離子注入所述晶片的步驟，4)通過高溫熱處理形成掩埋式氧化物薄膜的步驟，及5)在氧化氣氛中通過熱氧化處理將所述掩埋式氧化物薄膜上的晶體層變薄。
19.如權利要求18的方法，其中在第2)步完成之后實施在氧化氣氛中對所述晶片進行熱氧化處理的步驟，隨后實施蝕刻并清理所述晶片表面上形成的氧化物薄膜的步驟，然后實施第3)步。
20.如權利要求18或19的方法，其中所述熱氧化處理步驟的氧化氣氛中至少含有水蒸汽。
21.如權利要求20的方法，其中熱氧化處理的溫度不低于900℃且不高于熔點，并且氧化時間不少于30分鐘。
22.如權利要求21的方法，其中在熱氧化處理步驟中形成的氧化物薄膜的厚度不低于1微米。
23.一種制造半導體基片的方法，其還包括通過汽相沉積在由權利要求22的方法所制得的半導體基片上沉積應變硅薄膜的步驟。
24.一種制造半導體基片的方法，其特征為將按照權利要求18的方法所制得的掩埋式氧化物薄膜上的晶體層內的鍺濃度增至不低于95摩爾％，并通過汽相沉積在其上面進一步沉積一鍺薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有硅絕緣膜結構的異質半導體結構，所述硅絕緣膜結構含有硅－鍺混合晶體，以及以低成本高生產(chǎn)率制造所述半導體結構的方法。為此本發(fā)明提供了一種半導體基片，其中包括由添加鍺的硅所形成的第一層、由氧化物形成并鄰接第一層的第二層以及由硅－鍺混合晶體形成并鄰接第二層的第三層；及其制造方法。
文檔編號H01L21/762GK1638133SQ20041006159
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月27日 優(yōu)先權日2003年12月25日
發(fā)明者約瑟夫·布倫納, 出合博之, 碇敦, 馬丁·格拉斯爾, 松村篤樹, 維爾弗里德·馮·阿蒙 申請人:硅電子股份公司