專利名稱：形成導熱性改善的應變硅材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子器件的制造，尤其涉及用于形成應變Si和SiGe合金膜的方法，其中SiGe合金膜具有改善的導熱性。
背景技術(shù)：
對于在高性能CMOS器件中的使用，具有拉伸應變的硅層令人感興趣。應變硅層中得到改善的電荷載流子遷移率可以增強FET性能(更高的導通狀態(tài)電流)而無需在器件中進行幾何縮放。應變硅層一般是通過在松弛的硅鍺(SiGe)層上生長Si層而形成的。取決于器件的應用，SiGe層既可以在體硅襯底上生長，也可以形成在絕緣層的頂部以形成絕緣體上硅鍺(SGOI)晶片。松弛SiGe層上的應變硅可以被視為Si/SiGe雙層結(jié)構(gòu)。
不管襯底是如何制造的，在Si/SiGe雙層結(jié)構(gòu)中制造器件的主要障礙在于SiGe合金材料的導熱性差。已經(jīng)表明，這會降低在該雙層結(jié)構(gòu)上制造的晶體管的電學特性。由于熱量不能象在純Si的情況下那樣盡快地被帶走，器件溝道區(qū)中的溫度上升，從而降低電荷載流子的遷移率。
一般，構(gòu)成晶格的原子的質(zhì)量的變化會縮短晶體內(nèi)振動量子(聲子，phonon)的壽命，這進而會導致導熱性降低。在SiGe無序合金(random alloy)的情況下，Si和Ge原子之間的質(zhì)量變化，以及Si和Ge的各種同位素之間的質(zhì)量變化，都導致導熱性的降低。在典型的天然Si和Ge的無序SiGe合金中，Si有三種同位素28Si、29Si和30Si，Ge有五種同位素70Ge、72Ge、73Ge、74Ge和76Ge。通過在SiGe形成時使用同位素豐富的氣源，分別使Si和Ge的同位素質(zhì)量變化最小化，可以改善SiGe材料的導熱性。美國專利申請公開說明書2004/0004271(Fukuda等)提出了通過使用28Si和70Ge的同位素濃度均大于95％的硅烷(SiH4)和鍺烷(GeH4)氣體進行淀積來形成SiGe層。在該SiGe層上淀積Si層(也可以是富含同位素的)。這種技術(shù)形成應變硅在同位素質(zhì)量差異小的松弛SiGe合金層、體硅襯底或者SOI襯底上的雙層結(jié)構(gòu)。圖1和圖2圖示了這種技術(shù)在SOI襯底上的應用。典型的SOI襯底10具有在Si襯底1上的絕緣層2和襯底層3(圖1)。在淀積工藝中使用用于形成富含同位素的Si和Ge的源氣體21、22，以形成無序SiGe合金層4(圖2)。同位素的富集是為了減小SiGe層的質(zhì)量變化，從而提高導熱性。
可以使用一種熱混合工藝(如Bedell等人轉(zhuǎn)讓給與本申請相同的受讓人的美國專利申請No.10/055,138所述)混合襯底層3與質(zhì)量變化減小了的SiGe層4，以產(chǎn)生在絕緣體2上的松弛SiGe層5(圖3)。這種結(jié)構(gòu)因此可以視為松弛的絕緣體上SiGe(SGOI)襯底，在上面可以形成Si層6以提供應變硅層，如圖4所示。
為了在CMOS器件中實現(xiàn)應變硅層的好處，需要提供SiGe合金層中的導熱性得到改善的Si/SiGe雙層結(jié)構(gòu)。希望形成質(zhì)量變化減小的松弛SiGe層，而不會增加使用用于Si和Ge的富含同位素源氣體的復雜度和費用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種在襯底上形成SiGe層的方法，其中，SiGe層具有比SiGe的無序合金更好的導熱性。在該方法中，在第一淀積步驟中在襯底上淀積Si或者Ge的第一層；在第二淀積步驟中，在所述第一層上淀積另一種元素的第二層；重復所述第一淀積步驟和第二淀積步驟，以形成具有多個Si層和多個Ge層的組合SiGe層。各Si層和各Ge層各自的厚度依據(jù)所希望的組合SiGe層的組成比確定(例如，一般實現(xiàn)的是1∶1的比例，Si和Ge層分別為大約10埃厚，以形成Si0.5Ge0.5層)。盡管Si和Ge層有應變，但是它們足夠薄，因此在其中不形成應變釋放(應變消除)位錯。所述組合SiGe層的特征在于Si和Ge的數(shù)字化合金(數(shù)位合金，digital alloy)具有優(yōu)于Si和Ge的無序合金的導熱性。這種方法可以進一步包括在組合SiGe層上淀積Si層的步驟，所述組合SiGe層的特征在于是松弛的SiGe層，而所述Si層是應變硅層。為了在SiGe層中獲得更好的導熱性，所述第一層和所述第二層的淀積可以使得每一層都基本上由單一同位素組成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造半導體器件的方法。該方法包括在襯底上形成SiGe的數(shù)字化合金層的步驟以及在SiGe的數(shù)字化合金上形成Si層的步驟。SiGe的數(shù)字化合金具有優(yōu)于Si和Ge的無序合金的導熱性。所述數(shù)字化合金層的特征還可以在于是松弛的SiGe層，而所述Si層是應變硅層。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述數(shù)字化合金層包括多個Si和Ge的交替的亞層。這些亞層形成的厚度依據(jù)所希望的SiGe數(shù)字化合金的組成比確定。每一個亞層可以基本上由單一同位素組成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種半導體器件，其包括在襯底上的SiGe數(shù)字化合金層以及在該SiGe數(shù)字化合金上的Si層，其中，SiGe數(shù)字化合金具有優(yōu)于Si和Ge的無序合金的導熱性。所述數(shù)字化合金層的特征可以在于是松弛的SiGe層，而所述SiGe層上的Si層是應變硅層。所述數(shù)字化合金層包括多個交替的Si和Ge亞層。所述襯底可以是體硅襯底、在體硅襯底上生長的無序SiGe合金層，或者SOI或SGOI結(jié)構(gòu)。


圖1是典型的SOI結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2圖解了使用富含同位素的Si和Ge源的SiGe層形成技術(shù)；圖3是通過SiGe和Si層的熱混合形成的絕緣體上SiGe(SGOI)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4圖解了SGOI襯底上的應變硅層；圖5是根據(jù)本發(fā)明，用于在SOI或者SGOI襯底上形成質(zhì)量變化小的數(shù)字化SiGe合金層的方法的示意圖；
圖6圖解了在圖5中的SiGe合金層上淀積的應變硅層。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明，在襯底(一般是體硅、在體硅上生長的SiGe、SOI或者SGOI)上形成SiGe合金層；該SiGe合金層具有比無序SiGe合金層小的質(zhì)量變化，從而有更高的導熱性。這是通過將SiGe層形成有序的數(shù)字化合金而不是無序合金而實現(xiàn)的。
圖5圖解了用本發(fā)明的方法形成的SiGe數(shù)字化合金。襯底10(這里圖示的是具有在體襯底1上的絕緣體2和襯底層3的SGOI結(jié)構(gòu))被置于處理室中，在處理室中，可以使用Si和Ge源51、52在襯底上淀積Si或Ge層?？梢允褂酶鞣N淀積技術(shù)，包括超高真空CVD(UHVCVD，ultrahigh-vacuum CVD)和低溫外延生長(LTE)(優(yōu)選在低于650攝氏度的溫度)。
在襯底上淀積Si的薄層41，在層42上淀積Ge的薄層42。淀積Si和Ge交替的層43、44等，直到達到所需的Si/Ge總厚度。根據(jù)所需的組成比調(diào)整Si和Ge層的相對厚度。例如，如果總體的SiGe層要有90％的Si，則一般Si層41和43可以分別是90埃厚而Ge層42、44可以分別是10埃厚。Si和Ge層的總數(shù)取決于所要的組合層50的厚度，該厚度從幾百埃到微米級不等，取決于器件的應用。例如，如果SiGe層要有50％的Si并有500埃厚，則一般會有50個Si和Ge的10埃厚的亞層(Si、Ge各25層)。亞層的最佳厚度主要取決于以平面方式生長這些層同時使形成的缺陷最少的能力。因為Si和Ge亞層一般會有應變，所以存在這樣一個厚度超過該厚度，就會形成應變釋放(應變消除)位錯。對于面內(nèi)晶格參數(shù)(in-plane latticeparameter)(平行于襯底表面)接近松弛Si的面內(nèi)晶格參數(shù)的襯底，Ge亞層不能超過10到20埃，但是Si亞層可以達到幾百埃。對于面內(nèi)晶格參數(shù)接近松弛Ge的面內(nèi)晶格參數(shù)的襯底，Si亞層不能超過10到20埃，但是Ge亞層可以達到幾百埃。
還希望限制襯底層3(例如，如果襯底是SGOI襯底，則層3本身是SiGe層)中質(zhì)量變化的效應。這可以在淀積Si/Ge亞層41、42等之前完成通過使層3變薄(例如通過拋光)而使得層3的厚度只是層50的厚度的一小部分。在上面給出的例子中，層50是500埃厚并包括Si和Ge的各25個亞層，層3可以被減薄到50埃。
所述組合層50，包括所有的Si和Ge交替的亞層，可以被視為超晶格，更具體地是SiGe的有序合金或者說數(shù)字化合金。應當注意，由于每一亞層都只有一種元素，因此組合層中的質(zhì)量變化小于無序合金層中的質(zhì)量變化。因此，Si/Ge組合層50的導熱性優(yōu)于傳統(tǒng)方法淀積的SiGe層。
在本實施方式中，襯底的上層3是SGOI結(jié)構(gòu)中的SiGe層，第一個淀積的亞層41是Si。按照現(xiàn)有技術(shù)中的理解，這種方案的優(yōu)點是襯底和被淀積的層之間的界面更優(yōu)，具體地，Si的生長傾向于減少生長界面上的氧量，從而得到更高質(zhì)量的晶體層。
或者，如果需要，首先淀積的亞層可以是Ge。如上面所注意到的，Si/Ge層50也可以形成在體硅上、體襯底上已有的SiGe層上，或者SOI襯底上。
由于由用作生長模板的襯底層3的面內(nèi)晶格參數(shù)決定的晶格失配，每一個亞層42、43、44等都會有應變。例如，如果襯底層3是完全松弛的Si0.5Ge0.5層，則Si亞層會具有大約2.0％的拉伸應變，Ge亞層會具有大約2.2％的壓縮應變。但是，組合層50總體上具有實際上為零的應力，并且對于形成應變硅層的目的，用作松弛SiGe層。這樣，在層50上淀積的Si層61將是應變硅層(見圖6)，Si/SiGe組合61、50將具有比SiGe為無序合金的Si/SiGe雙層更好的導熱性。
在本實施方式中，由源51、52(例如分別是SiH4和GeH4氣體)供應的Si和Ge沒有富集同位素。但是，可以使用富集同位素的源來在各個Si和Ge亞層中實現(xiàn)非常小的質(zhì)量變化，從而進一步改善Si/Ge層50的導熱性。
工業(yè)實用性本發(fā)明可應用于要在SiGe合金亞層上的應變硅層中形成器件的高性能半導體器件的制造。具體地，本發(fā)明可應用于希望提高SiGe的導熱性的SiGe合金的形成。
上面就具體的實施方式描述了本發(fā)明，但是從前面的說明顯然可知，大量的替代方案、修改和變化對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是顯然的。因此，本發(fā)明應涵蓋所有這些落在本發(fā)明及所附權(quán)利要求的實質(zhì)范圍內(nèi)的替代方案、修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種在襯底(10)上形成SiGe層的方法，包括以下步驟在第一淀積步驟中淀積Si和Ge中的一種的第一層(41)；在第二淀積步驟中，在所述第一層上淀積Si和Ge中的另一種的第二層(42)；以及，重復所述第一淀積步驟和第二淀積步驟，以形成具有多個Si層和多個Ge層(41-44)的組合SiGe層(50)，其中，各Si層和各Ge層各自的厚度依據(jù)組合SiGe層(50)的所希望的組成比確定，并且，所述組合SiGe層(50)的特征在于是具有優(yōu)于Si和Ge的無序合金的導熱性的Si和Ge的數(shù)字化合金。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，Si層和Ge層中的每一層的厚度使得在該層中不形成應變釋放位錯。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括下述步驟在組合SiGe層(50)上淀積Si層(61)，其中，所述組合SiGe層(50)的特征還在于是松弛的SiGe層，而所述Si層(61)是應變硅層。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述襯底(10)包括絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述襯底(10)包括絕緣體上SiGe(SGOI)結(jié)構(gòu)(1、2、3)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述襯底(10)包括覆蓋在Si襯底(1)上的SiGe層。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述襯底(10)具有上層(3)，該方法還包括在所述第一淀積步驟之前，拋光所述上層以減小其厚度的步驟。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一層和所述第二層中的至少一個基本上由單一同位素組成。
9.一種半導體器件，包括在襯底(10)上的SiGe數(shù)字化合金層(50)，以及在該SiGe數(shù)字化合金上的Si層(61)，其特征在于所述SiGe數(shù)字化合金具有優(yōu)于Si和Ge的無序合金的導熱性。
10.如權(quán)利要求9所述的器件，其中，所述數(shù)字化合金層(50)的特征在于是松弛的SiGe層，而所述Si層(61)是應變硅層。
11.如權(quán)利要求9所述的器件，其特征在于所述數(shù)字化合金層(50)包括多個交替的Si和Ge亞層(41-44)。
12.如權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于所述亞層(41-44)形成的厚度是根據(jù)SiGe數(shù)字化合金的所希望的組成比確定的。
13.如權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于每一個亞層(41-44)的厚度使得在該層中不形成應變釋放位錯。
14.如權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于每一個亞層(41-44)基本上由單一同位素組成。
15.如權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于Si亞層(41)設(shè)置在所述襯底(10)上。
16.如權(quán)利要求9所述的器件，其特征在于所述襯底(10)包括絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求9所述的器件，其特征在于所述襯底(10)包括絕緣體上硅鍺(SGOI)結(jié)構(gòu)(1、2、3)。
全文摘要
公開了一種用于在SiGe上形成應變硅層的方法，其中SiGe層具有改善的導熱性。在第一淀積步驟中，在襯底(10)上淀積Si或者Ge的第一層(41)；在第二淀積步驟中，在所述第一層上淀積另一種元素的第二層(42)；重復所述第一淀積步驟和第二淀積步驟，以形成具有多個Si層和多個Ge層(41－44)的組合SiGe層(50)。各Si層和各Ge層各自的厚度依據(jù)所希望的組合SiGe層的組成比確定。所述組合SiGe層(50)的特征在于Si和Ge的數(shù)字化合金具有優(yōu)于Si和Ge的無序合金的導熱性。該方法可以進一步包括在組合SiGe層(50)上淀積Si層(61)的步驟，所述組合SiGe層的特征在于是松弛的SiGe層，而所述Si層(61)是應變硅層。為了在SiGe層中獲得更好的導熱性，所述第一層和所述第二層的淀積可以使得每一層都基本上由單一同位素組成。
文檔編號H01L31/117GK1993819SQ200580026074
公開日2007年7月4日 申請日期2005年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月5日
發(fā)明者斯蒂芬·W.·貝戴爾, 陳華杰, 基思·福格爾, 賴安·M.·米切爾, 德溫德拉·K.·薩達納 申請人:國際商業(yè)機器公司