使用氧化、减薄和外延再生长的组合的SiGe晶格工程学的制作方法
专利名称：使用氧化、减薄和外延再生长的组合的SiGe晶格工程学的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制造半导体衬底材料的方法，特别是，涉及制造绝缘体上SiGe衬底材料的方法，其中采用晶格工程学消除SiGe厚度、Ge含量和应变松弛之间的互相依赖性。通过破坏上述参数之间的自然关系，可以制造具有选择的Ge含量、厚度和面内晶格参数的绝缘体上SiGe衬底材料。本发明的绝缘体上SiGe衬底材料可用做用于在其上产生应变Si层的晶格失配模板。这种应变Si层具有高载流子迁移率并可在高性能互补金属氧化物半导体(cmos)应用中使用。
背景技术：
在半导体工业中，近年来有使用应变Si基异质结构的高级能力以便实现用于CMOS应用的高迁移率结构。传统地，实现这一点的现有技术方法已经在厚(从大约1到大约5微米的数量级)松弛SiGe缓冲层上生长应变Si层。
不管为现有技术异质结构报道的高沟道电子迁移率，使用厚SiGe缓冲层具有与其相关的几个值得注意的缺陷。第一，厚SiGe缓冲层通常不容易与已有的Si基CMOS金属相集成。第二，缺陷密度，包括螺纹位错(TD)和失配位错，为大约105到大约108缺陷/cm2，这对于实现VSLI(超大规模集成)体衬底(非SOI)应用仍然太高。第三，现有技术结构的性能排除了SiGe缓冲层的选择生长，使得采用具有应变Si、非应变Si和SiGe材料的器件的电路是非常困难的，在有些情况下，几乎是不可能集成的。
为了在硅衬底上制造松弛SiGe材料，现有技术方法通常生长均匀的、逐级的或阶梯式的SiGe层到超过亚稳态临界厚度(即，位错形成以便减轻应力之厚度以上的厚度)之外，并允许穿过SiGe缓冲层形成失配位错，并具有相关的螺纹位错。各种缓冲结构已经用于尝试增加结构中的失配位错的长度，并由此减小TD密度。
另一现有技术方案，如在授予Ek等人的美国专利US5461243和5759898中所述的，提供具有松弛和减小缺陷密度半导体层的结构，其中新应变减轻机构操作，由此使SiGe缓冲层松弛，同时减少了在SiGe层中产生的TD。
提供低缺陷的基本上松弛绝缘体上SiGe衬底材料的另一方案例如在2002年1月23日提交的、名称为“产生用于应变Si CMOS应用的高品质松弛绝缘体上SiGe的方法”的共同未审和共同受让的美国专利申请系列号No.10/055138中公开了。在这个现有技术方案中，使用热混合工艺产生松弛SiGe层。
尽管在用于制造绝缘体上SiGe衬底材料的现有技术方法中有很多优点，但是现有技术都不能提供消除SiGe厚度、Ge含量和应变松弛即面内晶格参数之间的相互依赖性的方法，以便提供含有具有厚度、Ge含量和应变松弛的选择值的松弛SiGe层的绝缘体上SiGe衬底材料。应变松弛涉及在本发明中形成的松弛SiGe层的面内晶格参数(平行于SiGe层表面的晶格参数)。
发明内容
本发明提供一种制造绝缘体上SiGe衬底材料的方法，其中消除了SiGeGe部分(即含量)和应变松弛(即面内晶格参数)之间的互相依赖性，从而可以制造具有Ge含量、厚度和应变松弛的任意值的绝缘体上SiGe(在热力学和机械稳定性的限制内)。实际上，SiGe层中的残余应变可以为正(压缩)、负(拉伸)或零(全松弛)。这种方法有很多优点。例如，可以制造任意Ge含量的全松弛的、薄的SiGe层并用于超薄应变绝缘体上硅高性能CMOS集成电路(IC)。如果高Ge含量膜导致IC制造集成问题，可使用具有相同面内晶格参数的较低的Ge含量拉伸膜。
在又一例子中，如果将Si/SiGe双层构图成几何(尺寸)上的显微岛，正如现代SOI器件隔离技术的情况那样，如果使SiGe层松弛，通过弹性隔开，可以在进行松弛的拉伸应变下具有顶部Si层。然后可以计算为了在(拉伸)应变Si层和(压缩)应变SiGe层之间保持机械平衡而在SiGe模板内的压缩应变值。
在广义上讲，本发明提供一种形成具有预定参数的绝缘体上SiGe(SGOI)衬底的方法，包括以下步骤提供初始绝缘体上SiGe衬底材料，其包括具有选择的面内晶格参数、选择厚度参数和选择Ge含量参数的SiGe合金层，其中选择面内晶格参数具有恒定值，一个或两个参数，即SiGe合金层厚度或Ge含量具有可调值；和调节一个或两个其他参数为最终选择值，同时保持面内晶格参数。
在本发明的一个实施例中，SiGe合金层的选择面内晶格参数和选择Ge含量参数是恒定的，即固定在预选值，同时SiGe厚度是可调的。在本发明的本实施例中，使用非选择性刻蚀工艺调节SiGe合金层的SiGe厚度，所述非选择性刻蚀工艺能将SiGe厚度减薄到所希望的最终厚度值。
在本发明的另一实施例中，SiGe合金层的选择面内晶格参数是恒定的，而厚度和Ge含量都是可调的。在本发明的本实施例中，通过在SiGe合金层的表面上形成含硅层，然后使用能使硅扩散到SiGe合金层的热稀释工艺，由此减少SiGe合金层的Ge含量，同时增加厚度参数，由此调节Ge含量。稀释处理是通过扩散退火进行的，所述扩散退火能使硅层在整个SiGe合金层中是均匀的。
在第二实施例中，在SiGe合金层上生长的含硅层在用于给定面内晶格参数的临界厚度之下，以便在稀释退火期间保持保证面内晶格参数，这是非常重要的。
图1A-1B是表示本发明的一个实施例的示意图(剖面图)，其中使用非选择性刻蚀工艺将SiGe厚度减薄到所希望的厚度值。
图2是在用于各种SiGe厚度和Ge含量的绝缘体上SiGe衬底中的测量残余应变的曲线。
图3是用于三种不同膜的面内晶格膨胀和Ge含量与SiGe厚度之间的测量的曲线。
图4A-4D是表示本发明的另一个实施例的示意图(剖面图)，其中采用热稀释获得具有所希望Ge含量的SiGe合金层的绝缘体上SiGe衬底。
具体实施例方式
下面通过参照附属于本申请的附图更详细地介绍本发明，本发明提供一种制造绝缘体上SiGe衬底材料的方法，其中已经消除了SiGe厚度、Ge含量和面内晶格参数之间的相互依赖性，以便提供具有选择的所希望的SiGe厚度、Ge含量和面内晶格参数的制作的绝缘体上SiGe衬底。在附图中，相同的和相应的元件用相同的参考标记表示。
如上所述，本申请提供一种形成具有预定参数的绝缘体上SiGe衬底的方法，其包括提供初始绝缘体上SiGe衬底材料，其包括具有选择的面内晶格参数、选择厚度参数和选择Ge含量参数的SiGe合金层，其中选择面内晶格参数具有恒定值，一个或两个其它参数具有可调值；将其他参数中的一个或两个调节到最终选择值，同时保持选择面内晶格参数。
本发明提供实现上述目的的两种不同方法。在本发明的第一实施例中，具有选择Ge含量参数和选择面内晶格参数的初始绝缘体上SiGe衬底材料，所述选择Ge含量参数和选择面内晶格参数具有恒定值从而存在于最终的绝缘体上SiGe衬底中。初始绝缘体上SiGe衬底的SiGe合金层的厚度是可调的，意味着它具有不同于所希望的厚度值的值。然后通过利用非选择性刻蚀工艺调节SiGe层的厚度。减薄工艺将在小标题I、SGOI减薄下进行介绍。
在本发明的第二实施例中，首先提供具有选择面内晶格参数的初始绝缘体上SiGe衬底材料，所述面内晶格参数具有恒定值从而存在于最终的绝缘体上SiGe衬底中。初始绝缘体上SiGe衬底的SiGe合金层的Ge含量参数和厚度参数是可调的，意味着它们具有不同于所希望的Ge含量和所希望的厚度的值。然后在本发明中利用热稀释工艺将Ge含量调首先提供节到最终所希望的值。热稀释工艺将在小标题II、热稀释下进行介绍。
I SGOI减薄本发明的本实施例开始于提供具有选择Ge含量参数和选择面内晶格参数以及可调的厚度参数的初始绝缘体上SiGe衬底材料，所述选择Ge含量参数和选择面内晶格参数具有恒定值从而存在于最终绝缘体上SiGe衬底中。例如在图1A中示出了在本发明的SGOI减薄实施例中采用的初始结构。具体地说，图1A的初始绝缘体上SiGe衬底10包括含硅层12、位于含硅层12顶部的防止Ge扩散的阻挡层14和位于阻挡层14顶部的SiGe合金层16。
初始SGOI衬底10的含硅层12包括含有硅的任何半导体材料。用于含硅层12的合适的半导体材料的所示例子包括但不限于Si、SiGe、SiC、SiGeC、Si/Si、Si/SiC、Si/SiGeC、和实现的绝缘体上硅。含硅层12的厚度对于本发明的来说是不重要的。
初始SGOI衬底10的阻挡层14包括高度抵抗Ge扩散的任何绝缘材料。这种绝缘和Ge扩散抵抗材料的例子包括但不限于晶体或非晶氧化物或氮化物。阻挡层14的厚度可以改变，但是通常阻挡层14具有大约10到大约1000nm的厚度，从大约50到大约200nm的厚度是最优选的。
初始SGOI衬底10的SiGe合金层16包括硅和锗合金，其中包括高达99.99原子百分比Ge，优选SiGe合金层中的Ge含量可以从大约0.1到大约99.99原子百分比，从大约10到大约35原子百分比的Ge含量是最优选的。SiGe合金层16的另一特性是它是具有从所测量的大约1到大约100％的晶格松弛的单晶材料，其中测量的晶格松弛从大约50到大约90％是最优选的。
初始SiGe衬底10的SiGe合金层具有大约2000nm或以下的厚度，从大约10到大约200nm的厚度是最优选的。SiGe合金层16通常具有小于大约108缺陷/cm2的包括晶格失配和TD的缺陷密度。
在本发明的本实施例中，初始绝缘体上SiGe衬底10的SiGe合金层16具有恒定的和选择的面内晶格参数和恒定的选择的Ge含量以及可调的厚度参数。初始绝缘体上SiGe衬底材料10可以使用本领域技术人员公知的各种技术来形成，其中通过缺陷适中的应变减轻机理使SiGe合金层16松弛。
例如，可以使用在2002年1月23日提交的、名称为“产生用于应变Si CMOS应用的高品质松弛绝缘体上SiGe的方法”的共同未审和共同受让的美国专利申请系列号No.10/055138中公开的热混合工艺以及能形成热力学稳定绝缘体上SiGe衬底的任何其它方法。在‘138申请中公开的热混合工艺是在本发明中使用的用于形成初始绝缘体上SiGe衬底10的最优选的方法。因此，申请人将‘138申请结合在本申请中供参考。上述工艺使用缺陷适中应变减轻机理形成绝缘体上SiGe衬底。
这里优选的、在‘138申请中公开的热混合工艺通过首先在第一单晶硅层的表面上形成SiGe或纯Ge层而形成绝缘体上SiGe衬底。第一单晶硅层存在于抵抗Ge扩散的阻挡层顶部。然后在允许Ge在第一单晶硅层和SiGe或纯Ge层中互相扩散的温度下进行加热步骤，即高温氧化，由此在阻挡层顶部形成基本上松弛的、单晶SiGe层。
‘138申请的加热步骤是存在氧化环境如O2、NO、N2O、空气和其它含氧气体的情况下、在大约900℃到大约1350℃的温度下进行的。加热步骤是在氧化环境下进行的，从而实现表面氧化层的存在，该表面氧化层用做Ge原子的扩散阻挡层。一旦表面氧化层形成在该结构上之后，在阻挡层和表面氧化层之间捕获锗。随着表面氧化层的厚度增加，GE变得越来越均匀地分布于纯Ge或SiGe层以及第一单晶硅中，但是继续和有效地阻止其侵入氧化物层。除去表面氧化物层，如在‘138申请中所述的，绝缘体上SiGe衬底可以在本发明中使用，如在本发明中使用的初始绝缘体上SiGe衬底那样。
使用在‘138申请中所述的方案形成初始绝缘体上SiGe衬底10提供用于制造高品质绝缘体上SiGe衬底的成本低、容易制造的工艺。而且，使用‘138申请中公开的方法使Ge均匀化并从生长表面氧化层阻止Ge，从而保持在表面氧化物层和阻挡层之间捕获的SGOI层内的Ge。随着氧化工艺的继续进行，SGOI膜的相对Ge含量按照与SGOI厚度成反比的方式增加。在高温(大约1150℃或以上的数量级)下，发生松弛纯Ge或SiGe层的松弛，并且减轻应变的缺陷正在形成并动态地消失。SGOI膜的最终应变状态一般不是100％松弛的。由于缺陷最终使SiGe层松弛，因此在膜的弹性能量(残余应变)和减轻应变的缺陷密度之间存在平衡时，将达到热力学平衡。
尽管在形成本发明的初始绝缘体上SiGe衬底材料10时使用的技术，采用下面的原理确定初始SGOI衬底10的恒定参数位错缺陷增加了膜的总能量，因此在热力学上是无利的。在应变膜的情况下，位错缺陷的引入(和运动)还减少了膜内的应变能量。在膜的总能量降低时，在应变膜中引入位错在能量上是有利的。这通常发生在由于引入位错而导致应变能量的减少大于实际位错的产生能量(或自身能量)时。用于计算松弛SiGe应变层的最小膜能量以及最终松弛的数学程序在现有技术中有记载参见“Germanium-Silicon Strained Layers andHeterostructures”S.C.Jain，Advances in electronics and electronphysics；supplement 24.1994 Academic Press(and references therein)。从这篇现有技术理论来看，人们可以使用如下等式计算厚度为h的热力学稳定SiGe合金层的残余应变ϵres(%)=b(1-v/4)4π(1+v)hln(2hb)×100]]>其中εres是SiGe合金层中的残余应变，b是Burgers矢量(3.84埃)，v是泊松比(0.275)。这个等式假设应变减轻缺陷的几何形状是位错，其Burgers矢量与位错方向形成60度角(60度位错)。
图2所示的实线是作为厚度函数的用于SiGe层中残余(压缩)应变的上述分析等式的曲线图。而且，还示出了测量数据(实圆圈)，表示符合具有比大约500埃更厚的SiGe层的上述等式。如果需要更高的精度，可以使用通过将幂函数代入测量数据(虚线)发现的经验式，并给出如下
ϵres(%)=2290.4h1.4267]]>使用下列关系可以计算松弛(热力学稳定的)绝缘体上SiGe层的面内晶格参数fm’(％)＝fm(％)-|εres|其中fm是未松弛SiGe的失配应变，εres是由上述等式给出的SiGe层中的残余应变，fm’是百分比含量大于硅的松弛SiGe层的面内晶格参数。因此，如果然后在松弛SiGe层上生长硅层，则它将按照拉伸方式以等于|fm′|的大小进行应变。如果εres等于或大于fm，fm’将为零(它不能是负的)，这暗示着未松弛SiGe层是热力学稳定的，因此将不会松弛。
生长在硅晶格上的Si1-xGex合金层的失配应变和Ge含量之间的关系可以由简单的线性等式给出fm(％)＝4.17x或者更精确地由以下等式给出fm(%)=((0.19836)x+(0.03265)x2-(0.00436)x35.43105)×100]]>其中x是Ge与Si的原子比，并且在0(纯Si)和1(纯Ge)之间。
作为例子，如果需要具有0.60％的拉伸应变的应变硅层并且绝缘体上SiGe层的Ge含量不超过20At.％(即x＝0.20)，那么计算所需SiGe厚度如下通过上述等式计算fm为fm(20％)＝0.754％。对于fm’＝0.60％，需要(0.754-0.60)的0.154％的残余应变εres。使用参与应变的经验形式发现所需SiGe层厚度(或使用图2中的曲线进行评估)提供840埃的值。由于热混合方案保持表面氧化物和掩埋扩散阻挡层之间的总Ge含量，因此其乘积为(840×0.20＝168)的厚度和Ge含量的组合应该是生长在已提供的衬底上并用做Ge源的SiGe层(在热混合之前)。例如，可以在绝缘体上硅衬底的表面上生长x＝0.15的SiGe 1120埃，然后按照在‘138申请中所述的方式进行热混合和氧化，得到最终SGOI厚度为840埃，并且Ge含量应该是x＝0.2，同时面内晶格参数将为大于Si的0.60％。
利用非常符合上述缺陷应变平衡理论的方式发现使用热混合方案形成的SGOI层是松弛的。换言之，随着通过氧化减薄SiGe层，将达到给定的Ge含量和SGOI厚度，并且一般情况下，不是平衡的。然后产生位错，直到膜的应变能量落在新位错的产生能量之下为止；使膜返回到热力学稳定的条件中。在确定初始绝缘体上SiGe衬底的选择参数，即面内晶格参数、厚度和Ge含量时使用上述公式。
因此由热氧化形成的SGOI的通用趋势应该是最终SiGe合金必须接近于热力学稳定性的条件。这与初始SiGe厚度和Ge含量、或者最终SGOI厚度和浓度无关。最终SGOI膜当中的这个普遍性对于初始SiGe/SOI结构(图2)的很多不同组合实际上都可以观察到。图中的实线是在平衡理论(如上所述)基础上计算的残余SiGe应变，其中虚线是适合于测量数据(圆圈)的经验式。
作为利用上述方式部分地松弛的SGOI层的结果，必须知道以下推测其中SGOI厚度和Ge含量应该产生特别的面内晶格参数。图3表示测量的面内晶格参数(与Si相比)是作为其余SGOI厚度的函数用于三种不同初始结构的。
上述结构用在本发明中以便提供图1A所示的初始S绝缘体上SiGe衬底。在本第一实施例中，SiGe合金膜的面内晶格参数和Ge含量是恒定的。SiGe合金膜的厚度比所希望的更厚。为了减薄具有固定的和恒定的面内晶格参数和Ge含量的SiGe合金层，可以使用非选择性刻蚀工艺以便提供如图1B所示的结构。图1B中所示的最终绝缘体上SiGe衬底具有小于初始绝缘体上SiGe衬底中的可调厚度的最终厚度。
可以用在本发明第一实施例中的非选择性刻蚀工艺的例子包括但不限于化学机械抛光(CMP)、低温蒸汽氧化、化学刻蚀、高压氧化、外延基HCl刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、气体簇离子束刻蚀和其任何组合。
可以使用本领域公知的常规外延淀积工艺在图1B的SiGe层16的顶部形成硅层。外延硅层的厚度可以改变，但是通常情况下，外延硅层具有大约1到大约100nm的厚度，从大约1到大约30nm的厚度是更高度优选的。
在有些例子中，可以利用外延淀积工艺在图1B的SiGe层16的顶部形成附加SiGe，然后可以在附加SiGe层的顶部形成外延硅层。在SiGe层16具有比外延硅层大的面内晶格参数的情况下，该外延硅层可以利用拉伸方式进行应变。
如上所述，本发明还尝试超晶格结构以及晶格不匹配，其至少包括本发明的绝缘体上SiGe衬底材料。在超晶格结构的情况下，这些结构将至少包括本发明的基本上松弛的绝缘体上SiGe衬底材料、以及在衬底材料的基本上松弛SiGe层顶部形成的交替Si和SiGe的层。
在晶格不匹配的情况下，GaAs、GaP或其它类似化合物应该形成在本发明的绝缘体上SiGe衬底材料的基本上松弛的SiGe层。
II、热稀释在本发明的第二实施例中，首先提供具有选择的面内晶格参数的初始绝缘体上SiGe衬底材料，所述选择面内晶格参数具有恒定值从而存在于最终绝缘体上SiGe衬底中。初始绝缘体上SiGe衬底的SiGe合金层的Ge含量参数和厚度参数是可调的，意味着它们具有不同于所希望的Ge含量或层厚度的值。然后使用热稀释调节SiGe层的Ge含量。
在本发明的本实施例中使用的初始结构示于图4A中。图4A的初始绝缘体上SiGe衬底10包括含硅层12、位于含硅层12顶部的防止Ge扩散的阻挡层14和位于阻挡层14顶部的SiGe合金层16。
在本发明的第二实施例中，初始SGOI衬底10的SiGe合金层16具有恒定的和选择的面内晶格参数和可调的层厚度和Ge含量参数。初始绝缘体上SiGe衬底10可以使用上述各种技术来制造，并且在确定初始结构的各个参数时可以使用上述公式以及推测。在本发明的优选实施例中，使用在‘138申请中公开的热混合工艺形成初始绝缘体上SiGe衬底。
接着，如图4B所示，在SiGe合金层16的表面上形成含硅层18，含硅层18具有在用于给定面内晶格参数的临界厚度以下的厚度。具体地说，含硅层18是使用本领域公知的常规外延淀积工艺形成的，并且生长的含硅层18具有从大约1到大约100nm的厚度，其中从大约5到大约50nm的厚度是更高度优选的。这里使用的术语“含硅”表示Si(单晶或多晶)或SiGe。通过首先计算含硅层18和SiGe合金层16之间的失配应变，然后使用残余应变等式(或曲线)以确定与该应变值对应的层厚，由此可以发现含硅层18的临界厚度。
图4C表示任选实施例，其中覆盖层20形成在含硅层18顶部。覆盖层20是能限制环境气体暴露于含硅层18表面的晶体或非晶氧化物或氮化物层。任选的覆盖层20可以具有任何厚度，但是通常任选的覆盖层20具有从大约10到大约1000nm的厚度，从大约50-大约500nm的厚度是更高度优选的。任选的覆盖层20可以是利用任何常规淀积工艺形成的，或者可以使用热生长工艺在含硅层18顶部形成任选的覆盖层20。
在形成图4B或4C所示的结构之后，然后在允许Si从含硅层18扩散到SiGe层16中以便使初始SiGe层16的Ge含量减少到所希望的Ge含量的温度下加热该结构，即退火。应该指出的是，稀释退火使SiGe层16和含硅层18中的硅均匀化。图4D表示在图4B所示的结构上进行稀释退火步骤之后的最终结构。
具体地说，本发明的加热步骤是在大约800℃到大约1350℃的温度下进行的退火步骤，其中从大约900℃到大约1200℃的温度是更高度优选的。而且，本发明的稀释步骤是在惰性气体如He、Ar、N2、Xe、Kr或Ne中进行的。本发明中还尝试了上述惰性气体的混合物。在存在任选覆盖层20的实施例中，可以在存在稍微氧化的环境中进行热稀释。
可以在可变时间周期内进行加热步骤，其中所述时间通常为从大约10到大约1800分钟的范围内，并且从大约60到大约600分钟的时间周期是更高度优选的。加热步骤可以在单目标温度下进行，或者可以采用使用各种倾斜率和保温次数的各种倾斜和保温循环。
如果最终的SiGe层太厚，则可以使用上述的非选择性刻蚀工艺将SiGe层16减薄到最终所希望的厚度。
可以使用本领域公知的常规外延淀积工艺在图4D的SiGe层16顶部形成硅层。该外延硅层的厚度可以改变，但是通常情况下，该外延硅层具有从大约1到大约100nm的厚度，从大约1到大约30nm的厚度是更高度优选的。
在有些情况下，可以使用外延淀积工艺在图4D的SiGe层16的顶部形成附加SiGe，然后可以在附加SiGe层顶部形成外延硅层。在SiGe层16具有比外延硅层大的面内晶格参数的情况下，将利用拉伸方式使外延层应变。本发明还尝试了使形成在图4D的SiGe层16顶部的所述附加SiGe为晶格匹配的(选择Ge含量，以便使失配应变等于零)，以便制成保持热力学稳定的厚SiGe层。
如上所述，本发明还尝试了超晶格结构以及晶格不匹配，其至少包括本发明的绝缘体上SiGe衬底材料。在超晶格结构的情况下，这些结构应该至少包括本发明的基本上松弛的绝缘体上SiGe衬底材料；以及形成在衬底材料的基本上松弛的SiGe层顶部的Si和SiGe的交替层。
在晶格不匹配的情况下，将在本发明的绝缘体上SiGe衬底材料的基本上松弛的SiGe层顶部形成GaAs、GaP或其它类似化合物。
上述说明提供了本发明的方法的基本观点，下面的说明提供本发明的方法的一些特殊应用。
为了使用热氧化法制成100％松弛的SGOI，可以使用以下方案。第一件事是考虑面内晶格参数是所希望的。然后在高温下氧化初始SiGe/SOI结构，直到达到对应所希望的面内晶格参数的厚度和Ge含量组合为止。前面所述的等式和推测有助于评估这一点。图3表示对于这些初始结构的热氧化20％Ge含量应该提供大约0.5％的面内膨胀。对于100％松弛(或恢复立方单位单元)，对应这个面内膨胀的Ge含量应该为13.5％，因而必须用硅稀释SiGe合金。利用硅层的外延生长并随后使硅均匀化的另一高温扩散退火(拉伸应变)来稀释SiGe。该面内参数不应该变化，只要所有应变层是热力学稳定的，关于硅中的0.5％应变，可用于稀释的最大厚度是大约250埃。基于此，希望520埃-20％的最终SGOI层，在其上将生长250埃的硅。然后使用扩散退火使SGOI中的硅均匀化，由此制成最终膜770埃-13.5％，并由于面内参数应该仍然是0.5％，因此该膜应该是100％松弛的。如果希望较薄的膜具有这些性能，则必须使用非选择性SiGe除去工艺将该层减薄到所希望的厚度。这种非选择性技术包括但不限于CMP、低温蒸汽氧化、化学刻蚀、高压氧化、外延基HCl回刻蚀、RIE技术或甚至气体簇束减薄和平滑化。如果是希望具有这些性能的较厚层，则可以使用SiGe层的外延基再生长。
所有这些都是可行的，因为只有这种使膜在衬底规模下可以改变其面内晶格参数的方式是通过引入应变减轻缺陷进行的，如果使这些膜有意使其缺陷稳定产生，则保持固定的面积参数，同时改变Ge含量是可行的。
甚至可以使用这种方法制成拉伸应变SGOI。在上述给定的例子中，形成100％松弛SGOI之后，可以进行另一重复硅外延生长(高达250埃)，然后进行另一扩散退火，由此形成具有相同0.5％面内膨胀的甚至更低的Ge浓度的SGOI。因此SGOI应该在拉伸应变之下。制造拉伸应变SGOI的另一种方法是在较薄的20％SGOI(例如，400埃，代替前面例子中的520埃)上生长第一250埃外延硅，并穿过整个SGOI使硅扩散。
甚至可以生长非常厚的、高度松弛的SiGe层作为SOI衬底上的初始结构，并使用高温退火和/或氧化减少该厚层内的缺陷。然后使用非选择性减薄将SGOI层减薄到所希望的厚度。
前面已经参照优选实施例特别示出和介绍了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以做形式上和细节上的前述和其它改变。因此，本发明趋于不限于这里所述和所示的精确形式和细节，而是都落入所附权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种制造具有选择参数的绝缘体上SiGe衬底的方法，所述方法包括以下步骤提供初始绝缘体上SiGe衬底材料，其包括具有选择的面内晶格参数、选择厚度参数和选择的Ge含量参数的SiGe合金层，其中选择面内晶格参数具有恒定值，其它参数中的一个或两个具有可调值；和调节其他参数中的一个或两个为最终选择值，同时保持所述选择面内晶格参数。
2.根据权利要求1的方法，其中SiGe合金层的选择面内晶格参数和选择Ge含量参数是恒定值，而所述厚度参数是可调的。
3.根据权利要求2的方法，其中使用非选择性刻蚀工艺进行对可调厚度参数的调节。
4.根据权利要求3的方法，其中所述非选择性刻蚀工艺选自化学机械抛光(CMP)、低温蒸汽氧化、化学刻蚀、高压氧化、外延基HCl刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、气体簇离子束刻蚀和其任何组合。
5.根据权利要求1的方法，其中SiGe合金层的选择面内晶格参数具有恒定值，SiGe合金层的Ge含量参数和厚度参数是可调的。
6.根据权利要求5的方法，其中使用热稀释工艺进行对可调Ge含量参数的所述调节。
7.根据权利要求6的方法，其中所述热稀释工艺包括在SiGe合金层上形成含硅层，然后在使硅扩散到SiGe合金层中的温度下加热这些层，由此减少SiGe合金层的Ge含量。
8.根据权利要求7的方法，其中所述含硅层包括Si或SiGe。
9.根据权利要求7的方法，其中所述加热的所述温度从大约800℃到大约1350℃。
10.根据权利要求7的方法，其中所述加热是在惰性气体气氛中进行的。
11.根据权利要求7的方法，还包括在所述加热之前在含硅层上形成覆盖层。
12.根据权利要求11的方法，其中所述覆盖层包括晶体或非晶氧化物或氮化物。
13.根据权利要求1的方法，其中所述初始绝缘体上SiGe衬底的参数是使用以下等式选择的fm’(％)＝fm(％)-|εres|，和fm(％)＝4.17x或者fm(%)=((0.19836)x+(0.03265)x2-(0.00436)x35.43105)×100]]>和ϵres(%)=b(1-v/4)4π(1+v)hln(2hb)×100]]>或者ϵres(%)=2290.4h1.4267]]>其中fm’是以大于未应变硅的面内晶格参数的百分比给定的松弛的、热力学稳定的SiGe合金层的面内晶格参数，fm是对应未松弛SiGe合金的失配应变，x是按照表达式Si1-xGex中的原子分数表示的SiGe合金层的Ge含量，εres是SiGe合金层中的残余应变，b是60度位错Burgers矢量(3.84埃)，v是SiGe合金层的泊松比的值(0.275)，h是SiGe合金层厚度。
14.一种制造具有选择参数的绝缘体上SiGe衬底的方法，所述方法包括以下步骤提供初始绝缘体上SiGe衬底材料，其包括具有选择面内晶格参数、选择厚度参数和选择Ge含量参数的SiGe合金层，其中所述选择面内晶格参数和Ge含量参数具有恒定值，而厚度参数具有可调值；和调节厚度参数为最终选择值，同时保持恒定的两个选择值。
15.根据权利要求14的方法，其中所述调节包括非选择性刻蚀工艺。
16.一种制造具有选择参数的绝缘体上SiGe衬底的方法，所述方法包括以下步骤提供初始绝缘体上SiGe衬底材料，其包括具有选择面内晶格参数、选择厚度参数和选择Ge含量参数的SiGe合金层，其中所述选择面内晶格参数具有恒定值，所述Ge含量和厚度参数具有可调值；和调节所述GE含量为最终选择值，同时保持所述选择面内晶格参数。
17.根据权利要求16的方法，其中对可调Ge含量参数的所述调节是使用热稀释工艺进行的。
18.根据权利要求17的方法，其中所述热稀释工艺包括在SiGe合金层上形成含硅层，然后在使硅扩散到SiGe合金中的温度下加热这些层，由此减少SiGe合金层的Ge含量。
全文摘要
本发明提供一种制造绝缘体上SiGe衬底的方法，其中采用晶格工程学除去SiGe厚度、GE含量和应变松弛之间的相互依赖性。该方法包括提供绝缘体上SiGe衬底材料，其包括具有选择面内晶格参数、选择厚度参数和选择Ge含量参数的SiGe合金层，其中选择面内晶格参数具有恒定值，一个或两个其它参数，即厚度或Ge含量具有可调值；和调节一个或两个其他参数为最终选择值，同时保持面内晶格参数。所述调节是利用减薄工艺或热稀释工艺来实现的，这取决于是哪些参数是固定的和可调的。
文档编号H01L21/20GK1816910SQ200480019346
公开日2006年8月9日 申请日期2004年5月28日 优先权日2003年5月30日
发明者斯蒂芬·W.·贝德尔, 陈华杰, 基思·E.·佛格尔, 德温得拉·K.·萨达纳 申请人:国际商业机器公司
技术领域：
本发明涉及一种制造半导体衬底材料的方法，特别是，涉及制造绝缘体上SiGe衬底材料的方法，其中采用晶格工程学消除SiGe厚度、Ge含量和应变松弛之间的互相依赖性。通过破坏上述参数之间的自然关系，可以制造具有选择的Ge含量、厚度和面内晶格参数的绝缘体上SiGe衬底材料。本发明的绝缘体上SiGe衬底材料可用做用于在其上产生应变Si层的晶格失配模板。这种应变Si层具有高载流子迁移率并可在高性能互补金属氧化物半导体(cmos)应用中使用。
背景技术：
在半导体工业中，近年来有使用应变Si基异质结构的高级能力以便实现用于CMOS应用的高迁移率结构。传统地，实现这一点的现有技术方法已经在厚(从大约1到大约5微米的数量级)松弛SiGe缓冲层上生长应变Si层。
不管为现有技术异质结构报道的高沟道电子迁移率，使用厚SiGe缓冲层具有与其相关的几个值得注意的缺陷。第一，厚SiGe缓冲层通常不容易与已有的Si基CMOS金属相集成。第二，缺陷密度，包括螺纹位错(TD)和失配位错，为大约105到大约108缺陷/cm2，这对于实现VSLI(超大规模集成)体衬底(非SOI)应用仍然太高。第三，现有技术结构的性能排除了SiGe缓冲层的选择生长，使得采用具有应变Si、非应变Si和SiGe材料的器件的电路是非常困难的，在有些情况下，几乎是不可能集成的。
为了在硅衬底上制造松弛SiGe材料，现有技术方法通常生长均匀的、逐级的或阶梯式的SiGe层到超过亚稳态临界厚度(即，位错形成以便减轻应力之厚度以上的厚度)之外，并允许穿过SiGe缓冲层形成失配位错，并具有相关的螺纹位错。各种缓冲结构已经用于尝试增加结构中的失配位错的长度，并由此减小TD密度。
另一现有技术方案，如在授予Ek等人的美国专利US5461243和5759898中所述的，提供具有松弛和减小缺陷密度半导体层的结构，其中新应变减轻机构操作，由此使SiGe缓冲层松弛，同时减少了在SiGe层中产生的TD。
提供低缺陷的基本上松弛绝缘体上SiGe衬底材料的另一方案例如在2002年1月23日提交的、名称为“产生用于应变Si CMOS应用的高品质松弛绝缘体上SiGe的方法”的共同未审和共同受让的美国专利申请系列号No.10/055138中公开了。在这个现有技术方案中，使用热混合工艺产生松弛SiGe层。
尽管在用于制造绝缘体上SiGe衬底材料的现有技术方法中有很多优点，但是现有技术都不能提供消除SiGe厚度、Ge含量和应变松弛即面内晶格参数之间的相互依赖性的方法，以便提供含有具有厚度、Ge含量和应变松弛的选择值的松弛SiGe层的绝缘体上SiGe衬底材料。应变松弛涉及在本发明中形成的松弛SiGe层的面内晶格参数(平行于SiGe层表面的晶格参数)。
发明内容
本发明提供一种制造绝缘体上SiGe衬底材料的方法，其中消除了SiGeGe部分(即含量)和应变松弛(即面内晶格参数)之间的互相依赖性，从而可以制造具有Ge含量、厚度和应变松弛的任意值的绝缘体上SiGe(在热力学和机械稳定性的限制内)。实际上，SiGe层中的残余应变可以为正(压缩)、负(拉伸)或零(全松弛)。这种方法有很多优点。例如，可以制造任意Ge含量的全松弛的、薄的SiGe层并用于超薄应变绝缘体上硅高性能CMOS集成电路(IC)。如果高Ge含量膜导致IC制造集成问题，可使用具有相同面内晶格参数的较低的Ge含量拉伸膜。
在又一例子中，如果将Si/SiGe双层构图成几何(尺寸)上的显微岛，正如现代SOI器件隔离技术的情况那样，如果使SiGe层松弛，通过弹性隔开，可以在进行松弛的拉伸应变下具有顶部Si层。然后可以计算为了在(拉伸)应变Si层和(压缩)应变SiGe层之间保持机械平衡而在SiGe模板内的压缩应变值。
在广义上讲，本发明提供一种形成具有预定参数的绝缘体上SiGe(SGOI)衬底的方法，包括以下步骤提供初始绝缘体上SiGe衬底材料，其包括具有选择的面内晶格参数、选择厚度参数和选择Ge含量参数的SiGe合金层，其中选择面内晶格参数具有恒定值，一个或两个参数，即SiGe合金层厚度或Ge含量具有可调值；和调节一个或两个其他参数为最终选择值，同时保持面内晶格参数。
在本发明的一个实施例中，SiGe合金层的选择面内晶格参数和选择Ge含量参数是恒定的，即固定在预选值，同时SiGe厚度是可调的。在本发明的本实施例中，使用非选择性刻蚀工艺调节SiGe合金层的SiGe厚度，所述非选择性刻蚀工艺能将SiGe厚度减薄到所希望的最终厚度值。
在本发明的另一实施例中，SiGe合金层的选择面内晶格参数是恒定的，而厚度和Ge含量都是可调的。在本发明的本实施例中，通过在SiGe合金层的表面上形成含硅层，然后使用能使硅扩散到SiGe合金层的热稀释工艺，由此减少SiGe合金层的Ge含量，同时增加厚度参数，由此调节Ge含量。稀释处理是通过扩散退火进行的，所述扩散退火能使硅层在整个SiGe合金层中是均匀的。
在第二实施例中，在SiGe合金层上生长的含硅层在用于给定面内晶格参数的临界厚度之下，以便在稀释退火期间保持保证面内晶格参数，这是非常重要的。
图1A-1B是表示本发明的一个实施例的示意图(剖面图)，其中使用非选择性刻蚀工艺将SiGe厚度减薄到所希望的厚度值。
图2是在用于各种SiGe厚度和Ge含量的绝缘体上SiGe衬底中的测量残余应变的曲线。
图3是用于三种不同膜的面内晶格膨胀和Ge含量与SiGe厚度之间的测量的曲线。
图4A-4D是表示本发明的另一个实施例的示意图(剖面图)，其中采用热稀释获得具有所希望Ge含量的SiGe合金层的绝缘体上SiGe衬底。
具体实施例方式
下面通过参照附属于本申请的附图更详细地介绍本发明，本发明提供一种制造绝缘体上SiGe衬底材料的方法，其中已经消除了SiGe厚度、Ge含量和面内晶格参数之间的相互依赖性，以便提供具有选择的所希望的SiGe厚度、Ge含量和面内晶格参数的制作的绝缘体上SiGe衬底。在附图中，相同的和相应的元件用相同的参考标记表示。
如上所述，本申请提供一种形成具有预定参数的绝缘体上SiGe衬底的方法，其包括提供初始绝缘体上SiGe衬底材料，其包括具有选择的面内晶格参数、选择厚度参数和选择Ge含量参数的SiGe合金层，其中选择面内晶格参数具有恒定值，一个或两个其它参数具有可调值；将其他参数中的一个或两个调节到最终选择值，同时保持选择面内晶格参数。
本发明提供实现上述目的的两种不同方法。在本发明的第一实施例中，具有选择Ge含量参数和选择面内晶格参数的初始绝缘体上SiGe衬底材料，所述选择Ge含量参数和选择面内晶格参数具有恒定值从而存在于最终的绝缘体上SiGe衬底中。初始绝缘体上SiGe衬底的SiGe合金层的厚度是可调的，意味着它具有不同于所希望的厚度值的值。然后通过利用非选择性刻蚀工艺调节SiGe层的厚度。减薄工艺将在小标题I、SGOI减薄下进行介绍。
在本发明的第二实施例中，首先提供具有选择面内晶格参数的初始绝缘体上SiGe衬底材料，所述面内晶格参数具有恒定值从而存在于最终的绝缘体上SiGe衬底中。初始绝缘体上SiGe衬底的SiGe合金层的Ge含量参数和厚度参数是可调的，意味着它们具有不同于所希望的Ge含量和所希望的厚度的值。然后在本发明中利用热稀释工艺将Ge含量调首先提供节到最终所希望的值。热稀释工艺将在小标题II、热稀释下进行介绍。
I SGOI减薄本发明的本实施例开始于提供具有选择Ge含量参数和选择面内晶格参数以及可调的厚度参数的初始绝缘体上SiGe衬底材料，所述选择Ge含量参数和选择面内晶格参数具有恒定值从而存在于最终绝缘体上SiGe衬底中。例如在图1A中示出了在本发明的SGOI减薄实施例中采用的初始结构。具体地说，图1A的初始绝缘体上SiGe衬底10包括含硅层12、位于含硅层12顶部的防止Ge扩散的阻挡层14和位于阻挡层14顶部的SiGe合金层16。
初始SGOI衬底10的含硅层12包括含有硅的任何半导体材料。用于含硅层12的合适的半导体材料的所示例子包括但不限于Si、SiGe、SiC、SiGeC、Si/Si、Si/SiC、Si/SiGeC、和实现的绝缘体上硅。含硅层12的厚度对于本发明的来说是不重要的。
初始SGOI衬底10的阻挡层14包括高度抵抗Ge扩散的任何绝缘材料。这种绝缘和Ge扩散抵抗材料的例子包括但不限于晶体或非晶氧化物或氮化物。阻挡层14的厚度可以改变，但是通常阻挡层14具有大约10到大约1000nm的厚度，从大约50到大约200nm的厚度是最优选的。
初始SGOI衬底10的SiGe合金层16包括硅和锗合金，其中包括高达99.99原子百分比Ge，优选SiGe合金层中的Ge含量可以从大约0.1到大约99.99原子百分比，从大约10到大约35原子百分比的Ge含量是最优选的。SiGe合金层16的另一特性是它是具有从所测量的大约1到大约100％的晶格松弛的单晶材料，其中测量的晶格松弛从大约50到大约90％是最优选的。
初始SiGe衬底10的SiGe合金层具有大约2000nm或以下的厚度，从大约10到大约200nm的厚度是最优选的。SiGe合金层16通常具有小于大约108缺陷/cm2的包括晶格失配和TD的缺陷密度。
在本发明的本实施例中，初始绝缘体上SiGe衬底10的SiGe合金层16具有恒定的和选择的面内晶格参数和恒定的选择的Ge含量以及可调的厚度参数。初始绝缘体上SiGe衬底材料10可以使用本领域技术人员公知的各种技术来形成，其中通过缺陷适中的应变减轻机理使SiGe合金层16松弛。
例如，可以使用在2002年1月23日提交的、名称为“产生用于应变Si CMOS应用的高品质松弛绝缘体上SiGe的方法”的共同未审和共同受让的美国专利申请系列号No.10/055138中公开的热混合工艺以及能形成热力学稳定绝缘体上SiGe衬底的任何其它方法。在‘138申请中公开的热混合工艺是在本发明中使用的用于形成初始绝缘体上SiGe衬底10的最优选的方法。因此，申请人将‘138申请结合在本申请中供参考。上述工艺使用缺陷适中应变减轻机理形成绝缘体上SiGe衬底。
这里优选的、在‘138申请中公开的热混合工艺通过首先在第一单晶硅层的表面上形成SiGe或纯Ge层而形成绝缘体上SiGe衬底。第一单晶硅层存在于抵抗Ge扩散的阻挡层顶部。然后在允许Ge在第一单晶硅层和SiGe或纯Ge层中互相扩散的温度下进行加热步骤，即高温氧化，由此在阻挡层顶部形成基本上松弛的、单晶SiGe层。
‘138申请的加热步骤是存在氧化环境如O2、NO、N2O、空气和其它含氧气体的情况下、在大约900℃到大约1350℃的温度下进行的。加热步骤是在氧化环境下进行的，从而实现表面氧化层的存在，该表面氧化层用做Ge原子的扩散阻挡层。一旦表面氧化层形成在该结构上之后，在阻挡层和表面氧化层之间捕获锗。随着表面氧化层的厚度增加，GE变得越来越均匀地分布于纯Ge或SiGe层以及第一单晶硅中，但是继续和有效地阻止其侵入氧化物层。除去表面氧化物层，如在‘138申请中所述的，绝缘体上SiGe衬底可以在本发明中使用，如在本发明中使用的初始绝缘体上SiGe衬底那样。
使用在‘138申请中所述的方案形成初始绝缘体上SiGe衬底10提供用于制造高品质绝缘体上SiGe衬底的成本低、容易制造的工艺。而且，使用‘138申请中公开的方法使Ge均匀化并从生长表面氧化层阻止Ge，从而保持在表面氧化物层和阻挡层之间捕获的SGOI层内的Ge。随着氧化工艺的继续进行，SGOI膜的相对Ge含量按照与SGOI厚度成反比的方式增加。在高温(大约1150℃或以上的数量级)下，发生松弛纯Ge或SiGe层的松弛，并且减轻应变的缺陷正在形成并动态地消失。SGOI膜的最终应变状态一般不是100％松弛的。由于缺陷最终使SiGe层松弛，因此在膜的弹性能量(残余应变)和减轻应变的缺陷密度之间存在平衡时，将达到热力学平衡。
尽管在形成本发明的初始绝缘体上SiGe衬底材料10时使用的技术，采用下面的原理确定初始SGOI衬底10的恒定参数位错缺陷增加了膜的总能量，因此在热力学上是无利的。在应变膜的情况下，位错缺陷的引入(和运动)还减少了膜内的应变能量。在膜的总能量降低时，在应变膜中引入位错在能量上是有利的。这通常发生在由于引入位错而导致应变能量的减少大于实际位错的产生能量(或自身能量)时。用于计算松弛SiGe应变层的最小膜能量以及最终松弛的数学程序在现有技术中有记载参见“Germanium-Silicon Strained Layers andHeterostructures”S.C.Jain，Advances in electronics and electronphysics；supplement 24.1994 Academic Press(and references therein)。从这篇现有技术理论来看，人们可以使用如下等式计算厚度为h的热力学稳定SiGe合金层的残余应变ϵres(%)=b(1-v/4)4π(1+v)hln(2hb)×100]]>其中εres是SiGe合金层中的残余应变，b是Burgers矢量(3.84埃)，v是泊松比(0.275)。这个等式假设应变减轻缺陷的几何形状是位错，其Burgers矢量与位错方向形成60度角(60度位错)。
图2所示的实线是作为厚度函数的用于SiGe层中残余(压缩)应变的上述分析等式的曲线图。而且，还示出了测量数据(实圆圈)，表示符合具有比大约500埃更厚的SiGe层的上述等式。如果需要更高的精度，可以使用通过将幂函数代入测量数据(虚线)发现的经验式，并给出如下
ϵres(%)=2290.4h1.4267]]>使用下列关系可以计算松弛(热力学稳定的)绝缘体上SiGe层的面内晶格参数fm’(％)＝fm(％)-|εres|其中fm是未松弛SiGe的失配应变，εres是由上述等式给出的SiGe层中的残余应变，fm’是百分比含量大于硅的松弛SiGe层的面内晶格参数。因此，如果然后在松弛SiGe层上生长硅层，则它将按照拉伸方式以等于|fm′|的大小进行应变。如果εres等于或大于fm，fm’将为零(它不能是负的)，这暗示着未松弛SiGe层是热力学稳定的，因此将不会松弛。
生长在硅晶格上的Si1-xGex合金层的失配应变和Ge含量之间的关系可以由简单的线性等式给出fm(％)＝4.17x或者更精确地由以下等式给出fm(%)=((0.19836)x+(0.03265)x2-(0.00436)x35.43105)×100]]>其中x是Ge与Si的原子比，并且在0(纯Si)和1(纯Ge)之间。
作为例子，如果需要具有0.60％的拉伸应变的应变硅层并且绝缘体上SiGe层的Ge含量不超过20At.％(即x＝0.20)，那么计算所需SiGe厚度如下通过上述等式计算fm为fm(20％)＝0.754％。对于fm’＝0.60％，需要(0.754-0.60)的0.154％的残余应变εres。使用参与应变的经验形式发现所需SiGe层厚度(或使用图2中的曲线进行评估)提供840埃的值。由于热混合方案保持表面氧化物和掩埋扩散阻挡层之间的总Ge含量，因此其乘积为(840×0.20＝168)的厚度和Ge含量的组合应该是生长在已提供的衬底上并用做Ge源的SiGe层(在热混合之前)。例如，可以在绝缘体上硅衬底的表面上生长x＝0.15的SiGe 1120埃，然后按照在‘138申请中所述的方式进行热混合和氧化，得到最终SGOI厚度为840埃，并且Ge含量应该是x＝0.2，同时面内晶格参数将为大于Si的0.60％。
利用非常符合上述缺陷应变平衡理论的方式发现使用热混合方案形成的SGOI层是松弛的。换言之，随着通过氧化减薄SiGe层，将达到给定的Ge含量和SGOI厚度，并且一般情况下，不是平衡的。然后产生位错，直到膜的应变能量落在新位错的产生能量之下为止；使膜返回到热力学稳定的条件中。在确定初始绝缘体上SiGe衬底的选择参数，即面内晶格参数、厚度和Ge含量时使用上述公式。
因此由热氧化形成的SGOI的通用趋势应该是最终SiGe合金必须接近于热力学稳定性的条件。这与初始SiGe厚度和Ge含量、或者最终SGOI厚度和浓度无关。最终SGOI膜当中的这个普遍性对于初始SiGe/SOI结构(图2)的很多不同组合实际上都可以观察到。图中的实线是在平衡理论(如上所述)基础上计算的残余SiGe应变，其中虚线是适合于测量数据(圆圈)的经验式。
作为利用上述方式部分地松弛的SGOI层的结果，必须知道以下推测其中SGOI厚度和Ge含量应该产生特别的面内晶格参数。图3表示测量的面内晶格参数(与Si相比)是作为其余SGOI厚度的函数用于三种不同初始结构的。
上述结构用在本发明中以便提供图1A所示的初始S绝缘体上SiGe衬底。在本第一实施例中，SiGe合金膜的面内晶格参数和Ge含量是恒定的。SiGe合金膜的厚度比所希望的更厚。为了减薄具有固定的和恒定的面内晶格参数和Ge含量的SiGe合金层，可以使用非选择性刻蚀工艺以便提供如图1B所示的结构。图1B中所示的最终绝缘体上SiGe衬底具有小于初始绝缘体上SiGe衬底中的可调厚度的最终厚度。
可以用在本发明第一实施例中的非选择性刻蚀工艺的例子包括但不限于化学机械抛光(CMP)、低温蒸汽氧化、化学刻蚀、高压氧化、外延基HCl刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、气体簇离子束刻蚀和其任何组合。
可以使用本领域公知的常规外延淀积工艺在图1B的SiGe层16的顶部形成硅层。外延硅层的厚度可以改变，但是通常情况下，外延硅层具有大约1到大约100nm的厚度，从大约1到大约30nm的厚度是更高度优选的。
在有些例子中，可以利用外延淀积工艺在图1B的SiGe层16的顶部形成附加SiGe，然后可以在附加SiGe层的顶部形成外延硅层。在SiGe层16具有比外延硅层大的面内晶格参数的情况下，该外延硅层可以利用拉伸方式进行应变。
如上所述，本发明还尝试超晶格结构以及晶格不匹配，其至少包括本发明的绝缘体上SiGe衬底材料。在超晶格结构的情况下，这些结构将至少包括本发明的基本上松弛的绝缘体上SiGe衬底材料、以及在衬底材料的基本上松弛SiGe层顶部形成的交替Si和SiGe的层。
在晶格不匹配的情况下，GaAs、GaP或其它类似化合物应该形成在本发明的绝缘体上SiGe衬底材料的基本上松弛的SiGe层。
II、热稀释在本发明的第二实施例中，首先提供具有选择的面内晶格参数的初始绝缘体上SiGe衬底材料，所述选择面内晶格参数具有恒定值从而存在于最终绝缘体上SiGe衬底中。初始绝缘体上SiGe衬底的SiGe合金层的Ge含量参数和厚度参数是可调的，意味着它们具有不同于所希望的Ge含量或层厚度的值。然后使用热稀释调节SiGe层的Ge含量。
在本发明的本实施例中使用的初始结构示于图4A中。图4A的初始绝缘体上SiGe衬底10包括含硅层12、位于含硅层12顶部的防止Ge扩散的阻挡层14和位于阻挡层14顶部的SiGe合金层16。
在本发明的第二实施例中，初始SGOI衬底10的SiGe合金层16具有恒定的和选择的面内晶格参数和可调的层厚度和Ge含量参数。初始绝缘体上SiGe衬底10可以使用上述各种技术来制造，并且在确定初始结构的各个参数时可以使用上述公式以及推测。在本发明的优选实施例中，使用在‘138申请中公开的热混合工艺形成初始绝缘体上SiGe衬底。
接着，如图4B所示，在SiGe合金层16的表面上形成含硅层18，含硅层18具有在用于给定面内晶格参数的临界厚度以下的厚度。具体地说，含硅层18是使用本领域公知的常规外延淀积工艺形成的，并且生长的含硅层18具有从大约1到大约100nm的厚度，其中从大约5到大约50nm的厚度是更高度优选的。这里使用的术语“含硅”表示Si(单晶或多晶)或SiGe。通过首先计算含硅层18和SiGe合金层16之间的失配应变，然后使用残余应变等式(或曲线)以确定与该应变值对应的层厚，由此可以发现含硅层18的临界厚度。
图4C表示任选实施例，其中覆盖层20形成在含硅层18顶部。覆盖层20是能限制环境气体暴露于含硅层18表面的晶体或非晶氧化物或氮化物层。任选的覆盖层20可以具有任何厚度，但是通常任选的覆盖层20具有从大约10到大约1000nm的厚度，从大约50-大约500nm的厚度是更高度优选的。任选的覆盖层20可以是利用任何常规淀积工艺形成的，或者可以使用热生长工艺在含硅层18顶部形成任选的覆盖层20。
在形成图4B或4C所示的结构之后，然后在允许Si从含硅层18扩散到SiGe层16中以便使初始SiGe层16的Ge含量减少到所希望的Ge含量的温度下加热该结构，即退火。应该指出的是，稀释退火使SiGe层16和含硅层18中的硅均匀化。图4D表示在图4B所示的结构上进行稀释退火步骤之后的最终结构。
具体地说，本发明的加热步骤是在大约800℃到大约1350℃的温度下进行的退火步骤，其中从大约900℃到大约1200℃的温度是更高度优选的。而且，本发明的稀释步骤是在惰性气体如He、Ar、N2、Xe、Kr或Ne中进行的。本发明中还尝试了上述惰性气体的混合物。在存在任选覆盖层20的实施例中，可以在存在稍微氧化的环境中进行热稀释。
可以在可变时间周期内进行加热步骤，其中所述时间通常为从大约10到大约1800分钟的范围内，并且从大约60到大约600分钟的时间周期是更高度优选的。加热步骤可以在单目标温度下进行，或者可以采用使用各种倾斜率和保温次数的各种倾斜和保温循环。
如果最终的SiGe层太厚，则可以使用上述的非选择性刻蚀工艺将SiGe层16减薄到最终所希望的厚度。
可以使用本领域公知的常规外延淀积工艺在图4D的SiGe层16顶部形成硅层。该外延硅层的厚度可以改变，但是通常情况下，该外延硅层具有从大约1到大约100nm的厚度，从大约1到大约30nm的厚度是更高度优选的。
在有些情况下，可以使用外延淀积工艺在图4D的SiGe层16的顶部形成附加SiGe，然后可以在附加SiGe层顶部形成外延硅层。在SiGe层16具有比外延硅层大的面内晶格参数的情况下，将利用拉伸方式使外延层应变。本发明还尝试了使形成在图4D的SiGe层16顶部的所述附加SiGe为晶格匹配的(选择Ge含量，以便使失配应变等于零)，以便制成保持热力学稳定的厚SiGe层。
如上所述，本发明还尝试了超晶格结构以及晶格不匹配，其至少包括本发明的绝缘体上SiGe衬底材料。在超晶格结构的情况下，这些结构应该至少包括本发明的基本上松弛的绝缘体上SiGe衬底材料；以及形成在衬底材料的基本上松弛的SiGe层顶部的Si和SiGe的交替层。
在晶格不匹配的情况下，将在本发明的绝缘体上SiGe衬底材料的基本上松弛的SiGe层顶部形成GaAs、GaP或其它类似化合物。
上述说明提供了本发明的方法的基本观点，下面的说明提供本发明的方法的一些特殊应用。
为了使用热氧化法制成100％松弛的SGOI，可以使用以下方案。第一件事是考虑面内晶格参数是所希望的。然后在高温下氧化初始SiGe/SOI结构，直到达到对应所希望的面内晶格参数的厚度和Ge含量组合为止。前面所述的等式和推测有助于评估这一点。图3表示对于这些初始结构的热氧化20％Ge含量应该提供大约0.5％的面内膨胀。对于100％松弛(或恢复立方单位单元)，对应这个面内膨胀的Ge含量应该为13.5％，因而必须用硅稀释SiGe合金。利用硅层的外延生长并随后使硅均匀化的另一高温扩散退火(拉伸应变)来稀释SiGe。该面内参数不应该变化，只要所有应变层是热力学稳定的，关于硅中的0.5％应变，可用于稀释的最大厚度是大约250埃。基于此，希望520埃-20％的最终SGOI层，在其上将生长250埃的硅。然后使用扩散退火使SGOI中的硅均匀化，由此制成最终膜770埃-13.5％，并由于面内参数应该仍然是0.5％，因此该膜应该是100％松弛的。如果希望较薄的膜具有这些性能，则必须使用非选择性SiGe除去工艺将该层减薄到所希望的厚度。这种非选择性技术包括但不限于CMP、低温蒸汽氧化、化学刻蚀、高压氧化、外延基HCl回刻蚀、RIE技术或甚至气体簇束减薄和平滑化。如果是希望具有这些性能的较厚层，则可以使用SiGe层的外延基再生长。
所有这些都是可行的，因为只有这种使膜在衬底规模下可以改变其面内晶格参数的方式是通过引入应变减轻缺陷进行的，如果使这些膜有意使其缺陷稳定产生，则保持固定的面积参数，同时改变Ge含量是可行的。
甚至可以使用这种方法制成拉伸应变SGOI。在上述给定的例子中，形成100％松弛SGOI之后，可以进行另一重复硅外延生长(高达250埃)，然后进行另一扩散退火，由此形成具有相同0.5％面内膨胀的甚至更低的Ge浓度的SGOI。因此SGOI应该在拉伸应变之下。制造拉伸应变SGOI的另一种方法是在较薄的20％SGOI(例如，400埃，代替前面例子中的520埃)上生长第一250埃外延硅，并穿过整个SGOI使硅扩散。
甚至可以生长非常厚的、高度松弛的SiGe层作为SOI衬底上的初始结构，并使用高温退火和/或氧化减少该厚层内的缺陷。然后使用非选择性减薄将SGOI层减薄到所希望的厚度。
前面已经参照优选实施例特别示出和介绍了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以做形式上和细节上的前述和其它改变。因此，本发明趋于不限于这里所述和所示的精确形式和细节，而是都落入所附权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种制造具有选择参数的绝缘体上SiGe衬底的方法，所述方法包括以下步骤提供初始绝缘体上SiGe衬底材料，其包括具有选择的面内晶格参数、选择厚度参数和选择的Ge含量参数的SiGe合金层，其中选择面内晶格参数具有恒定值，其它参数中的一个或两个具有可调值；和调节其他参数中的一个或两个为最终选择值，同时保持所述选择面内晶格参数。
2.根据权利要求1的方法，其中SiGe合金层的选择面内晶格参数和选择Ge含量参数是恒定值，而所述厚度参数是可调的。
3.根据权利要求2的方法，其中使用非选择性刻蚀工艺进行对可调厚度参数的调节。
4.根据权利要求3的方法，其中所述非选择性刻蚀工艺选自化学机械抛光(CMP)、低温蒸汽氧化、化学刻蚀、高压氧化、外延基HCl刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、气体簇离子束刻蚀和其任何组合。
5.根据权利要求1的方法，其中SiGe合金层的选择面内晶格参数具有恒定值，SiGe合金层的Ge含量参数和厚度参数是可调的。
6.根据权利要求5的方法，其中使用热稀释工艺进行对可调Ge含量参数的所述调节。
7.根据权利要求6的方法，其中所述热稀释工艺包括在SiGe合金层上形成含硅层，然后在使硅扩散到SiGe合金层中的温度下加热这些层，由此减少SiGe合金层的Ge含量。
8.根据权利要求7的方法，其中所述含硅层包括Si或SiGe。
9.根据权利要求7的方法，其中所述加热的所述温度从大约800℃到大约1350℃。
10.根据权利要求7的方法，其中所述加热是在惰性气体气氛中进行的。
11.根据权利要求7的方法，还包括在所述加热之前在含硅层上形成覆盖层。
12.根据权利要求11的方法，其中所述覆盖层包括晶体或非晶氧化物或氮化物。
13.根据权利要求1的方法，其中所述初始绝缘体上SiGe衬底的参数是使用以下等式选择的fm’(％)＝fm(％)-|εres|，和fm(％)＝4.17x或者fm(%)=((0.19836)x+(0.03265)x2-(0.00436)x35.43105)×100]]>和ϵres(%)=b(1-v/4)4π(1+v)hln(2hb)×100]]>或者ϵres(%)=2290.4h1.4267]]>其中fm’是以大于未应变硅的面内晶格参数的百分比给定的松弛的、热力学稳定的SiGe合金层的面内晶格参数，fm是对应未松弛SiGe合金的失配应变，x是按照表达式Si1-xGex中的原子分数表示的SiGe合金层的Ge含量，εres是SiGe合金层中的残余应变，b是60度位错Burgers矢量(3.84埃)，v是SiGe合金层的泊松比的值(0.275)，h是SiGe合金层厚度。
14.一种制造具有选择参数的绝缘体上SiGe衬底的方法，所述方法包括以下步骤提供初始绝缘体上SiGe衬底材料，其包括具有选择面内晶格参数、选择厚度参数和选择Ge含量参数的SiGe合金层，其中所述选择面内晶格参数和Ge含量参数具有恒定值，而厚度参数具有可调值；和调节厚度参数为最终选择值，同时保持恒定的两个选择值。
15.根据权利要求14的方法，其中所述调节包括非选择性刻蚀工艺。
16.一种制造具有选择参数的绝缘体上SiGe衬底的方法，所述方法包括以下步骤提供初始绝缘体上SiGe衬底材料，其包括具有选择面内晶格参数、选择厚度参数和选择Ge含量参数的SiGe合金层，其中所述选择面内晶格参数具有恒定值，所述Ge含量和厚度参数具有可调值；和调节所述GE含量为最终选择值，同时保持所述选择面内晶格参数。
17.根据权利要求16的方法，其中对可调Ge含量参数的所述调节是使用热稀释工艺进行的。
18.根据权利要求17的方法，其中所述热稀释工艺包括在SiGe合金层上形成含硅层，然后在使硅扩散到SiGe合金中的温度下加热这些层，由此减少SiGe合金层的Ge含量。
全文摘要
本发明提供一种制造绝缘体上SiGe衬底的方法，其中采用晶格工程学除去SiGe厚度、GE含量和应变松弛之间的相互依赖性。该方法包括提供绝缘体上SiGe衬底材料，其包括具有选择面内晶格参数、选择厚度参数和选择Ge含量参数的SiGe合金层，其中选择面内晶格参数具有恒定值，一个或两个其它参数，即厚度或Ge含量具有可调值；和调节一个或两个其他参数为最终选择值，同时保持面内晶格参数。所述调节是利用减薄工艺或热稀释工艺来实现的，这取决于是哪些参数是固定的和可调的。
文档编号H01L21/20GK1816910SQ200480019346
公开日2006年8月9日 申请日期2004年5月28日 优先权日2003年5月30日
发明者斯蒂芬·W.·贝德尔, 陈华杰, 基思·E.·佛格尔, 德温得拉·K.·萨达纳 申请人:国际商业机器公司
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