專利名稱：包括具有前側(cè)和背側(cè)的硅單晶襯底和沉積于前側(cè)上的SiGe層的晶片的生產(chǎn)方法
包括具有前側(cè)和背側(cè)的硅單晶襯底和沉積于前側(cè)上的 SiGe層的晶片的生產(chǎn)方法在硅單晶襯底上通過外延沉積方法沉積的SiGe晶體異質(zhì)外延層一般和襯底在 多個(gè)材料性質(zhì)上不同，包括晶格尺寸和熱膨脹系數(shù)。在Si上沉積SiGe是用于將晶格常 數(shù)從Si增大到純Ge的公知體系，后者的晶格常數(shù)大于Si的4.2%。在下文中，SiGe是 Si(1_x)Gex的縮寫，其中χ表示0. 2到1. 0范圍內(nèi)的值。在沉積的早期，異質(zhì)外延的SiGe層 相對(duì)于底層的襯底晶格應(yīng)變。超過一定的層厚度(臨界厚度)后，通過所謂的錯(cuò)配位錯(cuò) (misfit dislocations, MFD)的介入，異質(zhì)外延層的晶體開始松弛。盡管在垂直于生長方 向的平面內(nèi)取向，但并非所有的MFD都延伸至襯底晶片的邊緣，一定量的MFD彎曲并形成 穿過生長層到達(dá)表面的穿透位錯(cuò)(threading dislocation, TD) 0沿著線形成簇的TD稱作 垛(pile-up-S(PU))，對(duì)電子裝置特別有害。來自位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力場也引起稱作交叉影線 (cross-hatch)的表面粗糙化。MFD、Pu、TD、交叉影線和晶片彎曲(弓形、卷曲)的形成是 來自晶格失配的應(yīng)變借以釋放的機(jī)制。已開發(fā)許多外延沉積技術(shù)以減少應(yīng)變松馳對(duì)異質(zhì)外 延層的晶體質(zhì)量的負(fù)作用。SiGe層中的Ge濃度的漸變(grading)已是減少TD和Pu以及 稱作SiGe緩沖層的表面粗糙的密度的成功方法。已開發(fā)許多漸變Ge濃度的方案，以使Si 的晶格和在被漸變的SiGe緩沖層的表面上恒定的預(yù)定晶格相等。例如，SiGe緩沖層中的 Ge的濃度連續(xù)或逐步漸變。迄今為止，對(duì)沉積結(jié)束后的反應(yīng)幾乎沒有關(guān)注。一般，沉積通過將硅單晶襯底晶片 加熱至特定溫度然后使組件在氣相中生長膜而完成(例如CVD，PVD, MBE)。當(dāng)膜的生長結(jié) 束時(shí)，膜相對(duì)于襯底完全或部分松弛。有時(shí)，進(jìn)行退火步驟以完全松弛SiGe緩沖層。沉積 完成后，層狀的晶片開始冷卻。由于異質(zhì)外延層和襯底之間的熱膨脹系數(shù)差異，新的應(yīng)力產(chǎn) 生。該應(yīng)力分量按照和膜生長期間由晶格失配引入的應(yīng)力相似的方式影響層性質(zhì)。次生松 弛，晶片的彎曲和表面的粗糙化是釋放該應(yīng)力的機(jī)制。已嘗試減少晶片的彎曲。通過在異質(zhì)外延層中提供應(yīng)變的Si的薄中間層，這樣的 嘗試已在一定程度上獲得成功。這種類型的一種方法公開于US2008/0017952A1，另一種公 開于 US2009/0087961A1。根據(jù)US2003/0033974A1，具有III-V氮化層且沒有缺陷和微裂的平外延片可通過 將這樣的層沉積于襯底的前側(cè)和背側(cè)上而獲得。這些方法都用于補(bǔ)償因異質(zhì)外延的前側(cè)層產(chǎn)生的應(yīng)力引起的晶片彎曲。本發(fā)明旨 在提供使用由背側(cè)層產(chǎn)生的應(yīng)力以改變異質(zhì)外延的前側(cè)層的生長和冷卻機(jī)制，從而改進(jìn)前 側(cè)層的晶體質(zhì)量，特別是由交叉影線的產(chǎn)生引起的TDD和表面粗糙的方法。應(yīng)力補(bǔ)償層的提供防止異質(zhì)外延層在將晶片從沉積溫度冷卻后的階段期間的劣 化。沉積后，異質(zhì)外延層處于完全或部分松弛的狀態(tài)，取決于沉積期間的條件。當(dāng)成膜氣體 關(guān)閉后，晶片通常以受控的方式冷卻。由于襯底和異質(zhì)外延層的熱失配，新的應(yīng)力產(chǎn)生并引 起一系列次生松弛過程。它們包括次生位錯(cuò)的形成，表面的粗糙化以及晶片的彎曲。一般 可以觀察到TD密度和朝向晶片邊緣的表面粗糙度的有力增大。然而，沉積應(yīng)力補(bǔ)償層抵消 新的應(yīng)力的產(chǎn)生，消除中部和邊緣就RMS-粗糙度而言的不均勻，減少TD的密度和由交叉影線引起的粗糙度，并改善晶片的彎曲。所述應(yīng)力補(bǔ)償層在沉積異質(zhì)外延層之前在襯底的背 側(cè)提供所需的應(yīng)力量。然而，盡管在沉積異質(zhì)外延層之前在前側(cè)沉積應(yīng)力補(bǔ)償層解決和異質(zhì)外延層的缺 陷和晶片的彎曲有關(guān)的問題，但其他晶片參數(shù)會(huì)顯著受損。對(duì)于用于亞-45nm裝置時(shí)代的 先進(jìn)CMOS晶體管的制造最為重要的參數(shù)是和晶片的幾何有關(guān)的參數(shù)，特別是全局和局部 平坦度參數(shù)(SFQR，SBIR)和納米形貌(nano-topography)。用于生產(chǎn)適用于32nm裝置時(shí)代以下的異質(zhì)外延的300mm晶片的工藝流程需要優(yōu) 化，以滿足在背側(cè)上增加應(yīng)力補(bǔ)償層和在晶片的前側(cè)上增加異質(zhì)外延層的情況下關(guān)于這些 參數(shù)的嚴(yán)格規(guī)范。本發(fā)明的目的在于提供晶片的生產(chǎn)方法，所述晶片包括硅單晶襯底和沉積于襯底 的前側(cè)上的SiGe異質(zhì)外延層以及背側(cè)上的應(yīng)力補(bǔ)償層，所述晶片具有改進(jìn)的全局和局部 平坦度參數(shù)和納米形貌。所述目的通過下列晶片生產(chǎn)方法實(shí)現(xiàn)，所述晶片包括具有前側(cè)和 背側(cè)的硅單晶襯底和沉積于所述前側(cè)上的SiGe層，所述方法包括下列順序的步驟同時(shí)拋光硅單晶襯底的前側(cè)和背側(cè)；在硅單晶襯底的背側(cè)上沉積應(yīng)力補(bǔ)償層；拋光硅單晶襯底的前側(cè)；清潔背側(cè)上沉積了壓力補(bǔ)償層的硅單晶襯底；和在硅單晶襯底的前側(cè)上沉積完全或部分松馳的SiGe層。權(quán)利要求所述方法包括在襯底的背側(cè)上提供應(yīng)力補(bǔ)償層(stresscompensating layer, SCL)。SCL沉積于襯底的背側(cè)上，且在襯底的前側(cè)上沉積完全或部分松弛的SiGe緩 沖層(下面也稱作“異質(zhì)外延層”)之前。SCL有利地按下列方式生長提供合適的應(yīng)力量 以補(bǔ)償在襯底的前側(cè)上沉積異質(zhì)外延層后將晶片從沉積溫度冷卻期間產(chǎn)生的應(yīng)力。根據(jù)本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，如果SCL的厚度和組成按照提供所需量的應(yīng)力的方式選擇，則實(shí)現(xiàn) 適量的補(bǔ)償應(yīng)力。這可根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)，如果補(bǔ)償應(yīng)力層包括組成恒定的 SiGe層并且所述組成恒定的SiGe層的厚度或者組成或者兩者用于應(yīng)力控制。原則上，這個(gè) 方法和異質(zhì)外延層的組成和厚度無關(guān)。增大所述組成恒定的SiGe層的厚度或增大所述組 成恒定的SiGe層中Ge的濃度或增大兩者將增大應(yīng)力，該應(yīng)力用于補(bǔ)償由異質(zhì)外延層在冷 卻期間引起的應(yīng)力。所述組成恒定的SiGe層中Ge的濃度優(yōu)選在10到80%的范圍內(nèi)。關(guān)于所述方法的各個(gè)步驟的具體過程是在同時(shí)雙側(cè)拋光(simultaneousdouble side polishing,DSP)期間，將襯底固定于載體，并在拋光漿料的存在下在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的拋光 墊之間進(jìn)行拋光。優(yōu)選將晶片拋光至補(bǔ)償晶片因前側(cè)和背側(cè)增加外延層而引起的變厚所需 的最終厚度。材料的除去量優(yōu)選基本等于在異質(zhì)外延晶片的制備過程中在襯底上沉積的層 的總厚度，使得最終的晶片產(chǎn)品的厚度不超過目標(biāo)厚度。目標(biāo)厚度優(yōu)選為直徑和異質(zhì)外延 晶片相同的常用外延片的厚度。例如，直徑為300mm的外延片的厚度一般在772到778 μ m 的范圍內(nèi)。例如，如果所有的正背側(cè)外延層在最終厚度中增加Ilym(考慮中間CMP步驟產(chǎn) 生的除去)，則優(yōu)選將襯底晶片雙側(cè)拋光至761到767 μ m的厚度。DSP后，優(yōu)選清潔并干燥襯底，然后通過化學(xué)汽相沉積(chemical vapord印osition，CVD)在硅襯底的背側(cè)上沉積應(yīng)力補(bǔ)償層。SCL包括SiGe層。SiGe層的 厚度和組成接近于產(chǎn)生一應(yīng)力，該應(yīng)力基本上補(bǔ)償在襯底的前側(cè)上沉積異質(zhì)外延層后產(chǎn)生的應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方案，應(yīng)力補(bǔ)償層具有和異質(zhì)外延層基本相同或相似的 厚度和組成。根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施方案，SCL包括組成恒定的SiGe層。SCL的厚度或 恒定組成中的Ge含量或兩者選擇用于控制SCL的應(yīng)力，以基本補(bǔ)償襯底的前側(cè)上的異質(zhì)外 延層的應(yīng)力。SCL上可沉積厚度優(yōu)選不超過IOOnm且優(yōu)選不少于5nm的硅的密封帽層。帽 層改進(jìn)其他制造過程中可包括的處理和清潔操作。在襯底的背側(cè)上沉積SCL后，通過化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanicalpolishing,CMP)拋光襯底的前側(cè)。在CMP期間，用載體將襯底壓向旋轉(zhuǎn)的拋光 墊，并在拋光漿料的存在下拋光。該步驟主要改進(jìn)異質(zhì)外延晶片的局部平坦度和納米形貌。 通過CMP除去的材料的量優(yōu)選約為0. 5 μ m-1. 5 μ m。優(yōu)選考慮該除去，使得晶片在硅襯底的 前側(cè)上沉積完全或部分松弛的SiGe層后滿足總厚度規(guī)范。此外，對(duì)襯底進(jìn)行CMP后清潔(post-CMP cleaning)步驟，該步驟優(yōu)選在單晶片清 潔裝置中進(jìn)行。清潔液可以是水或含水清潔劑，特別是為了 SiGe表面而改變了濃度和溫度 的SC1/SC2清潔型清潔液。襯底的CMP后清潔之后，在襯底的前側(cè)上沉積完全或部分松弛的漸變的SiGe異質(zhì) 外延層，優(yōu)選通過CVD進(jìn)行。異質(zhì)外延層的Ge濃度優(yōu)選在20.0到90.0%的范圍內(nèi)。Ge漸 變的程度優(yōu)選為10-20% / μ m0異質(zhì)外延層的厚度優(yōu)選為1. 0-9. 0 μ m。所述方法可包括一個(gè)或多個(gè)另外的步驟，例如在襯底的前側(cè)上沉積SiGe層后拋 光異質(zhì)外延晶片的邊緣和凹槽。可在硅單晶襯底的DSP后進(jìn)行另外的CMP和CMP后清潔。 可在異質(zhì)外延晶片的前側(cè)上沉積一個(gè)或多個(gè)其他外延層，例如在漸變的SiGe異質(zhì)外延層 上沉積組成恒定的SiGe層，和在組成恒定的SiGe層上沉積應(yīng)變的硅層。所述組成恒定的 SiGe層中Ge的濃度優(yōu)選為20到90%。在沉積其他外延層之前可重復(fù)CMP和CMP后清潔。 在沉積其他外延層之前的CMP可用固定研磨拋光方法替換，該方法使用固定的研磨顆粒代 替包括自由研磨顆粒的漿料。下面參考附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。

圖1表示用于選擇70% SiGe恒定組成的SCL的合適厚度的校準(zhǔn)曲線。例如，為了 補(bǔ)償襯底的前側(cè)上在4. 5 μ m的漸變層上Ge的濃度在70%范圍內(nèi)的漸變的SiGe層，和1 μ m 的70%恒定組成的層的應(yīng)力，圖1建議對(duì)于恒定組成的70% -SiGe-SCL，2. 5μπι的厚度將 適合于避免彎曲(和鉆石形點(diǎn)相應(yīng)的線)，并將卷曲減至最小(和正方形點(diǎn)相應(yīng)的曲線)。圖2表示根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案生產(chǎn)的異質(zhì)外延晶片。所述晶片包括 硅單晶襯底10和沉積于襯底的前側(cè)上的漸變SiGe層20。所述晶片還包括沉積于襯底的背 側(cè)上的應(yīng)力補(bǔ)償層30。所述應(yīng)力補(bǔ)償層優(yōu)選包括組成恒定的SiGe層，該組成恒定的SiGe 層具有適合于補(bǔ)償由異質(zhì)外延層引起的應(yīng)力的合適的厚度和組成。圖3表示根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案生產(chǎn)的異質(zhì)外延晶片。所述晶片包括 硅單晶襯底10和沉積于襯底的前側(cè)上的異質(zhì)外延層，其中所述異質(zhì)外延層包括沉積于襯 底的前側(cè)上的漸變SiGe層40和沉積于所述漸變SiGe層上的組成恒定的SiGe層50。所述 晶片還包括沉積于襯底的背側(cè)上的應(yīng)力補(bǔ)償層，其中所述應(yīng)力補(bǔ)償層包括沉積于襯底的背 側(cè)上的漸變SiGe層60和沉積于所述漸變SiGe層上的組成恒定的SiGe層70。所述應(yīng)力補(bǔ)償層可具有和異質(zhì)外延層相同或相似的組成，或具有和異質(zhì)外延層相 同或相似的厚度。
圖4表示常用的異質(zhì)外延晶片。它包括硅單晶襯底1和沉積于襯底的前側(cè)上的異 質(zhì)外延層2。下面借助于實(shí)施例說明本發(fā)明的積極效果。 實(shí)施例通過進(jìn)行下列順序的步驟生產(chǎn)如圖2簡述的異質(zhì)外延晶片對(duì)直徑為300mm的單 晶硅的襯底晶片進(jìn)行DSP。將晶片拋光至768μπι的目標(biāo)厚度。然后，清潔并干燥襯底，在 單晶片CVD反應(yīng)器中在襯底的背側(cè)上沉積Ge含量為70%且厚度為2. 5 μ m的組成恒定的 SiGe層。然后，對(duì)襯底的前側(cè)進(jìn)行CMP。從襯底的前側(cè)除去1. Oym的材料。然后，用純水 對(duì)襯底進(jìn)行CMP后清潔。最后，在襯底的前側(cè)上沉積厚度為5μπι的漸變SiGe層以生產(chǎn)具 有應(yīng)力補(bǔ)償背側(cè)層的異質(zhì)外延晶片。漸變SiGe層中的Ge濃度從0漸變至70% Ge。然后， 沉積1 μ m的組成恒定的SiGe層(70% Ge)。用于沉積應(yīng)力補(bǔ)償層和異質(zhì)外延層的沉積氣 體是在作為載氣的氫氣中的SiC12H2和GeC14的混合物。比較例1 出于比較的目的，生產(chǎn)具有和實(shí)施例相同的前側(cè)和背側(cè)異質(zhì)外延層的另一異質(zhì)外 延晶片，但根據(jù)和本發(fā)明不同的下列方法生產(chǎn)(1)雙側(cè)拋光至標(biāo)準(zhǔn)晶片厚度(773μπι)和， (2)對(duì)前側(cè)進(jìn)行CMP，除去0. 3 μ m。然后，作為步驟(3)，在背側(cè)上沉積組成恒定的SCL ；作 為步驟(4)，在前側(cè)上沉積5 μ m的漸變緩沖層和1 μ m的組成恒定的SiGe (70% Ge)。比較例2 也出于比較的目的，通過進(jìn)行下列順序的步驟生產(chǎn)背側(cè)上沒有SCL的異質(zhì)外延晶 片(簡述于圖4) (1)雙側(cè)拋光至標(biāo)準(zhǔn)晶片厚度(773 μ m)，(2)對(duì)前側(cè)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)CMP，除去 0. 3 μ m，和(3)在前側(cè)上沉積5 μ m的漸變緩沖層和1 μ m的組成恒定的SiGe (70% Ge)。從表示彎曲，卷曲，全局和局部平坦度，以及納米形貌的角度分析根據(jù)實(shí)施例和比 較例1和2生產(chǎn)的異質(zhì)外延晶片。結(jié)果顯示于下表。表格 幾何數(shù)據(jù)用ADE-AFS工具測(cè)量。納米形貌根據(jù)SEMI標(biāo)準(zhǔn)M43在ADE納米繪制裝
置上測(cè)量。結(jié)果清楚地顯示，如果和比較例1和2相比，就幾乎所有關(guān)于晶片幾何和納米形貌 的關(guān)鍵參數(shù)而言，權(quán)利要求所述方法得到改進(jìn)了質(zhì)量的晶片。
權(quán)利要求
晶片的生產(chǎn)方法，所述晶片包括具有前側(cè)和背側(cè)的硅單晶襯底和沉積于所述前側(cè)上的SiGe層，所述方法包括下列順序的步驟同時(shí)拋光硅單晶襯底的前側(cè)和背側(cè)；在硅單晶襯底的背側(cè)上沉積應(yīng)力補(bǔ)償層；拋光硅單晶襯底的前側(cè)；清潔背側(cè)上沉積了壓力補(bǔ)償層的硅單晶襯底；和在硅單晶襯底的前側(cè)上沉積完全或部分松馳的SiGe層。
2.權(quán)利要求1的方法，其還包括在應(yīng)力補(bǔ)償層上沉積硅帽層。
3.權(quán)利要求1的方法，其還包括拋光晶片的邊緣和凹槽，所述晶片包括硅單晶襯底、 沉積于背側(cè)上的應(yīng)力補(bǔ)償層和沉積于硅單晶襯底的前側(cè)上的SiGe異質(zhì)外延層。
4.權(quán)利要求1的方法，其還包括拋光和清潔沉積于硅單晶襯底的前側(cè)上的SiGe異質(zhì) 外延層。
5.權(quán)利要求1的方法，其還包括在沉積于硅單晶襯底的前側(cè)上的SiGe層上沉積一個(gè) 或多個(gè)其他外延層。
6.權(quán)利要求5的方法，其包括在沉積其他外延層前拋光晶片的前側(cè)，其中所述拋光按 照存在含研磨顆粒的漿料的化學(xué)機(jī)械拋光或按照不存在含研磨顆粒的漿料的固定研磨拋 光進(jìn)行。
全文摘要
晶片的生產(chǎn)方法，所述晶片包括具有前側(cè)和背側(cè)的硅單晶襯底和沉積于所述前側(cè)上的SiGe層，所述方法包括下列順序的步驟同時(shí)拋光硅單晶襯底的前側(cè)和背側(cè)；在硅單晶襯底的背側(cè)上沉積應(yīng)力補(bǔ)償層；拋光硅單晶襯底的前側(cè)；清潔背側(cè)上沉積了壓力補(bǔ)償層的硅單晶襯底；和在硅單晶襯底的前側(cè)上沉積完全或部分松馳的SiGe層。
文檔編號(hào)H01L21/20GK101887848SQ20101012904
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月13日
發(fā)明者P·施托克, T·布施哈特 申請(qǐng)人:硅電子股份公司