專利名稱：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種半導(dǎo)體制程，且特別有關(guān)于一種在半導(dǎo)體元件中形成具應(yīng)變異質(zhì)接面(strained heterojunctions)的多層結(jié)構(gòu)的制造方法。
背景技術(shù)：
應(yīng)變半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)廣泛地應(yīng)用在許多元件，其縮小的能帶間隙可以改善元件效能。包含異質(zhì)接面的多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)有助于制造許多不同的電子及光電元件，而雙載流子晶體管(bipolartransistors)是其中最重要的電子元件之一。應(yīng)變異質(zhì)接面半導(dǎo)體元件的另一有利的用途是作為PMOS或NMOS金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metal oxide semiconductor field effecttransistors；MOSFET’s)的溝道區(qū)或源極/漏極區(qū)。例如，在異質(zhì)接面MOSFET元件中，應(yīng)變溝道區(qū)會改善溝道區(qū)內(nèi)的載流子遷移率。在應(yīng)變硅溝道區(qū)內(nèi)，通常是在一具有較硅的晶格常數(shù)為大的基板層上形成應(yīng)變硅層，而由于松弛硅-鍺層與硅制程的兼容性高，所以適合作為此類硅基板層，就此而言，在一松弛硅-鍺層上形成一應(yīng)變硅層是特別有益的。
已知制造應(yīng)變硅溝道層的方法包括在一剛長成的松弛或未應(yīng)變硅-鍺層長一硅層。松弛硅-鍺層的形成方式是先在一硅基板上長一厚度約1.5微米的Si1-xGex漸變層，其中x由0％遞增30％；然后長一層厚度約0.03微米的薄Si1-xGex層于其上，其中x由30％遞減至0％；最上層再長一厚度為1微米的Si0.7Ge0.3層。此方法有幾個缺點，包含因為大約耗費6～8小時生長不同層，導(dǎo)致外延膜成本過高；且因為此厚外延層而導(dǎo)致高錯位濃度。
因此，業(yè)界亟需制造具備應(yīng)變硅層形成于松弛層上的多層異質(zhì)接面元件及降低缺陷的方法，而利用較薄的外延層更益于達到上述目的。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明的方法可降低硅-鍺的厚度，除了可降低錯位的濃度及降低成本外，還可提供較佳的熱傳導(dǎo)、降低接面電容(junction capacitance)、減少接面泄漏(junctionleakage)。
為達上述與其它目的，本發(fā)明的方法主要是提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法。包括提供一具備硅表面的基板，外延形成一應(yīng)變硅-鍺層于硅表面上及外延形成一硅層于硅-鍺層上。此方法更包含熱處理，因而將受應(yīng)力硅-鍺層轉(zhuǎn)變?yōu)樗沙诠?鍺層，并且于硅層中形成應(yīng)變。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該熱處理包含熔化該硅-鍺層，但不熔化該硅層，然后冷卻使得該硅-鍺層固化。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該熱處理的位置具有選擇性。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該熱處理包含快速加熱退火及激光處理其中之一。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該熱處理包含該激光處理且能量密度介于0.1至1.0W/cm2。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該熱處理包含連續(xù)波激光處理及脈沖波激光處理其中之一。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該熱處理包含該激光處理且波長小于11000埃。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該熱處理是屬單一加熱操作，隨后以一冷卻操作將該受應(yīng)力硅-鍺層轉(zhuǎn)換成松弛硅-鍺層，并且同時于該硅層內(nèi)形成應(yīng)變。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該外延形成一受應(yīng)力硅-鍺層包含形成厚度小于500埃的該受應(yīng)力硅-鍺層。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該外延形成一硅層包含外延形成一單晶硅層。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該外延形成一硅層包含外延形成厚度介于100至200埃的該單晶硅層。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該外延形成一受應(yīng)力硅-鍺層及該外延形成一硅層包含化學(xué)氣相沉積法外延和分子束外延之一。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該硅層大體上連續(xù)地與該硅-鍺層連接，且該熱處理包括一冷卻步驟使得該硅層膨脹以致于大體上達到與該硅-鍺層相同的晶格常數(shù)并于該硅層產(chǎn)生應(yīng)變。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，更包含在該熱處理前至少對該硅層及該硅-鍺層進行圖案化。
本發(fā)明所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法包括下列主要步驟提供一硅層于基板上，利用外延生成的方式形成一松弛硅-鍺層于硅層上且形成一應(yīng)變單晶硅層于硅-鍺層上。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該形成一松弛硅-鍺層且形成一應(yīng)變單晶硅層包含外延形成一初始受應(yīng)力硅-鍺層于該硅層上；外延形成一單晶硅層于該硅-鍺層上；以及以熱處理和冷卻，使得該初始受應(yīng)力硅-鍺層轉(zhuǎn)變?yōu)樵撍沙诠?鍺層，且使得該單晶硅層變成應(yīng)變單晶硅層。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該熱處理使得該硅-鍺層熔化，但不熔化該單晶硅層，經(jīng)冷卻后使得該硅-鍺層固化。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該熱處理的對象和位置具有選擇性。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含一塊材硅基板層并于其上設(shè)置一厚度小于500埃的松弛硅-鍺層，最后于松弛硅-鍺層上設(shè)置一應(yīng)變單晶硅層。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括一硅層并于其上設(shè)置一硅-鍺層及一單晶硅層設(shè)置于硅-鍺層上。至少有一部分的硅-鍺層實質(zhì)上被熔化并且由硅層延伸至單晶硅層。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括一硅-鍺層形成于一硅基板及一單晶硅層形成于該硅-鍺層上。在一加熱操作中對硅-鍺層及單晶硅層實施加熱處理，使得硅-鍺層展現(xiàn)松弛性質(zhì)及單晶硅層展現(xiàn)應(yīng)變性質(zhì)。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該硅-鍺層及該單晶硅層的熱處理是屬同一操作。


圖1顯示一最佳實施例的硅/硅-鍺/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并包含進行熱處理的激光。
圖2顯示一多層結(jié)構(gòu)在熱處理前的原子晶格；多層結(jié)構(gòu)是單晶硅層形成于硅-鍺層上，而硅-鍺層形成于硅基板層上。
圖3顯示一單晶硅層/硅-鍺層/硅基板層結(jié)構(gòu)經(jīng)熱處理及冷卻后的原子晶格。
具體實施例方式
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下本發(fā)明提供一個在半導(dǎo)體元件內(nèi)形成具備應(yīng)變異質(zhì)接面的多層結(jié)構(gòu)的方法。異質(zhì)接面是一層介于主要組成不相同的兩種材料間的電子接面(electric junction)。在半導(dǎo)體制造的領(lǐng)域，此類應(yīng)變半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)在許多的元件應(yīng)用上是相當(dāng)有幫助的，特別是在改善載流子遷移率方面。本發(fā)明不限于任何特定的應(yīng)用或結(jié)構(gòu)，且也許可以應(yīng)用于眾多的光電元件和電子元件。例如，本發(fā)明的應(yīng)變異質(zhì)接面半導(dǎo)體元件也可應(yīng)用于雙載流子晶體管或MOSFET’s，特別是MOSFET’s的源極/漏極區(qū)且/或溝道區(qū)。本發(fā)明提供一較佳的多層Si/Si1-xGex/Si異質(zhì)接面三明治結(jié)構(gòu)，且至少其中的硅-鍺層和上層的硅層是借由外延生長所形成。
圖1表示本發(fā)明的一較佳實施例的結(jié)構(gòu)剖面圖，圖2表示本發(fā)明的一較佳實施例的結(jié)構(gòu)于形成時但未經(jīng)熱處理前的原子晶格。此外，圖1亦表示如本發(fā)明一較佳實施例的熱處理方法。根據(jù)圖1及圖2所示，硅-鍺層4形成于硅底層2上，而硅底層2可以是塊材硅基板或SOI(silicon-on-insulator；SOI)基板的硅層。在另一實施例中，硅底層2是在一基底上形成另一硅層，硅-鍺層4是利用外延生成法，如化學(xué)氣相沉積法(Chemicalvapor deposition；CVD)或分子束外延法(Molecular beam；MBE)所形成，但是其它許多外延沉積法也可用來形成硅-鍺薄膜4。在一較佳實施例中，CVD法的外延成長溫度介于800-1100℃，而MBE法則較低。硅-鍺層4的厚度8約數(shù)百埃；在一較佳實施例中，厚度8小于1200埃；在另一較佳實施例中則小于500埃；但是其它實施例也可使用不同厚度。如圖2所示，硅-鍺層4于形成時大體上無錯位存在且受到壓應(yīng)力。其中壓應(yīng)力的程度可能隨著硅-鍺薄膜4的厚度8而變化。硅-鍺薄膜4中的鍺濃度以Si1-xGex表示，并隨x值變化，其中x值介于0與1之間。在硅-鍺薄膜4中，鍺濃度x可以維持一個常數(shù)；或是有梯度變化。
然后利用外延成長制程于硅-鍺薄膜4上形成頂硅層6，而許多傳統(tǒng)的外延成長制程如CVD法或MB E法皆可使用。在一較佳實施例中，頂硅層6的厚度10可能介于100至200埃；在一較佳實施例中，可能介于100至500埃；但是其它較佳實施例也許使用不同厚度。在一較佳實施例中，頂硅層6是一單晶硅薄膜，且于其形成期間，硅-鍺層4仍維持受壓應(yīng)力的狀態(tài)。在許多半導(dǎo)體元件的各類應(yīng)用上，頂硅層6可以作為硅溝道。
例如，在熱處理前可以使用傳統(tǒng)方法在Si/Si1-xGex/Si的三明治結(jié)構(gòu)上選擇性地進行圖案化制程以定義主動區(qū)域(activeareas)。在一較佳實施例中，只有底硅層2被圖案化；在另一較佳實施例中，底硅層2及硅-鍺層4被圖案化；又在另一較佳實施例中，三層2、4、6全部被圖案化。
接著，利用Si1-xGex層的熔點比單晶硅層低的原理，對Si/Si1-xGex/Si的三明治結(jié)構(gòu)進行熱處理以選擇性地將Si1-xGex層熔化。在一較佳實施例中，單晶硅層的熔點約1400℃而硅-鍺層約900℃，但是Si1-xGex的熔點會隨著鍺濃即x值變化，當(dāng)x值增加時Si1-xGex的熔點亦隨之上升。在一較佳實施例中，使用快速加熱退火(RTA)法進行熱處理；在另一較佳實施例中，使用激光退火法進行熱處理，其中可以采用脈沖波激光或是連續(xù)波激光。如圖1所示，箭頭14代表激光，其直接指向多層結(jié)構(gòu)的表面12。除此之外，亦可使用XeCl激光或其它準(zhǔn)分子激光。可以調(diào)整激光能量以選擇性地只熔化硅-鍺層，卻不熔化頂硅層6。另外，可依據(jù)硅-鍺層4中鍺的濃度而使用不同的激光能量。對脈沖波激光而言，激光能量更取決于使用的脈沖波數(shù)目及/或頻率，而且功率密度和能量的選擇是與硅-鍺層4的厚度8有關(guān)聯(lián)的。在一較佳實施例中，激光功率密度介于0.1至1.0W/cm2可以熔化硅-鍺層約1000埃的厚度；但是在其它較佳實施例中，則使用其它的功率密度。在激光波長的選擇上，通常是選取可以被硅吸收的波段；在一較佳實施例中，使用小于11000埃的波長。熱處理程序使得大部分或全部的硅-鍺層4熔化，但頂硅層6仍保持是單晶硅物質(zhì)的固體狀態(tài)。而在冷卻步驟之前，經(jīng)熱處理后的硅-鍺層4從其與底硅層2的邊界至其與頂硅層6的邊界之間的部分，會處于大部分或完全熔融的狀態(tài)。
根據(jù)激光退火熱處理的實施例，熱處理的范圍可以涵蓋整個基板或只選擇特定的部分。根據(jù)實施例，上述后者的方式只有硅-鍺層4的指定部分會大致上被激光熔化，其余部分則不會。例如，只有選擇的區(qū)域如NMOS晶體管區(qū)進行激光退火。在一實施例中，使用一狹窄激光束直接指向基板的特定部分；在另一較佳實施例中，如圖1所示的掩膜板16是用來反射且/或吸收激光14，并避免多層結(jié)構(gòu)位于其下方的部分受到激光退火處理。
上述所提及的單一連續(xù)式熱處理操作使硅-鍺層4變得松弛。經(jīng)過熱處理操作后，可采用被動式或主動式冷卻技術(shù)使整個結(jié)構(gòu)冷卻且讓硅-鍺層4固化。硅-鍺層4在冷卻且固化時，松弛層會迫使與其緊緊相鄰的頂硅層6擴張并產(chǎn)生應(yīng)變，因此應(yīng)變頂硅層最好具有與相鄰的松弛硅-鍺層4相同的晶格常數(shù)。如上所述，在一連串的熱處理及一連串的冷卻操作后，此多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括應(yīng)變頂硅層6配置于松弛且固化的硅-鍺層4上，而硅-鍺層4配置于底硅層2上。又如圖3所示，在熱處理程序其間及之后，可能會產(chǎn)生錯位20促使硅-鍺層4上維持松弛薄膜狀態(tài)。
以上所述僅說明本發(fā)明的原則，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，作不同的組合與更動以實施本發(fā)明的原則。而且，所有揭露于此的例子及條件文字很明顯地僅為幫助讀者方便了解本發(fā)明的概念而非限定在前述特定實例與條件。另外，所有揭露本發(fā)明的原則、外觀、及實施例的敘述，亦包含其結(jié)構(gòu)上及功能上的等效置換物；此外，前述的等效置換物是指現(xiàn)在已知的及將來發(fā)展的，且不論結(jié)構(gòu)是否相同但只要具有相同功能皆包含在內(nèi)。
前述實施例的敘述是為配合相關(guān)圖例作為說明。其中，敘述中的相關(guān)措辭如“下部的”、“上部的”、“水平的”、“垂直的”、“在…之上”、“在…之下”、“在上面”、“在下面”、“頂部”、“底部”及其衍生詞(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)是方便于描述圖例中結(jié)構(gòu)的相關(guān)位置，結(jié)構(gòu)本身并無特定方向性，視討論時所引用的圖例的情況而作不同解釋。
以上所述僅為本發(fā)明較佳實施例，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何熟悉本項技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可在此基礎(chǔ)上做進一步的改進和變化，因此本發(fā)明的保護范圍當(dāng)以本申請的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
附圖中符號的簡單說明如下2底硅層2a熱處理前的底硅層晶格2b熱處理后的底硅層晶格4硅-鍺層4a熱處理前的硅-鍺層晶格4b熱處理后的硅-鍺層晶格6頂硅層6a熱處理前的頂硅層晶格6b熱處理后的頂硅層晶格8硅-鍺層厚度10頂硅層厚度12表面
14激光16掩膜板20錯位
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法包含提供一具有硅表面的基板；外延形成一受應(yīng)力硅-鍺層于該硅表面上；外延形成一硅層于該硅-鍺外延層上；以及以熱處理將該受應(yīng)力硅-鍺層轉(zhuǎn)變成松弛硅-鍺層，且在該硅層內(nèi)形成應(yīng)變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該熱處理包含熔化該硅-鍺層，但不熔化該硅層，然后冷卻使得該硅-鍺層固化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該熱處理的位置具有選擇性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該熱處理包含快速加熱退火及激光處理其中之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該熱處理包含該激光處理且能量密度介于0.1至1.0W/cm2。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該熱處理包含連續(xù)波激光處理及脈沖波激光處理其中之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該熱處理包含該激光處理且波長小于11000埃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該熱處理是屬單一加熱操作，隨后以一冷卻操作將該受應(yīng)力硅-鍺層轉(zhuǎn)換成松弛硅-鍺層，并且同時于該硅層內(nèi)形成應(yīng)變。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該外延形成一受應(yīng)力硅-鍺層包含形成厚度小于500埃的該受應(yīng)力硅-鍺層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該外延形成一硅層包含外延形成一單晶硅層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該外延形成一硅層包含外延形成厚度介于100至200埃的該單晶硅層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該外延形成一受應(yīng)力硅-鍺層及該外延形成一硅層包含化學(xué)氣相沉積法外延和分子束外延之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該硅層連續(xù)地與該硅-鍺層連接，且該熱處理包括一冷卻步驟使得該硅層膨脹以致于達到與該硅-鍺層相同的晶格常數(shù)并于該硅層產(chǎn)生應(yīng)變。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于更包含在該熱處理前至少對該硅層及該硅-鍺層進行圖案化。
15.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法包含提供一硅層于一基板上；形成一松弛硅-鍺層于該硅層上；并且使用外延生成法形成一應(yīng)變單晶硅層于該硅-鍺層上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該形成一松弛硅-鍺層且形成一應(yīng)變單晶硅層包含外延形成一初始受應(yīng)力硅-鍺層于該硅層上；外延形成一單晶硅層于該硅-鍺層上；以及以熱處理和冷卻，使得該初始受應(yīng)力硅-鍺層轉(zhuǎn)變?yōu)樵撍沙诠?鍺層，且使得該單晶硅層變成應(yīng)變單晶硅層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該熱處理使得該硅-鍺層熔化，但不熔化該單晶硅層，經(jīng)冷卻后使得該硅-鍺層固化。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于該熱處理的對象和位置具有選擇性。
19.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含一塊材硅基板層、一形成于該塊材硅基板層上且厚度小于500埃的松弛硅-鍺層、一配置于該硅-鍺層上的應(yīng)變單晶硅層。
20.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含一硅層、一配置于該硅層上的硅-鍺層、一配置于該硅-鍺層上的單晶硅層；至少有一部分硅-鍺層實質(zhì)上被熔化且由該硅層延伸至該單晶硅層。
21.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含一硅-鍺層形成于該硅層上，且經(jīng)熱處理而展現(xiàn)松弛性質(zhì)；及一單晶硅層形成于該硅-鍺層上，且經(jīng)熱處理而展現(xiàn)應(yīng)變性質(zhì)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于該硅-鍺層及該單晶硅層的熱處理是屬同一操作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，由上而下包括應(yīng)變單晶硅層、松弛硅－鍺層及硅基板層共三層，其中松弛硅－鍺層厚度小于500埃。其形成方法包含外延形成硅－鍺層及外延形成單晶硅層，其中硅－鍺層于形成時受應(yīng)力，且于硅－鍺層上形成單晶硅層后，利用快速熱退火或激光熱處理程序選擇性地熔化硅－鍺層，但不熔化單晶硅層，大部分硅－鍺層在熔化時釋放出壓縮應(yīng)力；最后經(jīng)一冷卻步驟后形成一松弛硅－鍺層及一應(yīng)變單晶硅層。本發(fā)明所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法可降低硅－鍺的厚度，除了可降低錯位的濃度及降低成本外，還可提供較佳的熱傳導(dǎo)、降低接面電容、減少接面泄漏。
文檔編號H01L21/36GK1705078SQ200510071129
公開日2005年12月7日 申請日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月3日
發(fā)明者曹敏 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司