專利名稱：：具有異質(zhì)外延層的半導(dǎo)體晶片以及制造該晶片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：通過外延沉積而沉積在單晶基底上的晶態(tài)異質(zhì)外延層通常在包括晶體晶格尺寸和熱膨脹系數(shù)的若干材料特性方面不同于基底。在沉積的早期階段，異質(zhì)外延層相對(duì)于位于下方的基底晶格是發(fā)生應(yīng)變的。在超過特定的層厚度(臨界厚度)之后，通過插入所謂的錯(cuò)配位錯(cuò)(MFD)異質(zhì)外延層的晶體開始松弛。雖然定向在垂直于生長方向的平面中，并不是所有的MFD均延伸至基底晶片的邊緣，而是一定數(shù)量的發(fā)生彎曲并形成螺旋位錯(cuò)(TD)，其通過生長層傳播至表面。沿著線形成TD的團(tuán)簇被稱作塞積(Pu)，其尤其是有害于電子器件。來自位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力場(chǎng)還導(dǎo)致稱作交叉線陰影(cross-hatch)的表面粗糙化。MFD、Pu、TD、交叉線陰影的形成和晶片的彎曲(弓彎bow、翹曲warp)是用以消除由晶格錯(cuò)配引起的應(yīng)變的機(jī)理。已經(jīng)開發(fā)了許多外延沉積技術(shù)以降低應(yīng)變松弛對(duì)異質(zhì)外延層的晶體品質(zhì)的負(fù)面影響。在Si上的SiGe沉積是用于從Si至純Ge增加晶格常數(shù)的已知系統(tǒng)，Ge的晶格常數(shù)比Si大4.2X。SiGe層中的Ge濃度的分級(jí)是一種降低TD和Pu密度及SiGe緩沖層的表面粗糙度的成功途徑。已經(jīng)開發(fā)了Ge濃度分級(jí)的許多變體以使Si的晶體晶格匹配于在分級(jí)的Si(^)Gex緩沖層的表面上的預(yù)期的晶體晶格常數(shù)。目前很少有人注意到沉積結(jié)束之后的反應(yīng)。沉積通常是通過加熱基底即硅晶片至特定的溫度然后提供用于在氣相中生長薄膜的組份(CVD、PVD、MBE等)而進(jìn)行的。當(dāng)薄膜生長結(jié)束時(shí)，薄膜相對(duì)于基底是完全或部分松弛的。有時(shí)實(shí)施退火步驟以使SiGe緩沖完全松弛。在沉積完成之后，開始冷卻分層的晶片。因?yàn)樵诋愘|(zhì)外延層與基底之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，所以產(chǎn)生應(yīng)力，晶片彎曲至一定程度，導(dǎo)致晶片的彎曲。晶片的弓彎是薄膜應(yīng)力、薄膜厚度和基底機(jī)械性能的函數(shù)。已嘗試使所得SiGe/Si結(jié)構(gòu)的弓彎最小化，例如限制異質(zhì)外延層的厚度。US2008/0017952Al描述了一種用于通過將薄的應(yīng)變硅過渡層插入生長的SiGe層中而降低由松弛的SiGe緩沖層引起的弓彎的方法，在此將其公開的內(nèi)容并入本申請(qǐng)作為參考。這些層用以降低弓彎至一定的程度，并降低TD密度至小于10、m'2。雖然該方法對(duì)于弓彎具有一定的積極作用，但是其無法減少交叉線陰影和表面粗糙化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供用于不僅降低弓彎和TD密度而且減少交叉線陰影和表面粗糙化的適當(dāng)方案。本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體晶片，其包括具有第一面和第二面的基底；沉積在該基底的第一面上的完全或部分松弛的異質(zhì)外延層；以及沉積在該基底的第二面上的應(yīng)力補(bǔ)償層。本發(fā)明還提供一種用于制造半導(dǎo)體晶片的方法，其包括在沉積溫度下在基底的第一面上沉積完全或部分松弛的異質(zhì)外延層；以及在從該沉積溫度冷卻晶片之前在該基底的第二面上提供應(yīng)力補(bǔ)償層(SCL)。根據(jù)本發(fā)明的方法包括在從沉積溫度冷卻晶片之前及在該晶片的正面上沉積完全或部分松弛的緩沖層(在下文中稱作"異質(zhì)外延層")之后在基底晶片的背面上提供應(yīng)力補(bǔ)償層。SCL生長的方式有利地提供適當(dāng)量的應(yīng)力以補(bǔ)償在從沉積溫度冷卻晶片時(shí)由異質(zhì)外延層產(chǎn)生的應(yīng)力。適當(dāng)量的補(bǔ)償應(yīng)力是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)的，條件是應(yīng)力補(bǔ)償層的厚度和組成對(duì)應(yīng)或者相近于異質(zhì)外延層的厚度。相近的組成意味著異質(zhì)外延層和應(yīng)力補(bǔ)償層中組份的濃度相差不多于約20%。相近的厚度意味著兩層的厚度相差不多于20%。適當(dāng)量的補(bǔ)償應(yīng)力是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)的，條件是應(yīng)力補(bǔ)償層包括恒定組成SiGe層，使用恒定組成SiGe層的厚度或組成或兩者以控制應(yīng)力。原則上，該方法與異質(zhì)外延層的組成和厚度無關(guān)。增加恒定組成SiGe層的厚度或者提高恒定組成SiGe層中的Ge濃度或者增加兩者，則提高應(yīng)力以補(bǔ)償在冷卻期間由異質(zhì)外延層引起的應(yīng)力。恒定組成SiGe層中的Ge濃度優(yōu)選在10至80%的范圍內(nèi)選擇。出人意料的是，通過依照本發(fā)明提供應(yīng)力補(bǔ)償層，不僅可以適當(dāng)?shù)乜刂扑镁墓瓘?，而且可以大幅降低異質(zhì)外延層的交叉線陰影和表面粗糙度。本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)為，提供應(yīng)力補(bǔ)償層避免了在從沉積溫度冷卻晶片之后的階段中異質(zhì)外延層的分解。在沉積之后，取決于沉積中的條件，異質(zhì)外延層處于完全或部分松弛的狀態(tài)。若關(guān)閉形成薄膜的氣體，則該晶片通常以受控制的方式冷卻。由于基底與異質(zhì)外延層的熱錯(cuò)配，產(chǎn)生新的應(yīng)力，并引起一組次級(jí)松弛過程。它們包括形成二次位錯(cuò)、表面的粗糙化以及晶片的弓彎。通常觀察到TD密度和表面粗糙度向著晶片邊緣的方向大幅增加。根據(jù)本發(fā)明提供應(yīng)力補(bǔ)償層的方法允許使新應(yīng)力的產(chǎn)生最小化，消除中心至邊緣在異質(zhì)外延層的RMS粗糙度方面的非一致性，降低由交叉線陰影引起的異質(zhì)外延層的TD密度和粗糙度，以及控制晶片的弓彎。下面參照附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明。圖1所示為包括基底1和沉積在其上的異質(zhì)外延層2的晶片。圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的晶片。該晶片包括基底10和沉積在該基底的正面上的異質(zhì)外延層20。該晶片還包括沉積在該基底的背面上的應(yīng)力補(bǔ)償層30。該應(yīng)力補(bǔ)償層優(yōu)選包括恒定組成SiGe層，其具有適當(dāng)?shù)暮穸群徒M成以補(bǔ)償在從沉積溫度冷卻期間由異質(zhì)外延層引起的應(yīng)力。圖3所示為優(yōu)選的根據(jù)本發(fā)明的晶片。該晶片包括基底10和沉積在該基底的正面上的異質(zhì)外延層，其中該異質(zhì)外延層包括沉積在該基底的正面上的分級(jí)SiGe層40以及沉積在該分級(jí)SiGe層上的恒定組成SiGe層50。該晶片還包括沉積在該基底的背面上的應(yīng)力補(bǔ)償層，其中該應(yīng)力6補(bǔ)償層包括沉積在該基底的背面上的分級(jí)SiGe層60以及沉積在該分級(jí)SiGe層上的恒定組成SiGe層70。在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案中，應(yīng)力補(bǔ)償層具有與異質(zhì)外延層相同或相近的組成以及與異質(zhì)外延層相同或相近的厚度。具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例展示本發(fā)明的積極效果。具有由分級(jí)SiGe層和位于該分級(jí)SiGe層之上的恒定組成SiGe層組成的異質(zhì)外延層的晶片是在單晶片CVD反應(yīng)器中通過在硅基底晶片的正面上沉積異質(zhì)外延層而制造的。該分級(jí)SiGe層中的最大鍺濃度為70%。該分級(jí)SiGe層的厚度為4.6pm。該恒定組成SiGe層中的鍺濃度為70%。該恒定組成SiGe層的厚度為1nm。在該基底的正面上沉積異質(zhì)外延層之前，在該基底的背面上沉積應(yīng)力補(bǔ)償層。用恒定組成Sio.3Geo.7層作為應(yīng)力補(bǔ)償層而實(shí)施若干次實(shí)驗(yàn)，其中改變?cè)搶拥暮穸纫燥@示對(duì)異質(zhì)外延層的應(yīng)力消除作用。用由基底上的最大鍺濃度為70%的分級(jí)SiGe層和位于該分級(jí)SiGe層之上的恒定組成SiGe層組成的應(yīng)力補(bǔ)償層實(shí)施一次實(shí)驗(yàn)(實(shí)施例4)。為了比較的目的，在從沉積溫度冷卻晶片之前不提供應(yīng)力補(bǔ)償層的情況下實(shí)施兩次實(shí)驗(yàn)。根據(jù)第一對(duì)比例，在硅基底晶片上沉積與該實(shí)施例的正面層相同的分級(jí)SiGe層和恒定組成層。分級(jí)層中鍺的最大濃度是70%。依照第一對(duì)比例實(shí)施第二對(duì)比例，區(qū)別僅在于如US2008/0017952Al所教導(dǎo)在用于降低所得晶片的弓彎的分級(jí)SiGe層中提供ll個(gè)應(yīng)變過渡層。各個(gè)過渡層的厚度為7nm。關(guān)于降低弓彎、翹曲、TDD和RMS粗糙度的更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和結(jié)果列于下表中。用于沉積應(yīng)力補(bǔ)償層和異質(zhì)外延層的沉積氣體是SiCi2H2和GeCl4在作為載氣的氫氣中的混合物。TD密度是在Secco蝕刻之后通過顯微鏡觀察測(cè)量的。RMS粗糙度是利用原子力顯微鏡(40x40pm)測(cè)量的。翹曲分析是通過使用來自美國ADE公司的AFS型裝置進(jìn)行的。表:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1、半導(dǎo)體晶片，其包括具有第一面和第二面的基底；沉積在該基底的第一面上的完全或部分松弛的異質(zhì)外延層；及沉積在該基底的第二面上的應(yīng)力補(bǔ)償層。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的晶片，其中所述異質(zhì)外延層的厚度和組成相等或相近于所述應(yīng)力補(bǔ)償層的厚度和組成。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的晶片，其中所述應(yīng)力補(bǔ)償層包括沉積在該基底上的分級(jí)SiGe層以及沉積在該分級(jí)SiGe層上的恒定組成SiGe層。4、根據(jù)權(quán)利要求l所述的晶片，其中所述應(yīng)力補(bǔ)償層包括沉積在該基底上的組成為Si(1_x)Gex的恒定組成SiGe層。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的晶片，其中所述恒定組成SiGe層中的Ge濃度為10至80%。6、用于制造半導(dǎo)體晶片的方法，其包括-在沉積溫度下在基底的第一面上沉積完全或部分松弛的異質(zhì)外延層；及在從該沉積溫度冷卻該晶片之前，在該基底的第二面上提供應(yīng)力補(bǔ)償層。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其通過在所述基底的第二面上沉積所述應(yīng)力補(bǔ)償層而提供所述應(yīng)力補(bǔ)償層，然后在所述基底的第一面上沉積所述完全或部分松弛的異質(zhì)外延層。8、根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中在所述基底的第一面上沉積所述完全或部分松弛的異質(zhì)外延層的過程中，通過在所述基底的第二面上沉積所述應(yīng)力補(bǔ)償層而提供所述應(yīng)力補(bǔ)償層。9、根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其提供與所述完全或部分松弛的異質(zhì)外延層具有相同或相近的厚度和組成的層作為所述應(yīng)力補(bǔ)償層。10、根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其包括在所述基底的第二面上沉積分級(jí)SiGe層，及在該分級(jí)SiGe層上沉積恒定組成SiGe層。11、根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其包括在所述基底的第二面上沉積組成為Si(1.x)Gex的恒定組成SiGe層。全文摘要半導(dǎo)體晶片，其包括具有第一面和第二面的基底；沉積在該基底的第一面上的完全或部分松弛的異質(zhì)外延層；及沉積在該基底的第二面上的應(yīng)力補(bǔ)償層。該晶片是在包括以下步驟的方法中制造的在沉積溫度下在基底的第一面上沉積完全或部分松弛的異質(zhì)外延層；及在從該沉積溫度冷卻該晶片之前，在該基底的第二面上提供應(yīng)力補(bǔ)償層。文檔編號(hào)H01L27/04GK101540317SQ20091000443公開日2009年9月23日申請(qǐng)日期2009年2月25日優(yōu)先權(quán)日2007年1月22日發(fā)明者M(jìn)·福德爾韋斯特納爾,P·施托克申請(qǐng)人:硅電子股份公司