DE102014223603B4 - Halbleiterscheibe und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Halbleiterscheibe umfassend eine Substratscheibe und eine erste Schicht aus einkristallinem Silizium, die unter einem Kompressionsdruck von nicht weniger als 500 MPa steht und die Substratscheibe bedeckt, wobei der Kompressionsdruck durch Kontakt der ersten Schicht zu einkristallinem Silizium zustande kommt, das nicht weniger als 1,3 × 10und nicht mehr als 21 × 10Atome/cman Kohlenstoff enthält.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist eine Halbleiterscheibe umfassend eine Substratscheibe und eine erste Schicht aus einkristallinem Silizium, die die Substratscheibe bedeckt. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiterscheibe.
  • Wegen ihrer besonderen Leistungsfähigkeit werden FinFET-Transistoren immer häufiger als Schaltelemente elektronischer Bauelemente eingesetzt. In Folge dessen besteht auch ein zunehmendes Verlangen nach Halbleiterscheiben, die sich besonders zur Herstellung von FinFET-Transistoren eignen. Typische Strukturen eines FinFET-Transistors, nachfolgend FinFET-Strukturen genannt, sind der FinFET-Kanal und Source/Drain-Bereiche, die am FinFET-Kanal angrenzen.
  • Die Leistungsfähigkeit eines FinFET-Transistors mit einem FinFET-Kanal aus einkristallinem Silizium kann gesteigert werden, indem der FinFET-Kanal einem Kompressionsdruck ausgesetzt wird. Gemäß der US 2011/0073952 A1 kann der FinFET-Kanal durch stressors genannte Source/Drain-Bereiche, die aus einem Material mit der Zusammensetzung Si1-xGex bestehen, unter Kompressionsdruck gesetzt werden.
  • Der Kompressionsdruck wirkt jedoch nicht gleichmäßig zwischen der Spitze und der Basis des FinFET-Kanals, sondern nimmt von der Spitze zur Basis hin ab. Dieser Umstand beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit eines FinFET-Transistors, der mit einem solchen FinFET-Kanal ausgestattet ist.
  • In US 6 429 098 B1 ist ein Substrat beschrieben, das Silizium und Germanium umfasst und auf dem eine Schicht aus Silizium und Germanium liegt, wobei das Verhältnis von Silizium und Germanium in der Schicht von ungefähr 0 zu ungefähr 1 variiert.
  • Die DE 11 2013 000 813 T5 offenbart eine Halbleitereinheit mit Finnenstruktur, umfassend Source- und Drain-Bereiche, die aus Silizium, aus Silizium-Germanium, Germanium, mit Kohlenstoff dotiertem Silizium-Germanium und mit Kohlenstoff dotiertem Silizium bestehen können.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleiterscheibe und ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung zu stellen, die sich besser zur Herstellung von FinFET-Transistoren und darauf basierenden elektronischen Bauelementen eignet, indem sie ermöglicht, im FinFET-Kanal für einen gleichmäßigeren Kompressionsdruck zu sorgen.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch eine Halbleiterscheibe umfassend eine Substratscheibe und eine erste Schicht aus einkristallinem Silizium, die unter einem Kompressionsdruck von nicht weniger als 500 MPa steht und die Substratscheibe bedeckt, wobei der Kompressionsdruck durch Kontakt der ersten Schicht zu einkristallinem Silizium zustande kommt, das nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält.
  • Die Halbleiterscheibe verfügt über eine Schicht aus einkristallinem Silizium, die unabhängig von der Wirkung zusätzlicher komprimierender Source/Drain-Bereiche unter definiertem Kompressionsdruck steht. Die Schicht steht zur Verfügung, um daraus im Zuge der Herstellung von FinFET-Transistoren FinFET-Kanäle zu schaffen, die aus dem Material der Schicht bestehen, nämlich aus einkristallinem Silizium, das kompressiv verspannt ist.
  • Entsprechend umgesetzt, besteht der FinFET-Kanal aus dem Material der ersten Schicht, und am FinFET-Kanal angrenzende Source/Drain-Bereiche komprimieren den FinFET-Kanal zusätzlich. Im Ergebnis beträgt der Unterschied des Kompressionsdrucks im FinFET-Kanal zwischen der Spitze des FinFET-Kanals und der Basis des FinFET-Kanals, bezogen auf den Kompressionsdruck an der Spitze, nicht mehr als 20 %, vorzugsweise nicht mehr als 5 %. Besonders bevorzugt ist es, wenn kein Unterschied besteht.
  • Gelöst wird die Aufgabe des Weiteren durch ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe, umfassend das Bereitstellen einer Substratscheibe und das Bedecken der Substratscheibe mit einer ersten Schicht aus einkristallinem Silizium, die unter einem Kompressionsdruck von nicht weniger als 500 MPa steht, wobei der Kompressionsdruck durch Kontakt der ersten Schicht zu einkristallinem Silizium zustande kommt, das nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält.
  • Der Begriff „bedecken“ wird in dieser Beschreibung in einem weiten Sinn verwendet. Entweder liegt die erste Schicht aus einkristallinem Silizium direkt auf der Substratscheibe oder sie liegt auf einer zweiten Schicht aus einkristallinem Silizium, die nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält, und die zweite Schicht liegt direkt auf der Substratscheibe.
  • Die Substratscheibe ist eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium oder eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium mit einer darauf liegenden Oxidschicht. Ist die Oxidschicht vorhanden, hat entweder die erste Schicht oder die zweite Schicht direkten Kontakt zur Oxidschicht der Substratscheibe.
  • Zum Erzeugen der ersten Schicht wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung einkristallines Silizium auf einer Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die Kohlenstoff enthält, epitaktisch abgeschieden. Die Kohlenstoff-Konzentration beträgt nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3. Die Halbleiterscheibe wird vorzugsweise folgendermaßen bereitgestellt. Zunächst wird ein mit Kohlenstoff dotierter Einkristall aus Silizium aus einer Schmelze gezüchtet und davon Halbleiterscheiben abgetrennt. Es kann beispielsweise das Verfahren verwendet werden, das in der US 2006/0266278 A1 beschrieben ist. Die Konzentration an Kohlenstoff in der Halbleiterscheibe beträgt nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3. Die Zielkonzentration innerhalb dieses Bereiches hängt vom Kompressionsdruck ab, der im FinFET-Kanal in Folge der Wirkung der Source/Drain-Bereiche und gegebenenfalls anderer FinFET-Strukturen erzeugt wird. Je höher dieser Kompressionsdruck ist, desto höher sollte die Zielkonzentration sein. Die erste Schicht aus einkristallinem Silizium wird auf eine vorzugsweise polierte obere Seitenfläche der die hohe Konzentration an Kohlenstoff enthaltenden Halbleiterscheibe epitaktisch abgeschieden. Wegen der Anwesenheit des Kohlenstoffs hat das Kristallgitter der Halbleiterscheibe eine im Vergleich mit reinem Silizium kleinere Gitterkonstante, die der epitaktisch aufwachsenden Schicht aufgezwungen wird und diese kompressiv verspannt. Die epitaktisch abgeschiedene erste Schicht aus einkristallinem Silizium enthält vorzugsweise keinen absichtlich hinzugefügten Kohlenstoff, jedenfalls nicht mehr als 2 × 1016 Atome/cm3 an Kohlenstoff und besonders bevorzugt nicht mehr als 4 × 1015 Atome/cm3 an Kohlenstoff. Das epitaktische Abscheiden der ersten Schicht aus einkristallinem Silizium erfolgt vorzugsweise mittels CVD (chemical vapor deposition).
  • Das Produkt des beschriebenen Verfahrens ist eine erfindungsgemäße Halbleiterscheibe, bei der die erste Schicht aus einkristallinem Silizium auf der Substratscheibe liegt, wobei die Substratscheibe eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium ist, die nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Kohlenstoff in hoher Konzentration enthaltende Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, auf der die erste Schicht aus einkristallinem Silizium abgeschieden wurde, als Donor-Scheibe eingesetzt, um die erste Schicht aus einkristallinem Silizium durch Bonden und Abspalten auf eine Substratscheibe zu übertragen. Die Substratscheibe ist in diesem Fall vorzugsweise eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium mit einer darauf liegenden Oxidschicht. Eine solche Halbleiterscheibe lässt sich beispielsweise herstellen, indem die polierte Oberseite einer Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium oxidiert wird.
  • Zum Bonden und Abspalten der ersten Schicht aus einkristallinem Silizium wird vorzugsweise ein Verfahren eingesetzt, das zur Herstellung von SOI-Scheiben (engl. silicon on insulator) verwendet wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der EP 1 998 368 A2 beschrieben. Es umfasst das Implantieren von Wasserstoff-Ionen in eine Donorscheibe, die das Kristallgitter der Donorscheibe lokal derart schwächen, dass eine oberflächennahe Schicht von der Donorscheibe getrennt werden kann. Zu diesem Zweck wird die Donorscheibe zunächst auf eine Handhabungsscheibe (engl. handle wafer) gebondet und anschließend im Bereich der implantierten Wasserstoff-Ionen abgespalten, wobei die oberflächennahe Schicht auf der Handhabungsscheibe gebondet bleibt.
  • Die Substratscheibe aus einkristallinem Silizium mit einer darauf liegenden Oxidschicht wird als Handhabungsscheibe eingesetzt. Die Donorscheibe wird so auf die Substratscheibe gebondet, dass die erste Schicht auf der Oxidschicht der Substratscheibe zu liegen kommt. Anschließend wird die an die Substratscheibe gebondete erste Schicht vom Rest der Donorscheibe abgespalten und die auf die Handhabungsscheibe gebondete erste Schicht aus einkristallinem Silizium gegebenenfalls poliert.
  • Das Produkt der beschriebenen Vorgehensweise ist eine erfindungsgemäße Halbleiterscheibe, wobei die Substratscheibe eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium mit einer darauf liegenden Oxidschicht ist und die erste Schicht aus einkristallinem Silizium auf der Oxidschicht liegt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als Donorscheibe eine Halbleiterscheibe verwendet, die eine Konzentration an Kohlenstoff von nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 enthält. Die Handhabungsscheibe ist eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium mit einer darauf liegenden Oxidschicht. Die Donorscheibe wird so auf die Substratscheibe gebondet, dass sie auf der Oxidschicht der Handhabungsscheibe zu liegen kommt. Anschließend wird von der Donorscheibe eine Schicht vom Rest der Donorscheibe abgespalten. Diese von der Donorscheibe auf die Handhabungsscheibe übertragene Schicht bildet eine zweite Schicht aus einkristallinem Silizium. Die zweite Schicht aus einkristallinem Silizium enthält eine Konzentration an Kohlenstoff von nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3. In einem nachfolgenden Schritt wird die zweite Schicht aus einkristallinem Silizium epitaktisch beschichtet, wobei die kompressiv verspannte erste Schicht aus einkristallinem Silizium entsteht. Zweckmäßigerweise wird die zweite Schicht poliert, bevor sie epitaktisch beschichtet wird.
  • Das Produkt der beschriebenen Vorgehensweise ist eine erfindungsgemäße Halbleiterscheibe, wobei die Substratscheibe eine Halbleiterscheibe mit einer darauf liegenden Oxidschicht ist und die zweite Schicht aus einkristallinem Silizium, die nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält, auf der Oxidschicht liegt und die erste Schicht aus einkristallinem Silizium auf der zweiten Schicht aus einkristallinem Silizium liegt.
  • Eine erfindungsgemäße Halbleiterscheibe weist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung Strukturen von FinFET-Transistoren auf, wobei einem Transistor zugeordneten FinFET-Strukturen einen FinFET-Kanal umfassen, der aus Material der ersten Schicht aus einkristallinem Silizium besteht, und am FinFET-Kanal angrenzende Source/Drain-Bereiche, die den FinFET-Kanal zusätzlich komprimieren.
  • Die FinFET-Strukturen werden erzeugt, indem bekannte Maßnahmen zur Anwendung kommen wie Maskieren und Ätzen im Fall des Erzeugens des FinFET-Kanals und epitaktisches Abscheiden im Fall der Source/Drain-Bereiche. Die Source/Drain-Bereiche haben die Zusammensetzung Si1-xGex, wobei vorzugsweise 0, 04 ≤ x ≤ 0, 51 und besonders bevorzugt 0,1 ≤ x ≤ 0,35 gilt. Vorzugsweise wird eine Vielzahl von FinFET-Kanälen erzeugt und diese werden vorzugsweise zu funktionstüchtigen FinFET-Transistoren und elektronischen Bauelementen weiterverarbeitet.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Verweis auf Zeichnungen weiter erläutert.
    • 1 bis 3 zeigen in Schnittansicht den Aufbau erfindungsgemäßer Halbleiterscheiben.
    • 4 zeigt in perspektivischer Darstellung schematisch die erste Schicht 1 mit erfindungsgemäßem FinFET-Kanal und angrenzenden Source/Drain-Bereichen.
  • Wie in den 1 bis 3 dargestellt, bedeckt die kompressiv verspannte erste Schicht 1 aus einkristallinem Silizium eine Substratscheibe.
  • Die erste Schicht 1 aus einkristallinem Silizium hat eine Dicke, die mindestens der Höhe eines FinFET-Kanals entspricht. Vorzugsweise ist die Dicke der ersten Schicht 1 größer als die Höhe eines FinFET-Kanals.
  • In der Ausgestaltung gemäß 1 ist die Substratscheibe eine Halbleiterscheibe 2 aus einkristallinem Silizium, die nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält. In der Ausgestaltung gemäß 2 ist die Substratscheibe eine Halbleiterscheibe 3 aus einkristallinem Silizium mit einer darauf liegenden Oxidschicht 4. In der Ausgestaltung gemäß 3 ist die Substratscheibe ebenfalls eine Halbleiterscheibe 3 aus einkristallinem Silizium mit einer darauf liegenden Oxidschicht 4. Auf der Oxidschicht 4 liegt eine zweite Schicht 5 aus einkristallinem Silizium, die nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält, und auf der zweiten Schicht 5 liegt die kompressiv verspannte erste Schicht 1 aus einkristallinem Silizium.
  • Der in 4 dargestellte FinFET-Kanal 6 ist aus der kompressiv verspannten ersten Schicht 1 aus einkristallinem Silizium herausgearbeitet worden und besteht deshalb aus demselben Material wie die erste Schicht 1. In einem oberen Bereich, der die Spitze 8 umfasst, komprimieren insbesondere Source/Drain-Bereiche 7 den FinFET-Kanal 6 und in einem unteren Bereich, der die Basis 9 umfasst, wird der FinFET-Kanal 6 insbesondere durch die darunterliegende erste Schicht 1 komprimiert. Nimmt man gleiche Kompression an der Spitze 8 des FinFET-Kanals an, so ist der Unterschied des Kompressionsdrucks im FinFET-Kanal 6 zwischen der Spitze 8 und der Basis 9 des FinFET-Kanals 6 in einem erfindungsgemäß ausgebildeten FinFET-Kanal deutlich geringer als in einem FinFET-Kanal aus einkristallinem Silizium, das nur durch angrenzende Source/Drain-Bereiche unter Kompressionsdruck steht.

Claims (12)

  1. Halbleiterscheibe umfassend eine Substratscheibe und eine erste Schicht aus einkristallinem Silizium, die unter einem Kompressionsdruck von nicht weniger als 500 MPa steht und die Substratscheibe bedeckt, wobei der Kompressionsdruck durch Kontakt der ersten Schicht zu einkristallinem Silizium zustande kommt, das nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält.
  2. Halbleiterscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht aus einkristallinem Silizium auf der Substratscheibe liegt und die Substratscheibe eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium ist, die nicht weniger als 1, 3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält.
  3. Halbeiterscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratscheibe eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium mit einer darauf liegenden Oxidschicht ist und eine zweite Schicht aus einkristallinem Silizium, die nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält, auf der Oxidschicht liegt und die erste Schicht aus einkristallinem Silizium auf der zweiten Schicht aus einkristallinem Silizium liegt.
  4. Halbeiterscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratscheibe eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium mit einer darauf liegenden Oxidschicht ist und die erste Schicht aus einkristallinem Silizium auf der Oxidschicht liegt.
  5. Halbleiterscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Strukturen von FinFET-Transistoren, wobei einem Transistor zugeordnete FinFET-Strukturen einen FinFET-Kanal umfassen, der aus Material der ersten Schicht aus einkristallinem Silizium besteht, und am FinFET-Kanal angrenzende Source/Drain-Bereiche, die den FinFET-Kanal zusätzlich komprimieren.
  6. Halbleiterscheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied des Kompressionsdrucks im FinFET-Kanal zwischen einer Spitze und einer Basis des FinFET-Kanals, bezogen auf den Kompressionsdruck an der Spitze, nicht mehr als 20 % beträgt.
  7. Halbleiterscheibe nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Source/Drain-Bereiche die Zusammensetzung Si1-xGex haben, wobei und 0,04 ≤ x ≤ 0,51 ist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe umfassend das Bereitstellen einer Substratscheibe; das Bedecken der Substratscheibe mit einer ersten Schicht aus einkristallinem Silizium, die unter einem Kompressionsdruck von nicht weniger als 500 MPa steht, wobei der Kompressionsdruck durch den Kontakt der ersten Schicht zu einkristallinem Silizium zustande kommt, das nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend das epitaktische Abscheiden der ersten Schicht aus einkristallinem Silizium auf der Substratscheibe, wobei die Substratscheibe eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium ist, die nicht weniger als 1, 3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend das Bereitstellen der Substratscheibe in Form einer Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium mit einer darauf liegenden Oxidschicht; das Bereitstellen einer Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält und die mit der ersten Schicht aus einkristallinem Silizium beschichtet ist; das Bonden der bereitgestellten Halbleiterscheibe und der Substratscheibe derart, dass die erste Schicht aus einkristallinem Silizium auf der Oxidschicht liegt; und das Abspalten der den Kohlenstoff enthaltenden Halbleiterscheibe unter Zurücklassen der ersten Schicht aus einkristallinem Silizium auf der Oxidschicht.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend das Bereitstellen der Substratscheibe in Form einer Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium mit einer darauf liegenden Oxidschicht; das Bereitstellen einer Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält; das Bonden der bereitgestellten Halbleiterscheibe und der Substratscheibe derart, dass die den Kohlenstoff enthaltende Halbleiterscheibe auf der Oxidschicht liegt; und das Abspalten eines Teils der den Kohlenstoff enthaltenden Halbleiterscheibe unter Zurücklassen einer zweiten Schicht aus einkristallinem Silizium auf der Oxidschicht, wobei die zweite Schicht nicht weniger als 1,3 × 1020 und nicht mehr als 21 × 1020 Atome/cm3 an Kohlenstoff enthält; und das epitaktische Beschichten der zweiten Schicht aus einkristallinem Silizium mit der ersten Schicht aus einkristallinem Silizium.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, umfassend das Erzeugen eines FinFET-Kanals durch Ätzen der ersten Schicht aus einkristallinem Silizium, wobei der FinFET-Kanal aus Material der ersten Schicht aus einkristallinem Silizium besteht; und das epitaktische Abscheiden von Source/Drain-Bereichen, die am FinFET-Kanal angrenzen und ihn zusätzlich komprimieren.
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