DE102015201419B4 - Methods for forming low-defect stretch-relaxed layers on lattice-mismatched substrates and corresponding semiconductor device structures and devices - Google Patents

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Abstract

Streckungs-relaxierendes Verfahren, das umfasst:Bilden (500) eines porösen Bereichs (120) in einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats (110);Bilden (510) einer ersten Halbleiterschicht (130), die mit dem Halbleitersubstrat (110) auf dem porösen Bereich (120) in der Oberfläche des Halbleitersubstrats (110) gitterangepasst ist;Bilden (520) einer zweiten Halbleiterschicht (140) auf der ersten Halbleiterschicht (130), wobei die zweite Halbleiterschicht (140) eine gestreckt gebildete Schicht ist;Relaxieren (530) der zweiten Halbleiterschicht (140);Bilden (540) einer dritten Halbleiterschicht (150) auf der relaxierten zweiten Halbleiterschicht (140), wobei die dritte Halbleiterschicht (150) eine gestreckt gebildete Schicht ist; undRelaxieren (550) der dritten Halbleiterschicht (150),wobei das Halbleitersubstrat (110) ein Siliziumsubstrat umfasst, die erste Halbleiterschicht (130) eine Siliziumschicht umfasst, die zweite Halbleiterschicht (140) eine erste Silizium-Germanium-Schicht mit einer ersten Germaniumkonzentration umfasst, und die dritte Halbleiterschicht (150) eine zweite Silizium-Germanium-Schicht mit einer zweiten Germaniumkonzentration umfasst, welche die erste Germaniumkonzentration übersteigt.A stretch-relaxing method, comprising: forming (500) a porous region (120) in a surface of a semiconductor substrate (110); forming (510) a first semiconductor layer (130) integral with the semiconductor substrate (110) on the porous region ( 120) is lattice-matched in the surface of the semiconductor substrate (110);forming (520) a second semiconductor layer (140) on the first semiconductor layer (130), the second semiconductor layer (140) being a strained formed layer;relaxing (530) the second semiconductor layer (140);forming (540) a third semiconductor layer (150) on the relaxed second semiconductor layer (140), the third semiconductor layer (150) being a strained formed layer; andrelaxing (550) the third semiconductor layer (150),wherein the semiconductor substrate (110) comprises a silicon substrate, the first semiconductor layer (130) comprises a silicon layer, the second semiconductor layer (140) comprises a first silicon-germanium layer having a first germanium concentration, and the third semiconductor layer (150) comprises a second silicon germanium layer having a second germanium concentration that exceeds the first germanium concentration.

Description

GEBIETAREA

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Halbleitervorrichtungen und insbesondere Verfahren zur Bildung von gestreckt-relaxierten (strain-relaxed) Schichten in gitterfehlangepassten Halbleitersubstraten und Halbleitervorrichtungen mit solchen gestreckt-relaxierten Schichten.The invention relates generally to semiconductor devices, and more particularly to methods of forming strain-relaxed layers in lattice-mismatched semiconductor substrates and semiconductor devices having such strain-relaxed layers.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Es gibt eine Reihe von Anwendungen, wo es wünschenswert sein kann, eine gestreckte Halbleiterschicht zu züchten. Beispielsweise werden gestreckte Siliziumschichten routinemäßig in Hochleistungskomplementären Metalloxid-Halbleiter- (CMOS) Vorrichtungen verwendet, da gestreckte Halbleiterschichten höhere eine Ladungsträgerbeweglichkeit aufweisen können, und daher können die Transistoren mit Kanälen, die in solchen gestreckten Siliziumschichten gebildet werden, höhere Schaltgeschwindigkeiten aufweisen. Eine gestreckte Siliziumschicht kann beispielsweise durch Züchtung einer relativ dünnen Siliziumschicht auf einer dickeren Silizium-Germanium-Schicht gebildet werden, was häufig als eine Silizium-Germanium-„Puffer“-Schicht bezeichnet wird.There are a number of applications where it may be desirable to grow a strained semiconductor layer. For example, strained silicon layers are routinely used in high performance complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) devices because strained semiconductor layers can have higher charge carrier mobility, and therefore the transistors with channels formed in such strained silicon layers can have higher switching speeds. For example, a strained silicon layer can be formed by growing a relatively thin silicon layer on top of a thicker silicon-germanium layer, often referred to as a silicon-germanium "buffer" layer.

1 zeigt eine gestreckte Siliziumschicht, die nach einem herkömmlichen Verfahren gebildet ist. Bezugnehmend auf 1, wird gemäß dieser herkömmlichen Technik eine abgestufte Silizium-Germanium- (Si1-xGex-) Schicht 20 epitaxial auf einem Bulk-Siliziumsubstrat 10 gezüchtet. Der Wert von x kann sehr niedrig (oder Null) an der Grenzfläche zwischen der abgestuften Si1-xGex-Schicht 20 und dem Bulk-Siliziumsubstrat 10 sein, und x kann mit zunehmender Entfernung von dem Substrat 10 zunehmen. Aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen dem Siliziumsubstrat 10 und der abgestuften Si1-xGex-Schicht 20 kann die Si1-xGex-Schicht 20 sie gestreckt gezüchtet werden. Nachdem die abgestufte Si1-xGex-Schicht 20 über einer bestimmte Dicke gewachsen ist, können Fehlversetzungen 22 an der Schnittstelle zwischen dem Bulk-Siliziumsubstrat 10 und der abgestuften Si1-xGex-Schicht 20 erzeugt werden. Ein Paar von Fadenversetzungen (threading dislocations) 24 kann sich von jeder Fehlversetzung 22 aus nach oben durch die abgestufte Si1-xGex-Schicht 20 in Richtung der Oberfläche der abgestuften Si1-xGex-Schicht 20 erstrecken. Techniken können während des Wachstums verwendet werden, um die Länge der Fehlversetzungen 22 zu erhöhen, die helfen können, die Anzahl der Fadenversetzungen 24, die gebildet werden einzuschränken. Die Entstehung dieser Versetzungen 22, 24 kann die Relaxation (relax) der abgestuften Si1-xGex-Schicht 20 bewirken. Die abgestufte Si1-xGex-Schicht 20 kann dann weiter durch ein thermisches Glühen (thermal anneal) relaxiert werden. 1 Figure 12 shows a strained silicon layer formed by a conventional method. Referring to 1 , a graded silicon germanium (Si 1-x Ge x ) layer 20 is epitaxially grown on a bulk silicon substrate 10 according to this conventional technique. The value of x can be very low (or zero) at the interface between the graded Si1-xGex layer 20 and the bulk silicon substrate 10, and x can increase with increasing distance from the substrate 10. Due to the lattice mismatch between the silicon substrate 10 and the graded Si 1-x Ge x layer 20, the Si 1-x Ge x layer 20 can be grown in a stretched manner. After the Si 1-x Ge x graded layer 20 is grown over a certain thickness, dislocations 22 may be generated at the interface between the bulk silicon substrate 10 and the Si 1-x Ge x graded layer 20 . A pair of threading dislocations 24 may extend from each misdislocation 22 up through the Si 1-x Ge x graded layer 20 toward the surface of the Si 1-x Ge x graded layer 20 . Techniques can be used during growth to increase the length of the dislocations 22, which can help limit the number of filamentous dislocations 24 that are formed. The formation of these dislocations 22, 24 can cause the relaxation (relax) of the graded Si 1-x Ge x layer 20. The Si 1-x Ge x graded layer 20 can then be further relaxed by a thermal anneal.

Eine Siliziumschicht 30 kann dann auf der abgestuften Si1-xGex-Schicht 20 gezüchtet werden. Aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen der relaxierten, abgestuften Si1-xGex-Schicht 20 und der Siliziumschicht 30, kann die Siliziumschicht 30 gestreckt gezüchtet werden. Doch leider können Fadenversetzungen 24, die die Oberseite der abgestuften Si1-xGex-Schicht 20 erreichen Versetzungen oder andere Defekte in der gestreckten Siliziumschicht 30 verursachen. Diese Defekte/Versetzungen 24 in der gestreckten Siliziumschicht 30 können sich negativ auf die Leistung einer Halbleitervorrichtung auswirken, die in der Siliziumschicht 30 gebildet werden. Während die Fadenversetzungsdichte an der oberen Oberfläche der abgestuften Si1-xGex-Schicht 20 im Allgemeinen durch Erhöhen der Dicke der abgestuften Si1-xGex-Schicht 20 verringert werden kann, kann das Wachstum einer dickeren Si1-xGex-Schicht 20 die erforderliche Wachstumszeit deutlich erhöhen und kann auch zu anderen Problemen führen, wie beispielsweise eine erhöhte Inzidenz von Halbleiterwafern, die unbrauchbar aufgrund von Partikeln werden, die während des epitaxialen Wachstums in den Wafer fallen. Um darüber hinaus Fadenversetzung-Ebenen auf 1 × 106 / cm2 oder weniger zu reduzieren, kann es notwendig sein, die abgestufte Si1-xGex-Schicht 20 bis zu einer Dicke von einigen zehn oder hundert Mikrometern zu züchten. Die Wachstumszeiten und mit dem Wachstum von solchen dicken Schichten verbundene Materialkosten können in vielen Anwendungen unerschwinglich teuer sein.A silicon layer 30 can then be grown on the graded Si 1-x Ge x layer 20 . Because of the lattice mismatch between the relaxed Si 1-x Ge x graded layer 20 and the silicon layer 30, the silicon layer 30 can be grown strained. Unfortunately, filamentous dislocations 24 that reach the top of the graded Si 1-x Ge x layer 20 can cause dislocations or other defects in the strained silicon layer 30. These defects/dislocations 24 in the strained silicon layer 30 can adversely affect the performance of a semiconductor device formed in the silicon layer 30. While the filiform dislocation density at the top surface of the Si 1-x Ge x graded layer 20 can generally be reduced by increasing the thickness of the Si 1-x Ge x graded layer 20, growth of a thicker Si 1-x Ge x -layer 20 significantly increases the required growth time and can also lead to other problems such as an increased incidence of semiconductor wafers becoming unusable due to particles falling into the wafer during epitaxial growth. Furthermore, to reduce filiform dislocation levels to 1×10 6 /cm 2 or less, it may be necessary to grow the Si 1-x Ge x graded layer 20 to a thickness of tens or hundreds of microns. The growth times and material costs associated with the growth of such thick layers can be prohibitively expensive in many applications.

In einem weiteren Ansatz wurden gestreckt-relaxierte Si1-xGex-Schichten durch Züchten von Si1-xGex-Schichten auf einem Silizium-auf-Isolator-Substrat gebildet. Vor dem Züchten einer solchen Si1-xGex-Schicht wird das Silizium-auf-Isolator-Substrat geätzt oder mittels eines Schleifvorgangs bearbeitet, so dass nur eine 50 nm dicke Siliziumschicht auf dem Isolator des Silizium-auf-Isolator-Substrats verbleibt. Nachdem die Si1-xGex-Schicht gewachsen ist, wird sie dann über ein thermisches Glühverfahren entspannt. Dieses Verfahren erfordert jedoch ein teureres Silizium-auf-Isolator-Substrat und es wurde nur gezeigt, dass es mit einer relativ geringen Germaniumkonzentration in Si1-xGex-Schichten (d.h. x = 0,15) funktioniert.In another approach, stretched-relaxed Si 1-x Ge x layers were formed by growing Si 1-x Ge x layers on a silicon-on-insulator substrate. Prior to the growth of such a Si 1-x Ge x layer, the silicon-on-insulator substrate is etched or milled so that only a 50 nm thick silicon layer remains on the insulator of the silicon-on-insulator substrate. After the Si 1-x Ge x layer is grown, it is then relaxed via a thermal annealing process. However, this method requires a more expensive silicon-on-insulator substrate and has only been shown to work with a relatively low germanium concentration in Si 1-x Ge x layers (ie x=0.15).

Aus der US 2002 / 0 146 892 A 1 ist ein Verfahren zur Ausbildung einer gestreckten Siliziumschicht auf einem Substrat bekannt. Dabei wird eine poröse Schicht auf einem Siliziumsubstrat, eine Siliziumschicht auf der porösen Schicht, eine Silizium-Germanium-Schicht auf der Siliziumschicht und eine weitere Siliziumschicht auf der Silizium-Germanium-Schicht ausgebildet.From the U.S. 2002/0 146 892 A 1, a method for forming a strained silicon layer on a substrate is known. In this case, a porous layer is formed on a silicon substrate, a silicon layer on the porous layer, a silicon-germanium layer on the silicon layer and a further silicon layer on the silicon-germanium layer.

Aus der US 2005 / 0 221 591 A1 ist ein Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterstruktur bekannt, bei der eine relaxierte Silizium-Germanium-Schicht auf einem Bulk-Siliziumsubstrat ausgebildet ist.From the U.S. 2005/0 221 591 A1 discloses a method of forming a semiconductor structure in which a relaxed silicon germanium layer is formed on a bulk silicon substrate.

Die US 2001 / 0 048 119 A1 offenbart eine Silizium-Germanium-Schicht, die auf einem Silizium-Wafer ausgebildet ist, eine darauf ausgebildete Silizium-Germanium-Schicht einschließlich einer vergrabenen Oxidschicht und eine weitere Silizium-Germanium-Schicht, auf der eine gestreckte Siliziumschicht ausgebildet ist.the US 2001/0 048 119 A1 discloses a silicon germanium layer formed on a silicon wafer, a silicon germanium layer including a buried oxide layer formed thereon, and another silicon germanium layer on which a strained silicon layer is formed.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte streckungs-relaxierende Verfahren zur Herstellung von für Halbleitervorrichtungen geeigneten Halbleiterschichten zur Verfügung zu stellen.It is an object of the present invention to provide improved stretch-relaxing processes for the production of semiconductor layers suitable for semiconductor devices.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände des Hauptanspruchs und der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by the subject matter of the main claim and the dependent claims. Preferred embodiments are the subject matter of the dependent claims.

Verfahren zum Bilden von gestreckt-relaxierten Halbleiterschichten sind vorgesehen, in denen ein poröser Bereich in einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet werden. Eine erste Halbleiterschicht, die mit dem Halbleitersubstrat gitterangepasst ist, wird auf dem porösen Bereich gebildet. Eine zweite gestreckte Halbleiterschicht wird auf der ersten Halbleiterschicht gebildet. Die zweite Halbleiterschicht wird dann relaxiert.Methods for forming stretched-relaxed semiconductor layers are provided in which a porous region is formed in a surface of a semiconductor substrate. A first semiconductor layer lattice-matched with the semiconductor substrate is formed on the porous region. A second elongated semiconductor layer is formed on the first semiconductor layer. The second semiconductor layer is then relaxed.

In manchen Ausführungsformen kann eine dritte Halbleiterschicht auf der relaxierten zweiten Halbleiterschicht gebildet werden. Diese dritte Halbleiterschicht kann eine gestreckt gebildete Schicht sein. Die dritte Halbleiterschicht kann dann relaxiert werden, um eine gestreckt-relaxierte Halbleiterschicht bereitzustellen.In some embodiments, a third semiconductor layer may be formed on the relaxed second semiconductor layer. This third semiconductor layer may be an elongated layer. The third semiconductor layer can then be relaxed to provide a stretch-relaxed semiconductor layer.

In einigen Ausführungsformen kann der poröse Bereich in der Oberfläche des Halbleitersubstrats durch Nassätzen einer obere Oberfläche des Halbleitersubstrats mit einem Nassätzmittel mit einem elektrischen Potential gebildet werden, das zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Nassätzmittel angelegt ist.In some embodiments, the porous region may be formed in the surface of the semiconductor substrate by wet etching a top surface of the semiconductor substrate with a wet etchant having an electrical potential applied between the semiconductor substrate and the wet etchant.

In einigen Ausführungsformen kann die erste Halbleiterschicht unter Streckspannung stehen und die zweite Halbleiterschicht unter Druckspannung stehen bevor die zweite Halbleiterschicht relaxiert.In some embodiments, the first semiconductor layer may be under yield stress and the second semiconductor layer may be under compressive stress before the second semiconductor layer relaxes.

In einigen Ausführungsformen kann die erste Halbleiterschicht eine Dicke von weniger als 20nm aufweisen.In some embodiments, the first semiconductor layer can have a thickness of less than 20 nm.

In einigen Ausführungsformen kann die erste Halbleiterschicht nur schwach an das Halbleitersubstrat gebunden sein, so dass die erste Halbleiterschicht sich in Bezug auf das Halbleitersubstrat bewegen kann, wenn eine Streckspannung auf die erste Halbleiterschicht aufgebracht wird.In some embodiments, the first semiconductor layer may only be weakly bonded to the semiconductor substrate such that the first semiconductor layer may move with respect to the semiconductor substrate when a yield stress is applied to the first semiconductor layer.

Die erste Halbleiterschicht kann direkt auf dem porösen Bereich in der Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet sein, und die zweite Halbleiterschicht kann direkt auf der ersten Halbleiterschicht gebildet sein.The first semiconductor layer may be formed directly on the porous area in the surface of the semiconductor substrate, and the second semiconductor layer may be formed directly on the first semiconductor layer.

In einigen Ausführungsformen kann das Halbleitersubstrat ein Siliziumsubstrat sein, die erste Halbleiterschicht kann eine Siliziumschicht sein, und die zweite Halbleiterschicht kann eine erste Silizium-Germanium-Schicht mit einer ersten Germaniumkonzentration sein, und die dritte Halbleiterschicht kann eine zweite Silizium-Germanium-Schicht mit einer zweiten Germaniumkonzentration sein, welche die erste Germaniumkonzentration übersteigt.In some embodiments, the semiconductor substrate may be a silicon substrate, the first semiconductor layer may be a silicon layer, and the second semiconductor layer may be a first silicon germanium layer having a first germanium concentration, and the third semiconductor layer may be a second silicon germanium layer having a second germanium concentration which exceeds the first germanium concentration.

In einigen Ausführungsformen kann eine Germaniumkonzentration der zweiten Silizium-Germanium-Schicht 75 Prozent (oder 85 Prozent) übersteigen und eine Fadenversetzungsdichte in der zweiten Silizium-Germanium-Schicht kann weniger als etwa 1 × 105 / cm2 betragen.In some embodiments, a germanium concentration of the second silicon germanium layer may exceed 75 percent (or 85 percent) and a filamentary dislocation density in the second silicon germanium layer may be less than about 1×10 5 /cm 2 .

In einigen Ausführungsformen kann eine Gesamtdicke der Siliziumschicht, der ersten Silizium-Germanium-Schicht und der zweiten Silizium-Germanium-Schicht kleiner als 75 nm sein.In some embodiments, a total thickness of the silicon layer, the first silicon germanium layer, and the second silicon germanium layer may be less than 75 nm.

In einigen Ausführungsformen kann die zweite Halbleiterschicht eine III-V-Halbleiterverbindung sein.In some embodiments, the second semiconductor layer may be a III-V compound semiconductor.

In einigen Ausführungsformen kann eine vierte Halbleiterschicht auf der zweiten Silizium-Germanium-Schicht gebildet werden und eine Halbleitervorrichtung kann wenigstens teilweise in, oder auf der vierten Halbleiterschicht gebildet werden.In some embodiments, a fourth semiconductor layer may be formed on the second silicon germanium layer and a semiconductor device may be formed at least partially in or on the fourth semiconductor layer.

Gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung werden Verfahren erbracht, zum Bilden einer ersten Halbleiterschicht auf einem nachgiebigen Bereich eines Halbleitersubstrats, das gitterangepasst mit der ersten Halbleiterschicht ist, so dass die erste Halbleiterschicht nur schwach an den nachgiebigen Bereich des Halbleitersubstrats gebunden ist und sich seitlich auf der Oberfläche des nachgiebigen Bereichs des Halbleitersubstrats bewegen kann. Eine zweite Halbleiterschicht, die mit der ersten Halbleiterschicht gitterfehlangepasst ist, wird auf der ersten Halbleiterschicht gebildet. Ein Relaxationsprozesses wird für die zweiten Halbleiterschicht durchgeführt, der Fadenversetzungen in der ersten Halbleiterschicht erzeugt, während die zweite Halbleiterschicht im Wesentlichen frei von Fadenversetzungen bleibt.According to further embodiments of the invention, methods are provided for forming a first semiconductor layer on a compliant region of a semiconductor substrate that is lattice-matched with the first semiconductor layer such that the first semiconductor layer is only weakly bonded to the compliant region of the semiconductor substrate and laterally on the surface of the compliant region of the semiconductor substrate. A second semiconductor layer that is lattice mismatched with the first semiconductor layer is formed on the first semiconductor layer. A relaxation process is performed for the second semiconductor layer, the filamentary dislocations in the first Semiconductor layer generated while the second semiconductor layer remains substantially free of thread dislocations.

In einigen Ausführungsformen kann eine dritte Halbleiterschicht, die gitterfehlangepasst mit der zweiten Halbleiterschicht ist, auf der zweiten Halbleiterschicht gebildet werden, und ein Relaxationsprozess kann auf der dritten Halbleiterschicht angewandt werden, die Fadenversetzungen in der zweiten Halbleiterschicht erzeugt, während die dritte Halbleiterschicht im Wesentlichen frei von Fadenversetzung bleibt.In some embodiments, a third semiconductor layer that is lattice mismatched with the second semiconductor layer can be formed on the second semiconductor layer, and a relaxation process can be applied to the third semiconductor layer that creates filamentary dislocations in the second semiconductor layer while the third semiconductor layer is substantially free of Thread displacement remains.

In einigen Ausführungsformen kann die erste Halbleiterschicht unter Streckspannung vor der Relaxation stehen und die zweite Halbleiterschicht kann unter Druckspannung vor der Relaxation stehen.In some embodiments, the first semiconductor layer may be under yield stress before relaxation and the second semiconductor layer may be under compressive stress before relaxation.

In einigen Ausführungsformen kann die Halbleiterschicht eine Siliziumschicht mit einer ersten Dicke sein, die zweite Halbleiterschicht kann eine Silizium-Germanium-Schicht sein, die eine erste Germaniumkonzentration aufweisen kann und eine zweite Dicke haben kann, welche die erste Dicke übersteigt, und die dritte Halbleiterschicht kann eine zweite Silizium-Germanium-Schicht mit einer zweiten Germaniumkonzentration sein, welche die erste Germaniumkonzentration übersteigt und die eine dritte Dicke aufweist, welche die zweite Dicke übersteigt.In some embodiments, the semiconductor layer may be a silicon layer having a first thickness, the second semiconductor layer may be a silicon germanium layer, which may have a first germanium concentration and a second thickness that exceeds the first thickness, and the third semiconductor layer may be a second silicon-germanium layer having a second germanium concentration that exceeds the first germanium concentration and having a third thickness that exceeds the second thickness.

In einigen Ausführungsformen wird ein poröser Bereich in einer oberen Oberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet werden und das Halbleitersubstrat wird anschließend erhitzt, um wenigstens einen Teil der Oberflächenporen zu schließen, während das Innere des porösen Bereich porös bleibt, um den Bereich des Halbleitersubstrats in den nachgiebigen Bereich des Halbleitersubstrats umzuwandeln, und dann kann die erste Halbleiterschicht epitaxial auf dem porösen Bereich durch chemische Dampfabscheidung gezüchtet werden.In some embodiments, a porous region is formed in a top surface of a semiconductor substrate and the semiconductor substrate is then heated to close at least a portion of the surface pores while the interior of the porous region remains porous to convert the region of the semiconductor substrate into the compliant region of the Semiconductor substrate to convert, and then the first semiconductor layer can be grown epitaxially on the porous region by chemical vapor deposition.

In einigen Ausführungsformen kann die erste und zweite Halbleiterschicht jeweils eine Dicke von weniger als 25 nm aufweisen.In some embodiments, the first and second semiconductor layers may each have a thickness of less than 25 nm.

In einigen Ausführungsformen kann der nachgiebige Bereich des Halbleitersubstrats einen porösen Bereich in einer oberen Oberfläche eines Siliziumsubstrats sein, die erste Halbleiterschicht eine Siliziumschicht sein, die zweite Halbleiterschicht eine erste Silizium-Germanium-Schicht mit einer ersten Germaniumkonzentration sein, und die dritte Halbleiterschicht eine zweite Silizium-Germanium-Schicht mit einer zweiten Germaniumkonzentration sein, welche die erste Germaniumkonzentration übersteigt.In some embodiments, the compliant region of the semiconductor substrate may be a porous region in a top surface of a silicon substrate, the first semiconductor layer may be a silicon layer, the second semiconductor layer may be a first silicon-germanium layer having a first germanium concentration, and the third semiconductor layer may be a second silicon -Germanium layer with a second germanium concentration which exceeds the first germanium concentration.

In einigen Ausführungsformen kann eine Germaniumkonzentration der zweiten Silizium-Germanium-Schicht 75 Prozent übersteigen und eine Fadenversetzungsdichte in der zweiten Silizium-Germanium-Schicht kann weniger als etwa 1 × 105 / cm2 betragen.In some embodiments, a germanium concentration of the second silicon germanium layer may exceed 75 percent and a filamentary dislocation density in the second silicon germanium layer may be less than about 1×10 5 /cm 2 .

In einigen Ausführungsformen kann eine Gesamtdicke der Siliziumschicht, der ersten Silizium-Germanium-Schicht und der zweiten Silizium-Germanium-Schicht kleiner als 75 nm sein.In some embodiments, a total thickness of the silicon layer, the first silicon germanium layer, and the second silicon germanium layer may be less than 75 nm.

In einigen Ausführungsformen kann der poröse Bereich eine Porosität von mindestens 30 % aufweisen.In some embodiments, the porous region can have a porosity of at least 30%.

In einigen Ausführungsformen kann der Relaxationsprozess ein thermisches Ausheilen sein.In some embodiments, the relaxation process can be a thermal anneal.

In einigen Ausführungsformen kann eine vierte Halbleiterschicht auf der dritten Halbleiterschicht gebildet werden und eine Halbleitervorrichtung kann wenigstens teilweise in, oder auf der vierten Halbleiterschicht gebildet werden.In some embodiments, a fourth semiconductor layer may be formed on the third semiconductor layer and a semiconductor device may be formed at least partially in or on the fourth semiconductor layer.

Nach noch weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Verfahren zum Bilden einer Halbleitervorrichtung erbracht, in den ein poröser Bereich in einer Oberfläche eines Siliziumsubstrats gebildet wird. Eine Siliziumschicht wird auf dem porösen Bereich in der Oberfläche des Siliziumsubstrats gebildet. Eine erste Silizium-Germanium-Schicht, die eine erste Germaniumkonzentration aufweist, wird auf der Siliziumschicht gebildet. Die erste Silizium-Germanium-Schicht wird dann relaxiert. Eine zweite Silizium-Germanium-Schicht, die eine zweite Germaniumkonzentration aufweist, die höher als die erste Germaniumkonzentration auf der relaxierten ersten Silizium-Germanium-Schicht ist wird dann gebildet, wobei die zweite Silizium-Germanium-Schicht eine gestreckt gezüchtete Schicht ist, Dann wird die zweite Silizium-Germanium-Schicht relaxiert. Eine Halbleiterschicht wird auf der zweiten Silizium-Germanium-Schicht gebildet. Schließlich wird die Halbleitervorrichtung zumindest teilweise in der Halbleiterschicht gebildet.According to still further embodiments of the present invention, methods are provided for forming a semiconductor device in which a porous region is formed in a surface of a silicon substrate. A silicon layer is formed on the porous area in the surface of the silicon substrate. A first silicon germanium layer having a first germanium concentration is formed on the silicon layer. The first silicon germanium layer is then relaxed. A second silicon germanium layer having a second germanium concentration higher than the first germanium concentration on the relaxed first silicon germanium layer is then formed, the second silicon germanium layer being a strained grown layer the second silicon-germanium layer relaxes. A semiconductor layer is formed on the second silicon germanium layer. Finally, the semiconductor device is at least partially formed in the semiconductor layer.

In einigen Ausführungsformen kann das Bilden des porösen Bereichs in der Oberfläche des Halbleitersubstrats Nassätzen einer obere Oberfläche des Halbleitersubstrats mit einem Nassätzmittel mit einem elektrischen Potential umfassen, das zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Nassätzmittel angelegt ist. Das Verfahren kann auch das Glühen des Siliziumsubstrats umfassen, um mindestens einige der Poren in einer oberen Fläche des porösen Bereichs vor dem Bilden der ersten Silizium-Germanium-Schicht zu schließen.In some embodiments, forming the porous region in the surface of the semiconductor substrate may include wet etching a top surface of the semiconductor substrate with a wet etchant having an electrical potential applied between the semiconductor substrate and the wet etchant. The method may also include annealing the silicon substrate to close at least some of the pores in an upper surface of the porous region prior to forming the first silicon germanium layer.

In einigen Ausführungsformen kann die erste Halbleiterschicht eine Dicke von weniger als 20 nm aufweisen, und eine Gesamtdicke der Siliziumschicht, der ersten Silizium-Germanium-Schicht und der zweiten Silizium-Germanium-Schicht kann weniger als 75 nm sein.In some embodiments, the first semiconductor layer may have a thickness less than 20 nm, and a total thickness of the silicon layer, the first silicon germanium layer, and the second silicon germanium layer may be less than 75 nm.

In einigen Ausführungsformen kann die Siliziumschicht nur schwach an das Siliziumsubstrat gebunden sein, so dass die Siliziumschicht sich in Bezug auf das Siliziumsubstrat bewegen kann, wenn eine Streckspannung auf das Siliziumsubstrat aufgebracht wird.In some embodiments, the silicon layer may only be weakly bonded to the silicon substrate such that the silicon layer may move with respect to the silicon substrate when a yield stress is applied to the silicon substrate.

In einigen Ausführungsformen kann eine Germaniumkonzentration der zweiten Silizium-Germanium-Schicht 75 Prozent übersteigen und eine Fadenversetzungsdichte in der zweiten Silizium-Germanium-Schicht kann weniger als etwa 1 × 105 / cm2 betragen.In some embodiments, a germanium concentration of the second silicon germanium layer may exceed 75 percent and a filamentary dislocation density in the second silicon germanium layer may be less than about 1×10 5 /cm 2 .

Nach noch weiteren Ausführungsformen der Erfindung sind Halbleiterstrukturen vorgesehen, die ein Siliziumsubstrat, einen Bereich aus porösem Silizium in einer oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats, eine Siliziumschicht auf einer oberen Oberfläche des porösen Siliziumbereichs, eine erste Silizium-Germanium-Schicht mit einer ersten Germaniumkonzentration auf der oberen Oberfläche der Siliziumschicht, und eine gestreckt-relaxierte zweite Silizium-Germanium-Schicht mit einer zweiten Germaniumkonzentration umfassen, welche die erste Germaniumkonzentration auf der oberen Oberfläche der ersten Silizium-Germanium-Schicht überschreitet.According to still further embodiments of the invention, semiconductor structures are provided that include a silicon substrate, a region of porous silicon in a top surface of the silicon substrate, a silicon layer on a top surface of the porous silicon region, a first silicon-germanium layer having a first germanium concentration on the top surface of the silicon layer, and a stretched-relaxed second silicon-germanium layer having a second germanium concentration that exceeds the first germanium concentration on the top surface of the first silicon-germanium layer.

In einigen Ausführungsformen kann der poröse Bereich eine Porosität von mindestens 30 % aufweisen.In some embodiments, the porous region can have a porosity of at least 30%.

In einigen Ausführungsformen kann eine erste Vielzahl von Fehlversetzungen an der Grenzfläche zwischen der Siliziumschicht und der ersten Silizium-Germanium-Schicht vorhanden sein, und die Siliziumschicht kann eine Fadenversetzungsdichte von wenigstens 1×106/cm2 aufweisen, und eine die zweite Vielzahl von Fehlversetzungen kann an der Grenzfläche zwischen der ersten Silizium-Germanium-Schicht und der zweiten Silizium-Germaniumschicht vorhanden sein, und die erste Silizium-Germanium-Schicht kann eine Fadenversetzungsdichte von wenigstens 1 × 106 / cm2 aufweisen, und die zweite Silizium-Germanium-Schicht kann eine Fadenversetzungsdichte von weniger als 1 × 105 / cm2 aufweisen.In some embodiments, a first plurality of dislocations may be present at the interface between the silicon layer and the first silicon germanium layer, and the silicon layer may have a filamentary dislocation density of at least 1×10 6 /cm 2 and one of the second plurality of dislocations may be present at the interface between the first silicon-germanium layer and the second silicon-germanium layer, and the first silicon-germanium layer may have a filamentary dislocation density of at least 1×10 6 /cm 2 , and the second silicon-germanium layer may have a filament dislocation density of less than 1×10 5 /cm 2 .

In einigen Ausführungsformen kann eine Germaniumkonzentration der zweiten Silizium-Germanium-Schicht 75 Prozent übersteigen.In some embodiments, a germanium concentration of the second silicon germanium layer may exceed 75 percent.

In einigen Ausführungsformen kann eine Gesamtdicke der Siliziumschicht, der ersten Silizium-Germanium-Schicht und der zweiten Silizium-Germanium-Schicht kleiner als 75 nm sein.In some embodiments, a total thickness of the silicon layer, the first silicon germanium layer, and the second silicon germanium layer may be less than 75 nm.

In einigen Ausführungsformen kann eine erste Vielzahl von Fehlversetzungen an der Grenzfläche zwischen der Siliziumschicht und der ersten Silizium-Germanium-Schicht vorhanden sein, und eine Vielzahl von Fadenversetzungen kann sich nach unten von den Fehlversetzungen in die Siliziumschicht erstrecken.In some embodiments, a first plurality of dislocations may be present at the interface between the silicon layer and the first silicon-germanium layer, and a plurality of filamentary dislocations may extend downward from the dislocations into the silicon layer.

In einigen Ausführungsformen kann die Siliziumschicht eine Dicke von weniger als 20 nm aufweisen, und die Siliziumschicht kann nur schwach an das Siliziumsubstrat gebunden sein, so dass die Siliziumschicht sich in Bezug auf das Siliziumsubstrat bewegen kann, wenn eine Streckspannung auf das Siliziumsubstrat aufgebracht wird.In some embodiments, the silicon layer may have a thickness less than 20 nm and the silicon layer may be only weakly bonded to the silicon substrate such that the silicon layer may move with respect to the silicon substrate when a yield stress is applied to the silicon substrate.

In einigen Ausführungsformen kann die Siliziumschicht eine erste Dicke aufweisen, die erste Silizium-Germanium-Schicht kann eine zweite Dicke aufweisen, die die erste Dicke übersteigt, und die zweite Silizium-Germanium-Schicht kann eine dritte Dicke aufweisen, die die zweite Dicke übersteigt.In some embodiments, the silicon layer can have a first thickness, the first silicon germanium layer can have a second thickness that exceeds the first thickness, and the second silicon germanium layer can have a third thickness that exceeds the second thickness.

Figurenlistecharacter list

  • 1 ist ein Schnittdiagramm, das schematisch ein herkömmliches Verfahren zum Bilden einer gestreckten Siliziumschicht auf einer gestreckt-relaxierten Silizium-Germanium-Schicht zeigt. 1 12 is a sectional diagram schematically showing a conventional method of forming a strained silicon layer on a strained-relaxed silicon-germanium layer.
  • 2 ist ein Schnittdiagramm, das schematisch eine Halbleiterstruktur zeigt, die eine gestreckt-relaxierte Schicht, gemäß bestimmter Ausführungsformen der Erfindung umfasst. 2 12 is a sectional diagram schematically showing a semiconductor structure including a stretch-relaxed layer, according to certain embodiments of the invention.
  • 3 ist ein Schnittdiagramm, das schematisch eine Halbleiterstruktur zeigt, die eine gestreckt-relaxierte Schicht, gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung umfasst. 3 Fig. 12 is a sectional diagram schematically showing a semiconductor structure comprising a stretch-relaxed layer according to further embodiments of the invention.
  • 4 ist eine schematische Darstellung, die die Bildung von Fehlanpassungen und Fadenversetzungen zeigt, die in die Opferschichten, die nach den Techniken gemäß Ausführungsformen der Erfindung erzeugt werden, gebildet werden können. 4 12 is a schematic diagram showing the formation of mismatches and thread dislocations that may be formed in sacrificial layers produced by techniques according to embodiments of the invention.
  • 5A-5F sind Darstellungen, die schematisch ein Verfahren zum Bilden einer Halbleiterstruktur zeigt, die eine gestreckt-relaxierte Schicht, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst. 5A-5F 12 are diagrams schematically showing a method of forming a semiconductor structure comprising a stretch-relaxed layer, according to some embodiments of the invention.
  • 6A ist eine schematische Schnittdarstellung, die eine dünne Silizium-Germanium-Schicht zeigt, die auf einer dünnen Siliziumschicht gewachsen ist. 6A Fig. 12 is a schematic sectional view showing a silicon germanium thin film grown on a silicon thin film.
  • 6B ist eine schematische Schnittdarstellung, die eine dickere Silizium-Germanium-Schicht zeigt, die auf einer dünnen Siliziumschicht gewachsen ist. 6B Figure 12 is a schematic sectional view showing a thicker silicon germanium layer grown on a thin silicon layer.
  • 7 ist eine perspektivische Darstellung einer Halbleitervorrichtung, die eine gestreckt-relaxierte Schicht, gemäß bestimmter Ausführungsformen der Erfindung umfasst. 7 12 is a perspective view of a semiconductor device including a stretch-relaxed layer, in accordance with certain embodiments of the invention.
  • 8 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden einer gestreckt-relaxierten Schicht, gemäß bestimmter Ausführungsformen der Erfindung. 8th 12 is a flow diagram of a method of forming a stretch-relaxed layer, according to certain embodiments of the invention.
  • 9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden einer gestreckt-relaxierten Schicht, gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung. 9 12 is a flow diagram of a method of forming a stretch-relaxed layer, according to further embodiments of the invention.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Nach Ausführungsformen der Erfindung, sind Verfahren zur Bildung einer gestreckt-relaxierten Schicht auf einem Halbleitersubstrat vorgesehen. Die gestreckt-relaxierte Schicht kann zum Beispiel eine Silizium-Germanium-Schicht mit hoher Germaniumkonzentration sein, und das Halbleitersubstrat kann ein Bulk-Siliziumsubstrat sein. In einigen Ausführungsformen dieser Verfahren kann ein poröser Bereich in einer oberen Oberfläche des Bulk-Siliziumsubstrats durch beispielsweise eine Nass-Ätzung mit Fluorwasserstoffsäure gebildet werden. Eine Wärmebehandlung kann dann durchgeführt werden, um die Poren in der oberen Oberfläche des porösen Bereichs des Siliziumsubstrats zu schließen. Eine dünne Siliziumschicht kann dann epitaxial auf der oberen Oberfläche des porösen Bereichs gezüchtet werden. Diese dünne Siliziumschicht kann als eine erste Opferschicht dienen. Aufgrund des porösen Bereichs in dem oberen Bereich des Bulk-Siliziumsubstrats können die Bindungen zwischen der dünnen Silizium-Epitaxie-Schicht und der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats schwächer als normal sein, so dass die obere Oberfläche des Substrats etwas „rutschig“ oder nachgiebig bezüglich der dünnen Siliziumschicht ist.According to embodiments of the invention, methods of forming a stretch-relaxed layer on a semiconductor substrate are provided. For example, the stretch-relaxed layer may be a silicon-germanium layer with high germanium concentration, and the semiconductor substrate may be a bulk silicon substrate. In some embodiments of these methods, a porous region may be formed in a top surface of the bulk silicon substrate by, for example, a hydrofluoric acid wet etch. A heat treatment can then be performed to close the pores in the upper surface of the porous region of the silicon substrate. A thin silicon layer can then be epitaxially grown on the top surface of the porous region. This thin silicon layer can serve as a first sacrificial layer. Due to the porous region in the top portion of the bulk silicon substrate, the bonds between the thin silicon epitaxial layer and the top surface of the silicon substrate may be weaker than normal, making the top surface of the substrate somewhat "slippery" or compliant relative to the thin silicon layer is.

Eine erste Silizium-Germanium-Schicht mit einer ersten Germaniumkonzentration kann dann epitaxial auf der Siliziumschicht gezüchtet werden. Die erste Silizium-Germanium-Schicht kann dünn sein (z.B. 10 bis 20 nm dick). Die erste Silizium-Germanium-Schicht kann eine relativ hohe Germaniumkonzentration aufweisen, wie beispielsweise eine Germaniumkonzentration von 50%. In einigen Ausführungsformen können die erste Silizium-Germanium-Schicht und die darunterliegende Siliziumschicht vollständig gestreckt gezüchtet werden und können im Wesentlichen fehlerfrei gezüchtet. Ein thermisches Glühverfahren kann dann durchgeführt werden, um die Siliziumschicht und die erste Silizium-Germanium-Schicht zu relaxieren. Während diese Schichten relaxieren, werden sich Fehlversetzungen entlang der Grenzfläche zwischen der Siliziumschicht und der ersten Silizium-Germanium-Schicht bilden, und Fadenversetzungen können sich durch die Siliziumschicht ausbreiten, aber die erste Silizium-Germanium-Schicht kann geringere Ausmaße an Fadenversetzungen aufweisen oder sogar im Wesentlichen frei von Fadenversetzungen sein.A first silicon germanium layer having a first germanium concentration can then be epitaxially grown on the silicon layer. The first silicon germanium layer may be thin (e.g. 10 to 20 nm thick). The first silicon-germanium layer may have a relatively high germanium concentration, such as a 50% germanium concentration. In some embodiments, the first silicon-germanium layer and the underlying silicon layer can be grown fully stretched and can be grown substantially defect-free. A thermal annealing process can then be performed to relax the silicon layer and the first silicon germanium layer. As these layers relax, dislocations will form along the interface between the silicon layer and the first silicon-germanium layer, and filamentous dislocations can propagate through the silicon layer, but the first silicon-germanium layer may have lower levels of filamentous dislocations or even in the Be essentially free of thread displacements.

In einigen Ausführungsformen, kann dann eine zweite Silizium-Germanium-Schicht mit einer zweiten Germaniumkonzentration, die höher als die erste Germaniumkonzentration ist, epitaxial auf der ersten Silizium-Germanium-Schicht gezüchtet werden. Während dem Wachsen kann die zweite Silizium-Germanium-Schicht vollständig gestreckt werden, und die darunterliegende erste Silizium-Germanium-Schicht wird auch während des epitaxialen Wachstumsprozesses gestreckt werden. Ein thermisches Glühverfahren kann dann durchgeführt werden, um die erste und zweite Silizium-Germanium-Schicht zu relaxieren. Während diese Schichten relaxieren, werden sich Fehlversetzungen entlang der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Silizium-Germanium-Schicht bilden, und Fadenversetzungen können sich durch die erste Silizium-Germanium-Schicht ausbreiten, aber die zweite Silizium-Germanium-Schicht kann geringere Ausmaße an Fehlern aufweisen oder sogar im Wesentlichen frei von Fehlern sein. Die zweite Silizium-Germanium-Schicht kann dann als Seed-Schicht für das Züchten von beispielsweise zusätzlichen Halbleitermaterialien benutzt werden, die als aktive Bereiche von Halbleitervorrichtungen wie beispielsweise ein epitaxial gezüchteter Germanium- oder Silizium-Germanium-Grat für einen FIN-FET-Transistor oder gestreckte Silizium-Kanalschichten benutzt werden können. Das zusätzliche Halbleitermaterial kann auch als Donatorwafer-Material für die Bildung aktiver Bereiche von Halbleitervorrichtungen auf einer Isolatorschicht über einem Halbleitersubstrat verwendet werden.In some embodiments, a second silicon germanium layer having a second germanium concentration higher than the first germanium concentration may then be epitaxially grown on the first silicon germanium layer. During growth, the second silicon germanium layer may be fully stretched, and the underlying first silicon germanium layer will also be stretched during the epitaxial growth process. A thermal annealing process can then be performed to relax the first and second silicon germanium layers. As these layers relax, dislocations will form along the interface between the first and second silicon germanium layers, and filamentary dislocations can propagate through the first silicon germanium layer, but the second silicon germanium layer can have lower levels of faults exhibit or even be essentially free of errors. The second silicon-germanium layer can then be used as a seed layer for the growth of, for example, additional semiconductor materials that can be used as active areas of semiconductor devices, such as an epitaxially grown germanium or silicon-germanium fin for a FIN-FET transistor or strained silicon channel layers can be used. The additional semiconductor material can also be used as a donor wafer material for the formation of active areas of semiconductor devices on an insulator layer over a semiconductor substrate.

Die gestreckt-relaxierten Silizium-Germanium-Schichten gemäß den Ausführungsformen der Erfindung können relativ dünne Schichten sein (z.B. kann die Reihe an Schichten, die gezüchtet werden, eine Gesamtdicke über einer oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats von weniger als 50 - 100 nm in einigen Ausführungsformen aufweisen) und können reduzierte Defektdichten aufweisen (z.B. können Fadenversetzungsdichten von 1 × 105 / cm2 oder sogar weniger möglich sein). Außerdem können die gestreckt-relaxierten Silizium-Germanium-Schichten gemäß den Ausführungsformen der Erfindung so gezüchtet werden, dass sie sehr hohe Germanium-Konzentrationen aufweisen, wie beispielsweise Germanium-Konzentrationen von 0,9 oder 1,0 (d.h. reines Germanium), während sie immer noch relativ geringe Fadenversetzungsdichten aufweisen. Zusätzlich können die gestreckt-relaxierten Silizium-Germanium-Schichten, gemäß Ausführungsformen der Erfindung, kostengünstig auf herkömmlichen Bulk-Siliziumsubstraten unter Verwendung herkömmlicher chemischer dampfabscheidungsepitaxialen Züchtungsprozessen gebildet werden, die für die Großserienfertigung geeignet sind.The stretched-relaxed silicon-germanium layers according to embodiments of the invention may be relatively thin layers (eg, the series of layers that are grown may have a total thickness over a top surface of the silicon substrate of less than 50-100 nm in some embodiments ) and may have reduced defect densities (e.g., filament dislocation densities of 1 × 105/cm 2 or even less may be possible). In addition, the stretched-relaxed silicon-germanium layers according to embodiments of the invention can be grown to have very high germanium concentrations, such as germanium concentrations of 0.9 or 1.0 (ie, rei nes germanium), while still having relatively low filamentary dislocation densities. Additionally, the strained-relaxed silicon-germanium layers according to embodiments of the invention can be inexpensively formed on conventional bulk silicon substrates using conventional chemical vapor deposition epitaxial growth processes suitable for high-volume manufacturing.

Während die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung Züchten einer gestreckt-relaxierten Silizium-Germanium-Schicht auf einem Siliziumsubstrat umfassen, versteht es sich, dass die hierin offenbarten Techniken in einer großen Vielfalt von Stoffsystemen verwendet werden können. Zum Beispiel kann in anderen Ausführungsformen eine gestreckt-relaxierte Ill-V-Halbleiterverbindungsschicht auf einem gitterfehlangepassten Substrat, wie einem Saphir, Silizium oder Siliziumcarbid-Substrat gezüchtet werden.While the above-described embodiments of the invention involve growing a stretched-relaxed silicon-germanium layer on a silicon substrate, it should be understood that the techniques disclosed herein can be used in a wide variety of material systems. For example, in other embodiments, a stretched-relaxed III-V compound semiconductor layer may be grown on a lattice-mismatched substrate, such as a sapphire, silicon, or silicon carbide substrate.

Verfahren und Halbleitervorrichtungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden nun detaillierter mit Bezug auf die begleitenden Figuren diskutiert, in denen beispielhafte Ausführungsformen dieser Verfahren und Halbleitervorrichtungen und Zwischenstrukturen gezeigt sind.Methods and semiconductor devices according to embodiments of the invention will now be discussed in more detail with reference to the accompanying figures, in which exemplary embodiments of these methods and semiconductor devices and intermediate structures are shown.

2 ist ein Schnittdiagramm, das schematisch eine Halbleiterstruktur 100 zeigt, die eine gestreckt-relaxierte Schicht, gemäß bestimmter Ausführungsformen der Erfindung umfasst. Die Halbleiterstruktur kann zum Beispiel einen Halbleiter-Wafer oder einen Teil eines derartigen Halbleiter-Wafers umfassen. 2 12 is a cross-sectional diagram that schematically shows a semiconductor structure 100 including a stretch-relaxed layer, according to certain embodiments of the invention. The semiconductor structure can, for example, comprise a semiconductor wafer or a part of such a semiconductor wafer.

Wie in 2 gezeigt, umfasst die Halbleiterstruktur 100 ein Siliziumsubstrat 110, wie beispielsweise ein Bulk-Siliziumsubstrat, oder eine dicke Silizium-Epitaxie-Schicht. Das Siliziumsubstrat 110 kann ein p-Typ-Siliziumsubstrat, oder ein n-Typ-Siliziumsubstrat umfassen und kann oder kann nicht mit Verunreinigungen dotiert werden. Eine obere Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 kann einen porösen Bereich 120 umfassen. Der poröse Bereich 120 kann die Gesamtheit der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 umfassen, oder kann eine oder mehrere diskrete poröse Bereiche sein, die in ausgewählten Orten in der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 ausgebildet werden. Die Poren auf der obersten Oberfläche des porösen Bereichs 120 können durch eine geeignete Behandlung so verschlossen werden, dass der poröse Bereich 120 als eine gute Seed-Schicht während eines nachfolgenden epitaxialen Wachstumsprozesses dienen kann. Eine dünne Siliziumschicht 130 ist auf einer oberen Oberfläche des porösen Bereichs 120 vorgesehen. Schließlich ist eine Silizium-Germanium-Schicht 140 auf einer oberen Oberfläche der dünnen Siliziumschicht 130 vorgesehen.As in 2 As shown, the semiconductor structure 100 includes a silicon substrate 110, such as a bulk silicon substrate, or a thick silicon epitaxial layer. The silicon substrate 110 may comprise a p-type silicon substrate, or an n-type silicon substrate and may or may not be doped with impurities. A top surface of the silicon substrate 110 may include a porous region 120 . The porous region 120 may comprise the entirety of the top surface of the silicon substrate 110 or may be one or more discrete porous regions formed in selected locations in the top surface of the silicon substrate 110 . The pores on the top surface of the porous region 120 can be closed by an appropriate treatment so that the porous region 120 can serve as a good seed layer during a subsequent epitaxial growth process. A thin silicon layer 130 is provided on an upper surface of the porous region 120 . Finally, a silicon germanium layer 140 is provided on a top surface of the thin silicon layer 130 .

Die Silizium-Germanium-Schicht 140 kann eine gestreckt-relaxierte Silizium-Germanium-Schicht 140 sein. Eine Vielzahl von Fehlversetzungen 132 kann in der Halbleiterstruktur 100 gebildet sein, hauptsächlich entlang der Grenzfläche zwischen der dünnen Siliziumschicht 130 und der Silizium-Germanium-Schicht 140. Fadenversetzungen 134 können sich von den Fehlversetzungen 132 erstrecken. Wie in 2 gezeigt, können sich die Fadenversetzungen 134 hauptsächlich sich von den Fehlversetzungen 132 nach unten erstrecken, um sich durch die dünne Siliziumschicht 130 zu erstrecken. Die Fadenversetzungen 134 können nur durch die Siliziumschicht 130 ausbreiten und nicht in den porösen Bereich 120 des Siliziumsubstrats 110. Die Silizium-Germanium-Schicht 140 kann eine niedrige Fadenversetzungsdichte aufweisen, oder kann im Wesentlichen frei von Fadenversetzungen 134 sein.The silicon germanium layer 140 may be a stretched-relaxed silicon germanium layer 140 . A plurality of dislocations 132 may be formed in the semiconductor structure 100, primarily along the interface between the thin silicon layer 130 and the silicon germanium layer 140. Filamentous dislocations 134 may extend from the dislocations 132. FIG. As in 2 As shown, the filamentary dislocations 134 may extend primarily downward from the misdislocations 132 to extend through the thin silicon layer 130 . The filamentary dislocations 134 can only propagate through the silicon layer 130 and not into the porous region 120 of the silicon substrate 110. The silicon germanium layer 140 can have a low filamentary dislocation density, or can be substantially free of filamentary dislocations 134. FIG.

In manchen Ausführungsformen kann die Siliziumschicht 130 eine dünne Siliziumschicht 130 sein, die eine Dicke von beispielsweise weniger als 25 nm aufweist. In manchen Ausführungsformen kann die Siliziumschicht 130 eine Dicke von weniger als 15 nm aufweisen, wie beispielsweise eine Dicke von etwa 10 nm. Die Siliziumschicht 130 kann eine Opferschicht umfassen, die anfällig für das Annehmen der Fadenversetzungen 134 ist, die sich von den Fehlversetzungen 132 erstrecken, die an der Grenzfläche zwischen der gitterfehlangepassten Siliziumschicht 130 und der Silizium-Germanium-Schicht 140 gebildet werden.In some embodiments, the silicon layer 130 may be a thin silicon layer 130 having a thickness of less than 25 nm, for example. In some embodiments, the silicon layer 130 may have a thickness of less than 15 nm, such as a thickness of about 10 nm , which are formed at the interface between the lattice-mismatched silicon layer 130 and the silicon-germanium layer 140. FIG.

Die Silizium-Germanium-Schicht 140 kann eine Vielzahl unterschiedlicher Germanium-Konzentrationen aufweisen. Die Germaniumkonzentration können so ausgewählt werden, dass sie auf einem Niveau sind, so dass die Siliziumschicht 130 die Silizium-Germanium-Schicht 140 relaxieren kann. Somit kann in einigen Fällen kann dies eine praktische obere Grenze für die Germanium-Konzentration einstellen. Die Silizium-Germanium-Schicht 140 kann in einigen Ausführungsformen eine abgestufte Schicht umfassen, obwohl die Silizium-Germanium-Schicht 140 noch typischer eine konstante Germaniumkonzentration haben wird. Wenn die Silizium-Germanium-Schicht 140 eine abgestufte Schicht ist, wird die durchschnittliche Germaniumkonzentration der Schicht als die Germaniumkonzentration der Schicht angenommen.The silicon-germanium layer 140 can have a variety of different germanium concentrations. The germanium concentrations can be selected to be at a level such that the silicon layer 130 can relax the silicon-germanium layer 140 . Thus, in some cases, this may set a practical upper limit on the germanium concentration. The silicon germanium layer 140 may comprise a graded layer in some embodiments, although more typically the silicon germanium layer 140 will have a constant germanium concentration. If the silicon germanium layer 140 is a graded layer, the average germanium concentration of the layer is taken as the germanium concentration of the layer.

Die Dicke der Silizium-Germanium-Schicht 140 kann so ausgewählt werden, dass sie mehrere Kriterien in einigen Ausführungsformen erfüllt. Beispielsweise kann die Silizium-Germanium-Schicht 140 eine Dicke aufweisen, die ausreicht, um genügend Spannungsenergie zu speichern, um Relaxation der darunter liegenden Siliziumschicht 130 während eines nachfolgenden Relaxationsprozesses zu ermöglichen. Zusätzlich kann die Dicke der Silizium-Germanium-Schicht 140 nahe einer „kritischen Dicke“ der Silizium-Germanium-Schicht 140 sein. Die „kritische Dicke“ bezeichnet eine Dicke der Silizium-Germanium-Schicht 140, die ausreichend klein ist, dass die Schicht elastisch gestreckt wird, aber stabil bleiben wird, was bedeutet, dass die Schicht elastisch gestreckt bleiben wird, auch wenn sie auf sehr hohe Temperaturen erhitzt wird. Die kritische Dicke für die Silizium-Germanium-Schicht 140 ist eine Funktion von beispielsweise der Germaniumkonzentration der Schicht. Die Dicke der Silizium-Germanium-Schicht 140 kann auch bei, oder nahe einer maximalen metastabilen Dicke für die Silizium-Germanium-Schicht 140 sein. Die metastabile Dicke bezieht sich auf einen Bereich von Dicken für eine Schicht, die auf einer darunterliegenden gitterfehlangepassten Schicht gewachsen ist, die dicker als die kritische Dicke, bis hin zu einer Dicke ist, bei der Relaxation während des Wachsens auftreten wird. Mit anderen Worten, für Dicken von mehr als der maximalen metastabilen Dicke wird die Schicht mit Versetzungen vom Wachsen relaxieren, da die Spannungsenergie größer ist als das Gitter aushalten kann. Der Bereich an Schichtdicken zwischen der kritischen Dicke und der maximalen metastabilen Dicke wird als der metastabile Bereich bezeichnet. Schichten mit Dicken in dem metastabilen Bereich werden während dem Wachsen gestreckt, können aber in Reaktion auf beispielsweise ein thermisches Glühen relaxieren (und Versetzungen bilden). Die maximale metastabilen Dicke für die Silizium-Germanium-Schicht 140 kann beispielsweise von der Germaniumkonzentration der Schicht und der Temperatur, bei der die Schicht gezüchtet wird abhängen. Durch Fertigen der Silizium-Germanium-Schicht 140 auf eine Dicke im metastabilen Bereich kann die Silizium-Germanium-Schicht 140 relativ gering an Fehlern oder fehlerfrei gewachsen sein, und kann eine Zugspannung auf die darunterliegende Siliziumschicht 130 ausüben, die die Siliziumschicht 130 so streckt, dass die Fadenversetzungen sich in der Siliziumschicht 130 bilden statt in der Silizium-Germanium-Schicht 140. In einigen Ausführungsformen kann die Silizium-Germanium-Schicht 140 eine Dicke von beispielsweise etwa 10 nm bis etwa 20 nm aufweisen. Die Silizium-Germanium-Schicht 140 kann dicker als die Siliziumschicht 130 sein.The thickness of the silicon germanium layer 140 can be selected to meet several criteria in some embodiments. For example, the silicon germanium layer 140 may have a thickness sufficient to to store sufficient strain energy to allow relaxation of the underlying silicon layer 130 during a subsequent relaxation process. Additionally, the thickness of the silicon germanium layer 140 may be close to a "critical thickness" of the silicon germanium layer 140 . The "critical thickness" refers to a thickness of the silicon germanium layer 140 that is sufficiently small that the layer will be elastically stretched but will remain stable, meaning that the layer will remain elastically stretched even when pushed to very high levels temperatures is heated. The critical thickness for the silicon germanium layer 140 is a function of, for example, the germanium concentration of the layer. The thickness of silicon germanium layer 140 may also be at, or near, a maximum metastable thickness for silicon germanium layer 140 . The metastable thickness refers to a range of thicknesses for a layer grown on an underlying lattice-mismatched layer thicker than the critical thickness, up to a thickness at which relaxation will occur during growth. In other words, for thicknesses greater than the maximum metastable thickness, the dislocation layer will relax from growing since the strain energy is greater than the lattice can withstand. The range of layer thicknesses between the critical thickness and the maximum metastable thickness is referred to as the metastable range. Layers with thicknesses in the metastable range are stretched during growth but may relax (and form dislocations) in response to, for example, a thermal anneal. The maximum metastable thickness for the silicon germanium layer 140 may depend, for example, on the germanium concentration of the layer and the temperature at which the layer is grown. By fabricating the silicon-germanium layer 140 to a thickness in the metastable range, the silicon-germanium layer 140 can be grown with relatively few or no defects, and can impart a tensile stress on the underlying silicon layer 130 that stretches the silicon layer 130 so that the filiform dislocations form in the silicon layer 130 rather than in the silicon germanium layer 140. In some embodiments, the silicon germanium layer 140 may have a thickness of, for example, about 10 nm to about 20 nm. The silicon germanium layer 140 can be thicker than the silicon layer 130 .

Die Silizium-Germanium-Schicht 140 kann beispielsweise als Wachstumsfläche für zusätzliches Halbleitermaterial verwendet werden, das als aktiver Bereiche von Halbleiterbauelementen verwendet werden kann, wie zum Beispiel eine gestreckte Siliziumschicht (nicht gezeigt). In anderen Fällen kann die Silizium-Germanium-Schicht 140 als Seed-Oberfläche für das Wachstum von zusätzlichem Halbleitermaterial benutzt werden, das als aktive Bereiche von Halbleiterbauelementen benutzt werden kann, wie ein Germanium-Grat für einen FIN-FET-Transistor. Eine große Vielzahl von anderen Verwendungen ist möglich. Zusätzlich, wie weiter unten in Bezug auf 3 erläutert wird, kann die Silizium-Germanium-Schicht 140 als Opferschicht für das Züchten von einer Silizium-Germanium-Schicht mit höherer Konzentration auf einer oberen Oberfläche davon verwendet werden.For example, the silicon germanium layer 140 can be used as a growth surface for additional semiconductor material that can be used as active areas of semiconductor devices, such as a strained silicon layer (not shown). In other cases, the silicon germanium layer 140 can be used as a seed surface for the growth of additional semiconductor material that can be used as active areas of semiconductor devices, such as a germanium fin for a FIN-FET transistor. A wide variety of other uses are possible. Additionally, as further below in relation to 3 As will be explained, the silicon germanium layer 140 can be used as a sacrificial layer for the growth of a higher concentration silicon germanium layer on a top surface thereof.

3 ist ein Schnittdiagramm, das schematisch eine Halbleitervorrichtung 100' zeigt, die eine gestreckt-relaxierte Schicht, gemäß bestimmter Ausführungsformen der Erfindung umfasst. 3 FIG. 12 is a sectional diagram schematically showing a semiconductor device 100′ including a stretch-relaxed layer, according to certain embodiments of the invention.

Wie in 3 gezeigt, umfasst die Halbleitervorrichtung 100' das Siliziumsubstrat 110, den porösen Bereich 120 und die Siliziumschicht 130 der Halbleitervorrichtung 100, die oben mit Bezug auf 2 beschrieben wurden. Die Halbleitervorrichtung 100' umfasst des Weiteren eine Silizium-Germanium-Schicht 140'. Das Silizium-Germanium-Schicht 140' kann ähnlich der Silizium-Germanium-Schicht 140, wie oben beschrieben, sein. Jedoch umfasst die Silizium-Germanium-Schicht 140' eine Vielzahl von Fehlversetzungen 142, die an einer Grenzfläche zwischen der Silizium-Germanium-Schicht 140' und einer zweiten Silizium-Germanium-Schicht 150, die darauf gebildet ist gebildet werden, sowie eine Vielzahl von Fadenversetzungen 144, die sich von den Fehlversetzungen 142 nach unten in die erste Silizium-Germanium-Schicht 140' erstrecken.As in 3 As shown, the semiconductor device 100' comprises the silicon substrate 110, the porous region 120 and the silicon layer 130 of the semiconductor device 100 referred to above with reference to FIG 2 have been described. The semiconductor device 100' further includes a silicon germanium layer 140'. The silicon germanium layer 140' may be similar to the silicon germanium layer 140 as described above. However, the silicon germanium layer 140' includes a plurality of dislocations 142 formed at an interface between the silicon germanium layer 140' and a second silicon germanium layer 150 formed thereon, and a plurality of Filamentous dislocations 144 extending from misdislocations 142 down into first silicon germanium layer 140'.

Die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 kann eine höhere Germaniumkonzentration als die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 haben. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 eine Germanium-Konzentration von 90 % oder höher aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 durch eine reine Germaniumschicht ersetzt werden. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 eine relativ dünne Schicht sein, mit einer Dicke von beispielsweise weniger als 50nm. In einigen Ausführungsformen kann die Silizium-Germanium-Schicht 150 eine Dicke von beispielsweise etwa 20 nm bis etwa 40 nm aufweisen. Die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 kann dicker als die erste Silizium-Germanium-Schicht 140' sein. Die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 kann eine niedrige Fadenversetzungsdichte aufweisen, oder kann im Wesentlichen frei von Fadenversetzungen sein.The second silicon germanium layer 150 may have a higher germanium concentration than the first silicon germanium layer 140 . For example, in some embodiments, the second silicon germanium layer 150 may have a germanium concentration of 90% or higher. In some embodiments, the second silicon germanium layer 150 can be replaced with a pure germanium layer. In some embodiments, the second silicon germanium layer 150 may be a relatively thin layer, for example less than 50 nm thick. In some embodiments, the silicon germanium layer 150 may have a thickness of about 20 nm to about 40 nm, for example. The second silicon germanium layer 150 may be thicker than the first silicon germanium layer 140'. The second silicon germanium layer 150 may have a low filamentary dislocation density, or may be substantially free of filamentary dislocations.

4 ist ein schematisches, perspektivisches Diagramm, das zeigt, wie Fehlversetzungen und Fadenversetzungen sich bilden können, wenn eine gestreckte Silizium-Germanium-Schicht, die auf einer darunter liegenden Siliziumschicht oder Substrat gezüchtet wird, sich relaxiert. Wie in 4 gezeigt, kann eine Silizium-Germanium-Epitaxie-Schicht 220 auf einem Bulk-Siliziumsubstrat 210 gezüchtet werden. Die Silizium-Germanium-Schicht 220 ist gitterfehlangepasst mit dem darunterliegenden Siliziumsubstrat, und damit wird die Silizium-Germanium-Schicht 220 gestreckt gezüchtet. Die Silizium-Germanium-Schicht 220 kann relaxiert werden, entweder durch ein thermisches Glühen und/oder während des Wachstums nachdem die maximale metastabile Dicke überschritten wird. Während dem Relaxieren werden Fehlversetzungen 222 und Fadenversetzungen 224 erzeugt. Wie in 4 gezeigt, werden zwei Fadenversetzungen 224 für jede Fehlversetzung 222 erzeugt, und die Fadenversetzungen 224 fädeln sich zu einer Oberfläche. In der Silizium-/Silizium-Germanium-Struktur von 4 sind die Fadenversetzungen 224 typischerweise bei 60° Winkeln, da sie auf der Si (111) Gitterebene gleiten. Wie ebenfalls in 4 gezeigt, da das Bulk-Siliziumsubstrat 210 dazu neigt unnachgiebig zu sein, neigt die Relaxierung dazu ausschließlich in der Silizium-Germanium-Schicht 220 statt zu finden und damit breiten sich die Fadenversetzungen 224 durch die Silizium-Germanium-Schicht 220 aus. Die Fadenversetzungsdichte in der Silizium-Germanium-Schicht 220 kann sehr hoch, wenn die Silizium-Germanium-Schicht 220 relaxiert ist. Wenn zum Beispiel angenommen wird, dass 1 % Streckung während der Bildung der Silizium-Germanium-Schicht 220 erzeugt wird, die dann vollständig relaxiert wird, und unter der Annahme, dass jede Fadenversetzung eine Burgers-Vektorgrößenordnung von etwa 5 Angström (wobei 1 Angström = 1Å = 0,1 nm) aufweist, dann kann die Fadenversetzungsdichte (threading dislocation density, TDD) wie folgt berechnet werden: TDD  =  0 ,01 * 1 cm / 5 A  =  2 × 10 5 / cm(Längeneinheit)

Figure DE102015201419B4_0001
4 Fig. 12 is a schematic perspective diagram showing how dislocations and filamentary dislocations can form when a strained silicon-germanium layer containing the grown on an underlying silicon layer or substrate relaxes. As in 4 As shown, a silicon germanium epitaxial layer 220 may be grown on a bulk silicon substrate 210. FIG. The silicon germanium layer 220 is lattice mismatched with the underlying silicon substrate and thus the silicon germanium layer 220 is grown strained. The silicon-germanium layer 220 may be relaxed either by thermal annealing and/or during growth after the maximum metastable thickness is exceeded. During relaxation, dislocations 222 and threading dislocations 224 are generated. As in 4 As shown, two thread dislocations 224 are created for each misdisplacement 222, and the thread dislocations 224 thread to a surface. In the silicon/silicon-germanium structure of 4 the filamentary dislocations 224 are typically at 60° angles as they slide on the Si(111) lattice plane. As also in 4 1, since the bulk silicon substrate 210 tends to be rigid, relaxation tends to occur exclusively in the silicon germanium layer 220 and thus the filamentary dislocations 224 propagate through the silicon germanium layer 220. FIG. The filiform dislocation density in the silicon germanium layer 220 can be very high when the silicon germanium layer 220 is relaxed. For example, assuming that 1% strain is produced during the formation of the silicon germanium layer 220, which is then fully relaxed, and assuming that each filamentary dislocation has a Burgers vector magnitude of about 5 angstroms (where 1 angstrom = 1Å = 0.1 nm), then the threading dislocation density (TDD) can be calculated as follows: TDD = 0 .01*1cm/5A = 2 × 10 5 / cm(length unit)
Figure DE102015201419B4_0001

Dies entspricht einer Fadenversetzungsdichte von etwa 1 × 1010 / cm2 This corresponds to a thread dislocation density of about 1 × 10 10 / cm 2

In vielen Fällen kann das Ziel sein, eine gestreckt-relaxierte Silizium-Germanium-Schicht zu bilden, die eine geringe Fadenversetzungsdichte aufweist, so dass danach gestreckte Vorrichtungsschichten auf der gestreckt-relaxierten Silizium-Germanium-Schicht gebildet werden können. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung können gestreckt-relaxierte Silizium-Germanium-Schichten auf Siliziumsubstraten unter Bedingungen gezüchtet werden, wo die Fadenversetzungen sich durch die Siliziumschicht ausbreiten wird, im Gegensatz zu der Silizium-Germanium-Schicht. Dies kann gestreckt-relaxierte Silizium-Germanium-Schichten liefern, die niedrige Fadenversetzungsdichten aufweisen.In many cases, the goal may be to form a stretched-relaxed silicon-germanium layer that has a low filamentary dislocation density so that stretched device layers can then be formed on the stretched-relaxed silicon-germanium layer. According to embodiments of the invention, stretched-relaxed silicon-germanium layers can be grown on silicon substrates under conditions where the filamentary dislocations will propagate through the silicon layer, as opposed to the silicon-germanium layer. This can yield stretch-relaxed silicon-germanium layers that have low filamentary dislocation densities.

Um dies zu erreichen, kann eine Opfersiliziumschicht auf einer darunter liegenden Siliziumschicht gezüchtet werden, wie beispielsweise ein Bulk-Siliziumsubstrat. Diese Opfersiliziumschicht kann eine dünne Schicht sein, so dass sie nicht unnachgiebig ist, wie es der Fall mit einem Bulk-Siliziumsubstrat ist. Zusätzlich kann die Opfersiliziumschicht so gebildet werden, dass die Grenzfläche zwischen der Opfersiliziumschicht und dem darunterliegenden Siliziumsubstrat schwach sein kann, so dass die Opfersiliziumschicht sich relativ zu dem Siliziumsubstrat bewegen kann, anstatt im Wesentlichen zu einer Verlängerung des Siliziumsubstrats zu werden. Diese schwache Grenzfläche kann erreicht werden, beispielsweise durch Bildung eines porösen Bereichs in der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats, das nur schwach mit der Opfersiliziumschicht gebunden wird. Unter diesen Bedingungen kann die Streckung in der Silizium-Germanium-Schicht während des Relaxationsprozesses auf die rutschige Grenzfläche zwischen der Opfersiliziumschicht und dem Siliziumsubstrat übertragen werden, und daher werden die Fadenversetzungen durch die Opfersiliziumschicht statt durch die Siliziumschicht fließen.To achieve this, a sacrificial silicon layer can be grown on an underlying silicon layer, such as a bulk silicon substrate. This sacrificial silicon layer can be a thin layer so that it is not rigid as is the case with a bulk silicon substrate. In addition, the sacrificial silicon layer may be formed such that the interface between the sacrificial silicon layer and the underlying silicon substrate may be weak such that the sacrificial silicon layer may move relative to the silicon substrate rather than becoming a substantial extension of the silicon substrate. This weak interface can be achieved, for example, by forming a porous region in the top surface of the silicon substrate that is only weakly bonded to the sacrificial silicon layer. Under these conditions, the strain in the silicon germanium layer during the relaxation process can be transferred to the slippery interface between the sacrificial silicon layer and the silicon substrate, and therefore the filamentary dislocations will flow through the sacrificial silicon layer instead of the silicon layer.

5A bis 5F sind Darstellungen, die schematisch ein Verfahren zur Bildung der Halbleitervorrichtung 100' aus 3 veranschaulichen, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. 5A until 5F 12 are diagrams schematically showing a method of forming the semiconductor device 100' 3 illustrate, according to embodiments of the invention.

Wie in 5A gezeigt, wird ein Siliziumsubstrat 110, wie beispielsweise ein Bulk-Siliziumsubstrat, oder eine dicke epitaxial gewachsene Siliziumschicht vorgesehen sein. Ein poröser Bereich 120 kann in einer oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 gebildet werden. Der poröse Bereich 120 kann auf der gesamten oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 gebildet werden, oder kann zum Beispiel ein Muster von porösen Bereichen sein, die in der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 gebildet sind. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Siliziumsubstrat 110 ein p-Typ-Siliziumsubstrat umfassen und die obere Oberfläche davon kann in den porösen Bereich 120 umgewandelt werden durch elektrochemisches Auflösen in einer 40%igen Flusssäurelösung mit einem Spannungsabfall, der zwischen dem Wafer und die Flusssäurelösung angelegt wird, um eine anodische Reaktion hervorzurufen. Der Spannungsabfall kann so gewählt werden, um eine Stromdichte von beispielsweise 1 Mikroampere / cm2 zu erzeugen, um eine Porenerzeugungsrate von etwa 0,1 nm / Sekunde einzustellen. In einigen Ausführungsformen kann der poröse Bereich eine Porosität von etwa 30 - 60 % aufweisen, wobei die Porosität als das Volumen an leerem Raum in dem porösen Bereich 120 geteilt durch das Gesamtvolumen des Bereichs 120 definiert ist. Unterschiedliche Porositätswerte können verwendet werden, mit einem Kompromiss, der sicherstellt, dass der poröse Bereich 120 eine ausreichende mechanische Integrität aufweist, während die Scherkräfte, die die Siliziumschicht 130 auf dem porösen Bereich 120 binden ausreichend geschwächt werden. Der Grad der Porosität kann auch gewählt werden, um niedrig genug sein, so dass die Oberflächenporen leicht in einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt geschlossen werden können. Der Grad der Porosität in dem porösen Bereich 120 kann zum Beispiel durch Einstellen des für die Reaktion verwendeten Stroms gesteuert werden. Die Dicke des porösen Bereichs 120 kann in geeigneter Weise variiert werden. In einigen Ausführungsformen kann der poröse Bereich 120 eine Schicht mit einer Dicke von etwa 50 - 2000 nm sein.As in 5A As shown, a silicon substrate 110, such as a bulk silicon substrate, or a thick epitaxially grown silicon layer will be provided. A porous region 120 may be formed in a top surface of silicon substrate 110 . The porous region 120 may be formed on the entire top surface of the silicon substrate 110, or may be a pattern of porous regions formed in the top surface of the silicon substrate 110, for example. In an exemplary embodiment, silicon substrate 110 may comprise a p-type silicon substrate and the top surface thereof may be converted into porous region 120 by electrochemical dissolution in a 40% hydrofluoric acid solution with a voltage drop applied between the wafer and the hydrofluoric acid solution to induce an anodic reaction. The voltage drop can be chosen to produce a current density of, for example, 1 microampere/cm 2 to set a pore generation rate of about 0.1 nm/second. In some embodiments, the porous region may have a porosity of about 30-60%, where the porosity is defined as the volume of void space in the porous region 120 divided by the total volume of the region 120. Different porosity values can be used, with a compromise that ensures that the porous region 120 has sufficient mechanical integrity while the shear forces binding the silicon layer 130 to the porous region 120 are sufficiently weakened. The degree of porosity can also be chosen to be low enough so that the surface pores can be easily closed in a subsequent processing step. The degree of porosity in the porous region 120 can be controlled, for example, by adjusting the current used for the reaction. The thickness of the porous portion 120 can be suitably varied. In some embodiments, the porous region 120 may be a layer approximately 50-2000 nm thick.

Bei einem n-Typ-Siliziumsubstrat 110 kann dieselbe Nassätzungs-Technik verwendet werden, die oben beschrieben ist, und kann durch strahlen von Licht auf das Substrat während der Nassätzbehandlung unterstützt werden. Photonen des Lichts können als ein Katalysator wirken, um die Ätzrate zu erhöhen, die ansonsten dazu neigen kann, langsamer in n-Typ-Silizium zu sein.With an n-type silicon substrate 110, the same wet etch technique described above can be used and can be assisted by shining light onto the substrate during the wet etch treatment. Photons of light can act as a catalyst to increase the etch rate, which may otherwise tend to be slower in n-type silicon.

Während eine Nassätzung ein mögliches Verfahren zur Bildung des porösen Bereichs 120 ist, versteht es sich, dass andere Techniken in weiteren Ausführungsformen verwendet werden können. Zum Beispiel kann der poröse Bereich 120 alternativ durch lonenbeschuss, zum Beispiel mit elektrisch neutralen Ionen, wie Stickstoff (N2) oder Helium (He2) gebildet werden. Andere Techniken können ebenfalls verwendet werden.While a wet etch is one possible method for forming the porous region 120, it is understood that other techniques can be used in other embodiments. For example, the porous region 120 can alternatively be formed by ion bombardment, for example with electrically neutral ions such as nitrogen (N 2 ) or helium (He 2 ). Other techniques can also be used.

Nachdem der poröse Bereich 120 in der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 gebildet ist, können die Poren in einem obersten Abschnitt des porösen Bereichs 120 durch beispielsweise thermisches Glühen der Halbleiterstruktur 100' in Wasserstoff (H2) verschlossen werden. Die Glühtemperatur (annealing temperature) kann hoch genug gewählt werden, um die obere Fläche des porösen Bereichs 120 über einen Rückflussprozess zusammenzubrechen, wodurch wenigstens einige der Oberflächenporen eingeschlossen (enclosed) werden, aber niedrig genug, um eine Sinterwirkung zu reduzieren, die dazu neigen kann, die interne Poren zu kollabieren. In einigen Ausführungsformen können niedrigere Glühtemperaturen benutzt werden, indem ein in Situ Chlor- (CI2-) Glühen auf dem porösen Bereich 120 vor dem Wasserstoffglühen angewandt wird. Das Schließen der Poren in der obersten Oberfläche des porösen Bereichs kann dem porösen Bereich 120 ermöglichen als eine gute Seed-Schicht während des nachfolgenden Züchtens der Silizium-Epitaxieschicht 130 zu dienen. Der Wasserstoffglühen kann auch die Entfernung von nativen Oxiden von der oberen Oberfläche des porösen Bereichs 120 erleichtern.After the porous region 120 is formed in the top surface of the silicon substrate 110, the pores in a top portion of the porous region 120 may be sealed by, for example, thermally annealing the semiconductor structure 100' in hydrogen (H 2 ). The annealing temperature can be chosen high enough to collapse the top surface of porous portion 120 via a reflow process, thereby enclosing at least some of the surface pores, but low enough to reduce sintering that may tend to occur that collapse internal pores. In some embodiments, lower anneal temperatures may be used by applying an in situ chlorine (Cl 2 ) anneal to the porous region 120 prior to the hydrogen anneal. Closing the pores in the top surface of the porous region may allow the porous region 120 to serve as a good seed layer during subsequent silicon epitaxial layer 130 growth. The hydrogen anneal may also facilitate the removal of native oxides from the top surface of the porous region 120.

In manchen Ausführungsformen kann der poröse Bereich 120 einen hohen Grad von Porosität aufweisen, wie zum Beispiel 50 %. Dieser hohe Grad an Porosität kann die Scherfestigkeit zwischen dem porösen Bereich 120 und der nachfolgend gewachsenen Silizium-Epitaxieschicht 130 schwächen.In some embodiments, the porous region 120 can have a high degree of porosity, such as 50%. This high degree of porosity can weaken the shear strength between the porous region 120 and the subsequently grown silicon epitaxial layer 130 .

Unter Bezugnahme auf 5B kann eine dünne Siliziumschicht 130 epitaxial auf der obersten Oberfläche des porösen Bereichs 120 durch beispielsweise chemische Dampfabscheidung gezüchtet werden. Die Siliziumschicht 130 kann eine dünne Schicht mit einer Dicke von beispielsweise 5 - 10 nm in einigen Ausführungsformen sein. Die Siliziumschicht 130 kann eine ausreichende Dicke haben, um sicherzustellen, dass die Poren in dem porösen Bereich 120 vollständig abgedeckt sind. Wegen der schwachen Scherfestigkeit zwischen dem porösen Bereich 120 und der dünnen Siliziumschicht 130 kann sich die Siliziumschicht 130 wie eine dünne Membran verhalten, die sich relativ frei gegenüber dem porösen Bereich 120 bewegen kann, wenn eine Streckspannung auf die Siliziumschicht 130 aufgebracht wird. Die Siliziumschicht 130 ist mit dem porösen Bereich 120 gitterangepasst, auf dem sie gewachsen ist, und somit kann die Siliziumschicht 130 eine relaxiert gezüchtete Schicht sein.With reference to 5B For example, a thin silicon layer 130 can be epitaxially grown on the top surface of the porous region 120 by, for example, chemical vapor deposition. The silicon layer 130 can be a thin layer with a thickness of, for example, 5-10 nm in some embodiments. The silicon layer 130 can be of sufficient thickness to ensure that the pores in the porous region 120 are completely covered. Because of the weak shear strength between porous region 120 and thin silicon layer 130, silicon layer 130 can behave as a thin membrane that is relatively free to move relative to porous region 120 when silicon layer 130 is subjected to yield stress. The silicon layer 130 is lattice-matched with the porous region 120 on which it is grown, and thus the silicon layer 130 may be a relaxed grown layer.

Unter Bezugnahme auf 5C kann als nächstes eine relativ dünne ersten Silizium-Germanium-Schicht 140 epitaxial auf einer oberen Oberfläche der dünnen Siliziumschicht 130 gezüchtet werden. Die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 kann eine relativ hohe Germaniumkonzentration, wie zum Beispiel eine Germaniumkonzentration von 50 Prozent oder mehr in einigen Ausführungsformen aufweisen (d.h. eine Si0.5Ge0.5 Schicht). In einigen Ausführungsformen kann die Dicke der ersten Silizium-Germanium-Schicht 140 derart gewählt werden, dass die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 im Wesentlichen vollständig gestreckt gezüchtet wird, eine niedrige Versetzungsdichte aufweist, dick genug ist, so dass sie alle ihre Spannungsenergie übertragen auf in die Siliziumschicht 130 während des Relaxationsschrittes übertragen kann, und dünn genug ist, um über einen Glühschritt zu relaxieren. Die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 kann dicker als die Siliziumschicht 130 sein. In einigen Ausführungsformen kann die erste Silizium-Germanium-Schicht eine Dicke von beispielsweise etwa 10 - 20 nm aufweisen, unter Annahme einer Germanium-Konzentration von etwa 40 - 60 %. Die Dicke der ersten Silizium-Germanium-Schicht 140 kann auf Grundlage einer Anzahl von Parametern variiert werden, einschließlich beispielsweise die Germanium-Konzentration davon und die Dicke der darunterliegenden Siliziumschicht 130. Optimale Dicken können existieren, welche die Fadenversetzungsdichte in der ersten Silizium-Germanium-Schicht 140 reduzieren und/oder minimieren. Die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 wird nicht mit der darunterliegenden Siliziumschicht 130 gitterangepasst. Somit können sowohl die Siliziumschicht 130 als auch die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 vollständig gestreckt gezüchtet werden. Sowohl die Siliziumschicht 130 als auch die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 kann im Wesentlichen defektfrei in einigen Ausführungsformen gezüchtet werden.With reference to 5C Next, a relatively thin first silicon germanium layer 140 may be epitaxially grown on a top surface of the thin silicon layer 130. FIG. The first silicon germanium layer 140 may have a relatively high germanium concentration, such as a germanium concentration of 50 percent or more in some embodiments (ie, a Si 0.5 Ge 0.5 layer). In some embodiments, the thickness of the first silicon germanium layer 140 may be chosen such that the first silicon germanium layer 140 is grown substantially fully strained, has a low dislocation density, is thick enough so that they transfer all of their strain energy can be transferred onto the silicon layer 130 during the relaxation step, and is thin enough to relax via an anneal step. The first silicon germanium layer 140 can be thicker than the silicon layer 130 . In some embodiments, the first silicon-germanium layer may have a thickness of, for example, about 10-20 nm, assuming a germanium concentration of about 40-60%. The thickness of the first silicon-germanium layer 140 can be varied based on a number of parameters including, for example, the germanium concentration thereof and the thickness of the underlying silicon layer 130. Optimum thicknesses may exist that increase the filamentous dislocation density in the first silicon-germanium Reduce and/or minimize layer 140. The first sili zium germanium layer 140 is not lattice matched with the underlying silicon layer 130 . Thus, both the silicon layer 130 and the first silicon-germanium layer 140 can be grown in a fully stretched manner. Both the silicon layer 130 and the first silicon-germanium layer 140 may be grown substantially defect-free in some embodiments.

Unter Bezugnahme auf 5D kann die Halbleiterstruktur 100' dann thermisch geglüht werden, um die Siliziumschicht 130 und die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 zu relaxieren. Dieses thermische Glühen kann beispielsweise in Situ in dem Reaktor für epitaxiales Wachstum durchgeführt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Halbleiterstruktur 100' bei einer Temperatur von 800 °C für 0,5 bis 30 Minuten in einer Wasserstoff-Umgebung geglüht werden. Nachdem dieses thermische Glühen abgeschlossen ist, können sowohl die Siliziumschicht 130 als auch die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 relaxiert sein. Während dem Wachsen (d.h. vor dem thermischen Glühen) kann die Siliziumschicht 130 unter Streckspannung stehen und die erste Silizium-Germanium-Schicht 140, die darauf gebildet ist, kann unter Druckspannung stehen. Wie in 5D gezeigt, können Fehlversetzungen 132 entlang der Grenzfläche zwischen der Siliziumschicht 130 und der ersten Silizium-Germanium-Schicht 140 gebildet werden, da diese Schichten während des thermischen Glühens relaxieren. Schichten, die unter Streckspannung stehen, können anfälliger für Fadenversetzungsbildungen sein. Die Siliziumschicht 130 reagiert auf die Streckspannung der ersten Silizium-Germanium-Schicht 140, die auf der Oberseite davon gebildet ist und relaxiert vollständig, um eine stark defekte Schicht zu bilden. Im Gegensatz dazu kann die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 mit wenigen oder keinen Fehlern relaxieren, da die Belastung in die darunterliegende Siliziumschicht 130 kanalisiert wird. Folglich ist das Nettoergebnis, dass die Fadenversetzungen 134, die sich von jedem Ende einer jeden Fehlversetzung 132 erstrecken können, sich im Allgemeinen in der Siliziumschicht 130 bilden können, und die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 kann eine reduzierte Fadenversetzungsdichte aufweisen, oder sogar im Wesentlichen frei von Fadenversetzungen sein.With reference to 5D The semiconductor structure 100 ′ can then be thermally annealed to relax the silicon layer 130 and the first silicon germanium layer 140 . This thermal anneal can be performed, for example, in situ in the epitaxial growth reactor. In an exemplary embodiment, the semiconductor structure 100' may be annealed at a temperature of 800°C for 0.5 to 30 minutes in a hydrogen ambient. After this thermal anneal is complete, both the silicon layer 130 and the first silicon germanium layer 140 may be relaxed. During growth (ie, prior to thermal annealing), the silicon layer 130 may be under yield stress and the first silicon germanium layer 140 formed thereon may be under compressive stress. As in 5D As shown, dislocations 132 may be formed along the interface between the silicon layer 130 and the first silicon germanium layer 140 as these layers relax during the thermal anneal. Layers that are under yield stress can be more prone to thread dislocation formation. The silicon layer 130 responds to the yield stress of the first silicon germanium layer 140 formed on top thereof and completely relaxes to form a large defect layer. In contrast, since the stress is channeled into the underlying silicon layer 130, the first silicon germanium layer 140 can relax with little or no failure. Consequently, the net result is that the filamentary dislocations 134, which may extend from either end of each misdislocation 132, may form generally in the silicon layer 130, and the first silicon-germanium layer 140 may have a reduced filamentary dislocation density, or even in Be essentially free of thread displacements.

Wie oben diskutiert, kann die Siliziumschicht 130 dazu neigen, sich ähnlich einer schwebenden Membran zu verhalten, da der poröse Bereich 120 schwache Scherfestigkeit mit der Siliziumschicht 130 aufweisen kann, so dass der poröse Bereich 120 etwas nachgiebig oder „rutschig“ bezüglich der Siliziumschicht 130 ist. Die Siliziumschicht 130 kann auf die Streckspannung reagieren, die auf sie von der ersten Silizium-Germanium-Schicht 140 oben übertragen wird, und kann im Wesentlichen vollständig mit den darin ausgebildeten Fadenversetzungen während die Relaxation auftritt entspannen. Andererseits kann die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 mit reduzierter oder minimaler Bildung von Defekten relaxieren, weil der Großteil der Belastung während des thermischen Glühens in die in die Siliziumschicht 130 kanalisiert wird. Somit kann die Siliziumschicht 130 als eine Opferschicht wirken, die das Wachstum einer ersten Silizium-Germanium-Schicht 140 mir weniger Defekten erleichtert. Wenn die geschwächten Bindungen nicht vorgesehen wäre, würde die Siliziumschicht 130 eine einheitliche Struktur mit der darunterliegenden Siliziumsubstrat 110 bilden, und würde als eine relativ unnachgiebige Struktur erscheinen, so dass die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 nicht in der Lage wäre, Belastung auf die Siliziumschicht 130 / das Siliziumsubstrat während des Relaxationsglühens zu übertragen.As discussed above, the silicon layer 130 may tend to behave like a floating membrane since the porous region 120 may have weak shear strength with the silicon layer 130 such that the porous region 120 is somewhat compliant or "slippery" with respect to the silicon layer 130 . The silicon layer 130 can respond to the yield stress imparted to it from the first silicon-germanium layer 140 above and can relax substantially completely with the filamentary dislocations formed therein as relaxation occurs. On the other hand, because most of the stress is channeled into the silicon layer 130 during the thermal anneal, the first silicon germanium layer 140 can relax with reduced or minimal formation of defects. Thus, the silicon layer 130 can act as a sacrificial layer that facilitates the growth of a first silicon germanium layer 140 with fewer defects. If the weakened bonds were not provided, the silicon layer 130 would form a unitary structure with the underlying silicon substrate 110, and would appear as a relatively unyielding structure such that the first silicon germanium layer 140 would not be able to bear stress on the To transfer silicon layer 130 / the silicon substrate during the relaxation anneal.

Unter Bezugnahme auf 5E kann dann eine zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 epitaxial auf eine oberen Oberfläche der ersten Silizium-Germanium-Schicht 140 aufgewachsen werden. Die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 kann eine höhere Germaniumkonzentration als die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 aufweisen. In einigen Ausführungsformen können sehr hohe Germaniumkonzentrationen in der zweiten Silizium-Germanium-Schicht 150 enthalten sein, wie beispielsweise Germaniumkonzentrationen von 0,9 oder höher (beispielsweise eine Si0.1Ge0.9-Schicht). Tatsächlich kann in einigen Ausführungsformen die zweite Silizium-Germanium-Schicht durch eine reine Germaniumschicht ersetzt werden. Die in der zweiten Silizium-Germanium-Schicht 150 (oder der reinen Germaniumschicht 150) enthaltene höhere Germaniumkonzentration kann eine Streckspannung auf die ersten Silizium-Germanium-Schicht 140 darunter mit niedriger Germaniumkonzentration übertragen. Die Dicke der zweiten Silizium-Germanium-Schicht 150 kann wieder so gewählt werden, dass die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 im Wesentlichen vollständig gestreckt wird, eine niedrige Versetzungsdichte haben wird, und dennoch dick genug ist, so dass sie alle ihre Spannungsenergie auf die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 während des Relaxationsschritts übertragen kann. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Silizium-Germanium-Schicht eine Dicke der Größenordnung von zum Beispiel etwa 20 - 40 nm aufweisen. Die Dicke kann so gewählt werden, dass sie groß genug ist, so dass die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 dazu in der Lage sein kann, genügend Spannungsenergie zu speichern, so dass die erste Silizium-Germanium-Schicht 140, auf der sie aufgewachsen ist, bei einem nachfolgenden Verfahrensschritt vollständig relaxieren kann. Die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 kann dicker als die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 sein. Die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 wird aufgrund der höheren Germaniumkonzentration nicht mit dem darunterliegenden ersten Silizium-Germanium-Schicht 140 gitterangepasst. Folglich können die erste und zweite Silizium-Germanium-Schichten 140, 150 vollständig gestreckt gezüchtet werden. Die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 kann im Wesentlichen defektfrei gezüchtet werden.With reference to 5E A second silicon germanium layer 150 may then be epitaxially grown on a top surface of the first silicon germanium layer 140 . The second silicon germanium layer 150 may have a higher germanium concentration than the first silicon germanium layer 140 . In some embodiments, very high germanium concentrations may be included in the second silicon germanium layer 150, such as germanium concentrations of 0.9 or higher (e.g., a Si 0.1 Ge 0.9 layer). In fact, in some embodiments, the second silicon germanium layer can be replaced with a pure germanium layer. The higher concentration of germanium contained in the second silicon-germanium layer 150 (or the pure germanium layer 150) may impart a yield stress to the first silicon-germanium layer 140 of lower germanium concentration below. The thickness of the second silicon germanium layer 150 can again be chosen such that the second silicon germanium layer 150 will be substantially fully stretched, will have a low dislocation density, and yet be thick enough to absorb all of its strain energy the first silicon germanium layer 140 can transfer during the relaxation step. In some embodiments, the second silicon germanium layer may have a thickness on the order of, for example, about 20-40 nm. The thickness may be chosen to be large enough so that the second silicon germanium layer 150 may be able to store sufficient strain energy such that the first silicon germanium layer 140 on which it is grown is, can relax completely in a subsequent process step. The second silicon germanium layer 150 may be thicker than the first silicon germanium layer 140 . The second silicon-germanium layer 150 is on not lattice-matched with the underlying first silicon-germanium layer 140 due to the higher germanium concentration. Consequently, the first and second silicon germanium layers 140, 150 can be grown fully stretched. The second silicon germanium layer 150 can be grown substantially free of defects.

Unter Bezugnahme auf 5F kann die Halbleiterstruktur 100' dann thermisch geglüht werden, um die erste und zweite Silizium-Germanium-Schicht 140, 150 zu relaxieren. Dieses thermische Glühen kann beispielsweise in Situ in dem Reaktor für epitaxiales Wachstum durchgeführt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Halbleiterstruktur 100' bei einer Temperatur von 800 °C für eine Dauer von 30 Sekunden bis 30 Minuten in einer Wasserstoff-Umgebung geglüht werden. Wie in 5F gezeigt, können nachdem dieses thermische Glühen abgeschlossen ist, die erste und zweite Silizium-Germanium-Schichten 140, 150 relaxiert sein. Während des thermischen Glühens kann die erste Silizium-Germanium-Schicht 140 unter Streckspannung stehen und die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150, die darauf gebildet ist, kann unter Druckspannung stehen. Da diese Schichten während des thermischen Glühens relaxieren, können Fehlversetzungen 142 entlang der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Silizium-Germanium-Schicht 140, 150 gebildet werden. Die Fadenversetzungen 144 können wegen der Streckspannung dafür anfällig sein, sich in der ersten Silizium-Germanium-Schicht 140 zu bilden und die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 kann eine geringere Fadenversetzungsdichte haben, oder kann sogar im Wesentlichen frei von Fadenversetzungen sein. Die zweite Silizium-Germanium-Schicht 150 kann als eine Seed-Schicht für die nachfolgende Bildung dickerer Silizium-Germanium- oder Germanium-Schichten verwendet werden, oder kann alternativ als Seed-Schicht für eine oder mehrere Halbleiterschichten verwendet werden, die als aktive Bereiche für verschiedene Halbleitervorrichtungen dienen.With reference to 5F the semiconductor structure 100' can then be thermally annealed to relax the first and second silicon germanium layers 140,150. This thermal anneal can be performed, for example, in situ in the epitaxial growth reactor. In an exemplary embodiment, the semiconductor structure 100' may be annealed at a temperature of 800°C for a period of 30 seconds to 30 minutes in a hydrogen ambient. As in 5F 1, after this thermal anneal is complete, the first and second silicon germanium layers 140, 150 may be relaxed. During the thermal anneal, the first silicon germanium layer 140 may be under yield stress and the second silicon germanium layer 150 formed thereon may be under compressive stress. As these layers relax during the thermal anneal, dislocations 142 may be formed along the interface between the first and second silicon germanium layers 140,150. The filamentary dislocations 144 may be prone to form in the first silicon germanium layer 140 because of the yield stress, and the second silicon germanium layer 150 may have a lower filamentary dislocation density, or may even be substantially free of filamentary dislocations. The second silicon-germanium layer 150 can be used as a seed layer for the subsequent formation of thicker silicon-germanium or germanium layers, or alternatively can be used as a seed layer for one or more semiconductor layers serving as active regions for various semiconductor devices.

In manchen Ausführungsformen kann die Gesamtdicke der Siliziumschicht 130 und der ersten und zweiten Silizium-Germanium-Schichten 140, 150 weniger als etwa 50 - 100 nm betragen. Dies kann Größenordnungen dünner als gestreckt-relaxierte Silizium-Germanium-Schichten sein, die auf Bulk-Silizium-Wafern unter Verwendung herkömmlicher abgestufter Wachstumstechniken (die zehn oder hunderte Mikrometer dick sein können) gezüchtet werden. Außerdem kann die gestreckt-relaxiert Silizium-Germanium-Schicht 150 eine sehr hohe Germaniumkonzentration aufweisen, eine geringe Versetzungsdichte aufweisen und kann auf beispielsweise einem herkömmlichen Bulk-Siliziumsubstrat, ohne der Notwendigkeit teurer Silizium-auf-Isolator-Substrate, gezüchtet werden.In some embodiments, the total thickness of the silicon layer 130 and the first and second silicon germanium layers 140, 150 may be less than about 50-100 nm. This can be orders of magnitude thinner than strained-relaxed silicon-germanium layers grown on bulk silicon wafers using conventional stepped growth techniques (which can be tens or hundreds of microns thick). In addition, the stretched-relaxed silicon-germanium layer 150 can have a very high germanium concentration, have a low dislocation density, and can be grown on, for example, a conventional bulk silicon substrate without the need for expensive silicon-on-insulator substrates.

Die gestreckt-relaxierten Silizium-Germanium-Schichten mit hoher Germaniumkonzentration und wenigen Defekten, gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung, können verwendet werden, um eine Vielzahl von unterschiedlichen Technologien zu ermöglichen, wie beispielsweise SiGe-CMOS-Technologie n-Typ-Silizium/p-Typ-Germanium-Systeme, oder SiGe-CMOS-Technologie n-Typ-Germanium/p-Typ-Germanium-Systeme. Diese Technologien können auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat implementiert werden.The high germanium concentration, low defect, strained-relaxed silicon-germanium layers according to some embodiments of the invention can be used to enable a variety of different technologies, such as SiGe-CMOS technology n-type silicon/p- type germanium systems, or SiGe CMOS technology n-type germanium/p-type germanium systems. These technologies can be implemented on a common silicon substrate.

Wie oben erwähnt, kann der poröse Bereich 120 auf der gesamten oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 gebildet werden, und dann kann eine dünne Siliziumschicht 130, gefolgt von einer Reihe von einer oder mehreren Silizium-Germanium-Schichten 140, 150 darauf gezüchtet werden, wobei die Silizium-Germanium-Schichten 140, 150 zunehmende Germanium-Konzentrationen aufweisen können, mit einer oberen Silizium-Germanium-Schicht, die eine gewünschte Germaniumkonzentration aufweist. Nachdem diese letzten (obere) Silizium-Germanium-Schicht gebildet ist, kann eine Maskierungsschicht auf der oberen Oberfläche der Halbleiterstruktur gebildet werden, und die Struktur kann geätzt werden, um Abschnitte der Reihe von Silizium-Germanium-Schichten aus ausgewählten Bereichen der Struktur zu entfernen, und dadurch die Siliziumschicht (oder alternativ Abschnitte des Siliziumsubstrats unter den porösen Bereichen) freizulegen. Dann können Siliziumschichten epitaxial in einigen, oder allen der Bereiche gezüchtet werden, in welchen die Silizium-Germanium-Schichten entfernt wurden, wodurch eine Struktur bereitgestellt wird, die sowohl Siliziumbereiche als auch Silizium-Germanium-Bereiche mit hoher Germaniumkonzentration (oder reinen Germanium-Bereichen) hat, die auf dem gleichem Bulk-Siliziumsubstrat gebildet sind.As mentioned above, the porous region 120 can be formed on the entire upper surface of the silicon substrate 110, and then a thin silicon layer 130 followed by a series of one or more silicon germanium layers 140, 150 can be grown thereon, the Silicon germanium layers 140, 150 may have increasing germanium concentrations, with a top silicon germanium layer having a desired germanium concentration. After this final (top) silicon germanium layer is formed, a masking layer may be formed on the top surface of the semiconductor structure and the structure etched to remove portions of the series of silicon germanium layers from selected areas of the structure , thereby exposing the silicon layer (or alternatively portions of the silicon substrate beneath the porous regions). Then layers of silicon can be epitaxially grown in some or all of the areas where the silicon-germanium layers have been removed, thereby providing a structure containing both silicon areas and silicon-germanium areas with high germanium concentration (or pure germanium areas ) formed on the same bulk silicon substrate.

Es wird angenommen, dass die Techniken gemäß den Ausführungsformen der Erfindung Silizium-Germanium-Schichten mit mittleren Germaniumkonzentrationen (z.B. Germaniumkonzentration von 40 - 75 %) oder hohen Germaniumkonzentrationen (z.B. Germaniumkonzentrationen von 75 % bis 100 %) auf einem Standard-Bulk-Siliziumsubstrat bereitstellen können, welche Fadenversetzungsdichten von weniger als 1 × 106 / cm2 oder sogar weniger als 1 × 105 / cm2 oder 1 × 104 / cm2 aufweisen.It is believed that the techniques according to embodiments of the invention provide silicon germanium layers with medium germanium concentrations (e.g. germanium concentration of 40-75%) or high germanium concentrations (e.g. germanium concentrations of 75% to 100%) on a standard bulk silicon substrate which have thread dislocation densities of less than 1×10 6 /cm 2 or even less than 1×10 5 /cm 2 or 1×10 4 /cm 2 .

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können das Ungleichgewicht der Spannungsenergie zwischen zwei verschiedenen Halbleitermaterialien ausnutzen. Zu beachten wäre beispielsweise das in 6A gezeigte Materialsystem 300, in dem eine dicke Silizium-Germanium-Schicht 320 mit einer Germaniumkonzentration von epitaxial auf einer dicken Siliziumschicht 310 gewachsen ist. Dabei sollte sich die Spannung, die durch die Gitterfehlanpassung verursacht wird in dieser Zweischichtstruktur mit entgegengesetzten Vorzeichen ausgleichen, nämlich die Silizium-Germanium-Schicht 320 wird unter Druckspannung stehen und die Siliziumschicht 310 wird unter Streckspannung stehen. In dieser Lage ist es unwahrscheinlich, dass sich Fadenversetzungen in der Silizium-Germanium-Schicht 320 während einem Relaxationsglühen bilden, da die Silizium-Germanium-Schicht 320 unter Druckspannung steht. Ob sich Fadenversetzungen in der Siliziumschicht 310 bilden, ist schwer vorherzusagen.Embodiments of the present invention may exploit the strain energy imbalance between two different semiconductor materials. For example, it should be noted that in 6A Material system 300 is shown in which a thick silicon-germanium layer 320 having a germanium concentration of epitaxially grown on a thick silicon layer 310 is shown. In doing so, the tension that caused by the lattice mismatch will balance in this two-layer structure with opposite signs, namely the silicon-germanium layer 320 will be in compressive stress and the silicon-germanium layer 310 will be in yield stress. In this situation, filamentary dislocations are unlikely to form in the silicon germanium layer 320 during a relaxation anneal since the silicon germanium layer 320 is under compressive stress. Whether filiform dislocations will form in the silicon layer 310 is difficult to predict.

Wie in 6B gezeigt, kann die in 6A dargestellte Situation modifiziert werden, so dass eine 30 nm dicke Silizium-Germanium-Schicht 370 mit einer Germaniumkonzentration von 50% epitaxial auf einer 10 nm dicken Siliziumschicht 360 gewachsen werden kann. In diesem Fall wird die Spannungsenergie der dickeren Silizium-Germanium-Schicht 370 in die dünnere Siliziumschicht 360 gezwungen, die unter Streckspannung steht, um Fehlversetzungen 362 an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten und Fadenversetzungen 364 zu schaffen, die sich in die Siliziumschicht 360 erstrecken, wodurch die Silizium-Germanium-Schicht 370 relaxiert. 6B zeigt somit einen Mechanismus, der verwendet werden kann, um die Fadenversetzungen 364 nach unten in die Siliziumschicht 360 zu leiten. Um dies jedoch zu erreichen, wird eine dünne Siliziumschicht 360 benötigt, die von der Silizium-Germanium-Schicht 370 unter Streckspannung gesetzt werden kann. Wie oben diskutiert, kann die in einigen Ausführungsformen durch Züchten der Siliziumschicht 360 auf einem porösen Bereich eines Siliziumsubstrats erreicht werden, so dass die Siliziumschicht wie eine dünne Membran wirken kann, die auf dem Substrat schwebt.As in 6B shown, the in 6A The situation shown can be modified so that a 30 nm thick silicon germanium layer 370 with a germanium concentration of 50% can be epitaxially grown on a 10 nm thick silicon layer 360. In this case, the strain energy of the thicker silicon germanium layer 370 is forced into the thinner silicon layer 360, which is under yield stress, to create misdislocations 362 at the interface between the two layers and filamentous dislocations 364 that extend into the silicon layer 360. whereby the silicon germanium layer 370 relaxes. 6B 14 thus shows a mechanism that can be used to guide the filamentary dislocations 364 down into the silicon layer 360. FIG. However, to achieve this, a thin silicon layer 360 that can be yielded by the silicon germanium layer 370 is required. As discussed above, in some embodiments, this may be accomplished by growing the silicon layer 360 on a porous region of a silicon substrate so that the silicon layer can act like a thin membrane that floats on the substrate.

Gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung kann eine untere Oberfläche der dünnen Siliziumschicht, die auf dem Siliziumsubstrat aufgewachsen ist, „rutschig“ hergestellt werden. Dies kann anstelle des Bildens des porösen Bereichs in der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats durchgeführt werden, oder kann zusätzlich zur Bildung des porösen Bereichs erfolgen. In einigen Ausführungsformen kann die untere Oberfläche der Siliziumschicht bei einer niedrigen Temperatur gezüchtet werden, um stark defektes Silizium zu bilden, das sich nicht gut mit dem Siliziumsubstrat verbinden kann. Der restliche Teil der Siliziumschicht kann bei höheren Temperaturen gezüchtet werden, in einer Bemühung, die Defekte des unteren Teils der dünnen Siliziumschicht zu begrenzen.According to further embodiments of the invention, a bottom surface of the thin silicon layer grown on the silicon substrate can be made "slippery". This can be done instead of forming the porous region in the top surface of the silicon substrate, or can be done in addition to forming the porous region. In some embodiments, the bottom surface of the silicon layer can be grown at a low temperature to form highly defective silicon that cannot bond well to the silicon substrate. The remaining part of the silicon layer can be grown at higher temperatures in an effort to limit the defects of the lower part of the thin silicon layer.

Es versteht sich, dass auch wenn die oben beschriebenen Ausführungsformen ein Beispiel zeigen, in dem eine (2) oder zwei (3 und 5A-5F) Silizium-Germanium-Schichten auf einem Siliziumsubstrat gebildet sind, in anderen Ausführungsformen eine größere Anzahl von Silizium-Germanium-Schichten gebildet werden können. Zum Beispiel kann in einer anderen Ausführungsform eine erste Si0.7Ge0.3-Schicht auf einer dünnen Siliziumschicht gebildet werden, dann kann eine zweite Si0.4Ge0.6-Schicht auf der Si0.7Ge0.3-Schicht gebildet werden, und dann kann eine Si0.1Ge0.9-Schicht auf der Si0.4Ge0.6-Schicht gebildet werden. Dieser „Dreischichten“ Ansatz (1) kann dazu beitragen, dass Silizium-Germanium-Schichten gezüchtet werden können, die Dicken von weniger als der maximalen metastabilen Dicke aufweisen und (2) niedrigere Defektniveaus aufgrund der engeren Gitteranpassung zwischen benachbarten Schichten aufweisen können. Es versteht sich, dass die Germaniumkonzentration jeder Schicht sich von der in dem obigen Beispiel angeführten variiert werden kann, dass die Anzahl der Schichten über drei hinausgehen kann, und/oder dass die gleiche Vorgehensweise in anderen gitterfehlangepassten Materialsystemen außer Silizium/Silizium-Germanium-Materialsystemen verwendet werden kann.It should be understood that although the embodiments described above show an example in which a ( 2 ) or two ( 3 and 5A-5F ) silicon germanium layers are formed on a silicon substrate, in other embodiments a larger number of silicon germanium layers can be formed. For example, in another embodiment, a first Si 0.7 Ge 0.3 layer can be formed on a thin silicon layer, then a second Si 0.4 Ge 0.6 layer can be formed on the Si 0.7 Ge 0.3 layer, and then a Si 0.1 Ge 0.9 layer can be formed on the Si 0.4 Ge 0.6 layer. This "three-layer" approach can (1) help silicon-germanium layers to be grown that have thicknesses less than the maximum metastable thickness and (2) exhibit lower defect levels due to the closer lattice matching between adjacent layers. It will be appreciated that the germanium concentration of each layer may be varied from that given in the example above, that the number of layers may be in excess of three, and/or that the same approach can be used in other lattice mismatched material systems other than silicon/silicon-germanium material systems can be used.

Eine Anwendung, für die die gemäß den Ausführungsformen der Erfindung gebildeten Vorrichtungen besonders nützlich sein können, liegt in der Bildung der Germaniumgrate für FIN-FET-Transistoren. Die maximale Höhe des Germaniumgrats, die relativ defektfrei gezüchtet werden kann ist eine Funktion der Germaniumkonzentration der darunterliegenden gestreckt-relaxierten Silizium-Germanium-Schicht. Beispielsweise kann eine komplett relaxierte und defektfreie Si0.3Ge0.7 gestreckt-relaxierte Schicht weniger als 10nm eines defektfreien Germaniumgrats darauf aufgewachsen haben. Diese Grathöhe kann unzureichend sein, um die gewünschten Integrationsdichten zu unterstützen. Im Gegensatz dazu kann eine komplett relaxierte und defektfreie Si0.1Ge0.9 gestreckt-relaxierte Schicht mehr als 100 nm eines defektfreien Germaniumgrats, der darauf aufgewachsen ist unterstützen. Diese Grathöhe kann deutlich höhere Integrationsdichten unterstützen. Somit kann die Fähigkeit, eine relativ defektfreie gestreckt-relaxierte Silizium-Germanium-Schicht mit sehr hoher Germaniumkonzentration, unter Verwendung der Techniken gemäß den Ausführungsformen der Erfindung zu züchten, besonders nützlich für diese Anwendung sein. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Grat-Feldeffekttransistor 400 zeigt, der auf den Halbleiterstrukturen wie gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung gezüchtet werden kann, wie beispielsweise Halbleiterstrukturen 100 und 100' der 2-3.One application for which devices formed according to embodiments of the invention may be particularly useful is in the formation of the germanium fins for FIN-FET transistors. The maximum height of the germanium ridge that can be grown relatively defect-free is a function of the germanium concentration of the underlying stretched-relaxed silicon-germanium layer. For example, a fully relaxed and defect-free Si 0.3 Ge 0.7 stretch-relaxed layer may have less than 10 nm of a defect-free germanium ridge grown thereon. This ridge height may be insufficient to support desired integration densities. In contrast, a fully relaxed and defect-free Si 0.1 Ge 0.9 stretch-relaxed layer can support more than 100 nm of defect-free germanium ridge grown thereon. This ridge height can support significantly higher integration densities. Thus, the ability to grow a relatively defect-free stretched-relaxed silicon-germanium layer with very high germanium concentration using the techniques according to embodiments of the invention may be particularly useful for this application. 7 14 is a perspective view showing a fin field effect transistor 400 that may be grown on semiconductor structures such as semiconductor structures 100 and 100' of FIGS 2-3 .

Unter Bezugnahme auf 7, umfasst der Grat-Feldeffekttransistor 400 einen Gratkörper 410, der von der oberen Oberfläche der Halbleiterstruktur 100' in eine erste Richtung D1 vorsteht. Der Gratkörper 410 kann auf der zweiten Silizium-Germanium-Schicht 150 des Halbleiters 100' gebildet werden (oder einer Halbleiterschicht, die über der Silizium-Germanium-Schicht 150 gebildet ist, die nicht in 7 gezeigt ist), die zum Beispiel eine Germaniumkonzentration von 90 % aufweisen kann (oder sogar eine reine Germaniumschicht sein kann, wie oben diskutiert). Der Gratkörper 410 kann aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen wie die obere Oberfläche der Halbleiterstruktur 100', und kann daher in dieser Ausführungsform auch eine Silizium-Germanium-Schicht mit einer Germaniumkonzentration von 90 % sein. So kann der Gratkörper 410 mit der darunterliegenden Halbleiterstruktur 100' gitterangepasst sein. Der Gratkörper 410 kann sich in Längsrichtung in einer zweiten Richtung D2 erstrecken, die senkrecht zu der ersten Richtung D1 ist. Eine untere Seitenwand des Gratkörpers 410 kann durch eine Vorrichtungsisolationsschicht 450 bedeckt werden, während obere Seitenwände des Gratkörpers 410 freigelegt sein können.With reference to 7 , the fin field effect transistor 400 comprises a fin body 410 protruding from the top surface of the semiconductor structure 100' in a first direction D1. The fin body 410 can be formed on the second silicon germanium layer 150 of the semiconductor 100' (or a semiconductor layer formed over the silicon germanium layer 150, which is not in 7 shown), which may, for example, have a germanium concentration of 90% (or even be a pure germanium layer, as discussed above). The fin body 410 can be made of the same semiconductor material as the upper surface of the semiconductor structure 100', and therefore can also be a silicon germanium layer with a germanium concentration of 90% in this embodiment. Thus, the fin body 410 may be lattice-matched with the underlying semiconductor structure 100'. The ridge body 410 may extend longitudinally in a second direction D2 that is perpendicular to the first direction D1. A lower sidewall of the fin body 410 may be covered by a device isolation layer 450 while upper sidewalls of the fin body 410 may be exposed.

Eine Gateelektrode 430, die sich in einer dritten Richtung D3 erstreckt, die senkrecht zu sowohl der ersten als auch der zweiten Richtung D1 und D2 ist, ist auf dem Gratkörper 410 gebildet und kreuzt diesen. Die Gateelektrode 430 umrundet die obere Oberfläche und die beiden oberen Seitenwände des Gratkörpers 410. Die Gateelektrode 430 kann eine Metallschicht sein. Eine Gate-Isolationsschicht 440 kann zwischen der Gateelektrode 430 und dem Gratkörper 410 angeordnet sein. Die Gate-Isolationsschicht 440 kann eine Metalloxid-Schicht mit einer Dielektrizitätskonstante sein, die größer als die von Siliziumoxid ist. Source-/Drain-Bereiche, die mit Dotierstoffen dotiert sind, können in dem Gratkörper 410 an beiden Seiten der Gateelektrode 430 angeordnet sein.A gate electrode 430 extending in a third direction D3 perpendicular to both the first and second directions D1 and D2 is formed on and crossing the ridge body 410 . The gate electrode 430 surrounds the top surface and both top sidewalls of the fin body 410. The gate electrode 430 may be a metal layer. A gate insulating layer 440 may be interposed between the gate electrode 430 and the fin body 410 . Gate insulating layer 440 may be a metal oxide layer having a dielectric constant greater than silicon oxide. Source/drain regions doped with dopants can be arranged in the fin body 410 on both sides of the gate electrode 430 .

Der Teil des Gratkörpers 410, der durch die Gateelektrode 430 bedeckt ist, kann auf einem Chanel-Gebiet entsprechen.The part of the fin body 410 covered by the gate electrode 430 may correspond to a Chanel region.

8 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden einer gestreckt-relaxierten Schicht, gemäß bestimmter Ausführungsformen der Erfindung. Wie in 8 gezeigt, kann gemäß diesen Verfahren ein poröser Bereich in einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet werden (Block 500). Eine Halbleiterschicht, die mit dem Halbleitersubstrat gitterangepasst ist, kann dann auf dem porösen Bereich des Halbleitersubstrats gebildet werden (Block 510). Als nächstes kann eine zweite Halbleiterschicht, die mit der ersten Halbleiterschicht gitterfehlangepasst ist, auf der ersten Halbleiterschicht gebildet werden (Block 520). Die zweite Halbleiterschicht kann gestreckt gezüchtet sein. Dann kann die zweite Halbleiterschicht durch ein Relaxationsverfahren, wie beispielsweise ein thermisches Glühen relaxiert werden (Block 530). Eine dritte Halbleiterschicht, die mit der zweiten Halbleiterschicht gitterangepasst ist, kann dann gegebenenfalls auf der zweiten Halbleiterschicht gebildet werden (Block 540). Die dritte Halbleiterschicht kann gestreckt gezüchtet sein. Dann kann die dritte Halbleiterschicht durch ein Relaxationsverfahren, wie beispielsweise ein thermisches Glühen relaxiert werden (Block 550). 8th 12 is a flow diagram of a method of forming a stretch-relaxed layer, according to certain embodiments of the invention. As in 8th As shown, a porous region may be formed in a surface of a semiconductor substrate (block 500) according to these methods. A semiconductor layer lattice-matched to the semiconductor substrate may then be formed on the porous region of the semiconductor substrate (block 510). Next, a second semiconductor layer that is lattice mismatched with the first semiconductor layer may be formed on the first semiconductor layer (block 520). The second semiconductor layer can be grown in a stretched manner. Then, the second semiconductor layer may be relaxed (block 530) by a relaxation method such as a thermal anneal. A third semiconductor layer that is lattice-matched with the second semiconductor layer may then optionally be formed on the second semiconductor layer (block 540). The third semiconductor layer can be grown in a stretched manner. Then, the third semiconductor layer may be relaxed (block 550) by a relaxation method such as a thermal anneal.

9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden einer gestreckt-relaxierten Schicht, gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung. Wie in 9 gezeigt, kann gemäß diesen Verfahrens eine erste Halbleiterschicht, die gitterangepasst mit einem nachgiebigen Halbleitersubstrat ist, auf dem nachgiebigen Halbleitersubstrat gebildet werden (Block 600). Als nächstes kann eine zweite Halbleiterschicht, die mit der ersten Halbleiterschicht gitterfehlangepasst ist, auf der ersten Halbleiterschicht gebildet werden (Block 610). Die erste und zweite Halbleiterschicht können dann durch ein Relaxationsverfahren, wie beispielsweise ein thermisches Glühen relaxiert werden (Block 620). Eine dritte Halbleiterschicht, die mit der zweiten Halbleiterschicht gitterangepasst ist, kann dann gegebenenfalls auf der zweiten Halbleiterschicht gebildet werden (Block 630). Die zweite und dritte Halbleiterschicht können dann durch ein Relaxationsverfahren, wie beispielsweise ein thermisches Glühen relaxiert werden (Block 640). 9 12 is a flow diagram of a method of forming a stretch-relaxed layer, according to further embodiments of the invention. As in 9 As shown, according to these methods, a first semiconductor layer lattice-matched with a compliant semiconductor substrate may be formed on the compliant semiconductor substrate (block 600). Next, a second semiconductor layer that is lattice mismatched with the first semiconductor layer may be formed on the first semiconductor layer (block 610). The first and second semiconductor layers may then be relaxed (block 620) by a relaxation process such as a thermal anneal. A third semiconductor layer that is lattice-matched with the second semiconductor layer may then optionally be formed on the second semiconductor layer (block 630). The second and third semiconductor layers may then be relaxed (block 640) by a relaxation process such as a thermal anneal.

Somit können gemäß Ausführungsformen der Erfindung gestreckt relaxierte Silizium-Germanium-Schichten auf einem gitterfehlangepassten Bulk-Siliziumsubstrat gebildet werden, in der die gestreckt-relaxierte Silizium-Germanium-Schicht (1) eine hohe Germaniumkonzentration aufweisen kann und (2) relativ frei von Fadenversetzungen sein kann. Diese gestreckt-relaxierten Pufferschichten können gebildet werden, um eine relativ kleine Gesamtdicke aufweisen, wie zum Beispiel eine Dicke von weniger als 100 nm oder sogar eine Dicke von weniger als 50 nm. Die gestreckt-relaxierten Schichten können sehr kostengünstig auf herkömmlichen Bulk-Siliziumsubstraten unter Verwendung herkömmlicher chemischer dampfabscheidungsepitaxialen Züchtungsprozessen gebildet werden, die für die Großserienfertigung geeignet sind.Thus, according to embodiments of the invention, stretched-relaxed silicon-germanium layers can be formed on a bulk lattice-mismatched silicon substrate in which the stretched-relaxed silicon-germanium layer can (1) have a high germanium concentration and (2) be relatively free of filamentary dislocations can. These stretch-relaxed buffer layers can be formed to have a relatively small total thickness, such as a thickness of less than 100 nm or even a thickness of less than 50 nm can be formed using conventional chemical vapor deposition epitaxial growth processes suitable for large scale manufacturing.

Hierbei wird die Fadenversetzungsdichte als die Anzahl von Versetzungen pro Quadratzentimeter definiert. Es ist ersichtlich, dass Fadenversetzungsdichten auf verschiedene Weisen gemessen werden können, einschließlich zum Beispiel Messen von Ätzgrubendichte (etch pit density), TEM, Planar-Ansicht-TEM und HR-XRD.Here, the thread dislocation density is defined as the number of dislocations per square centimeter. It can be seen that filamentary dislocation densities can be measured in a variety of ways, including, for example, measuring etch pit density, TEM, planar view TEM, and HR-XRD.

Während das Konzept der Erfindung oben primär unter Bezugnahme auf Ausführungsformen beschrieben wurde, bei denen eine oder mehrere gestreckt-relaxierte Silizium-Germanium-Schichten auf einem Siliziumsubstrat gebildet wurde, versteht es sich, dass die hierin offenbarten Techniken in einer breiten Vielzahl von Materialsystemen benutzt werden können. Zum Beispiel können in anderen Ausführungsformen gestreckt-relaxierte III-V-Halbleiterverbindungsschichten, unter Verwendung der hierin offenbarten Techniken gezüchtet werden, wie zum Beispiel das Wachstum von gestreckt-relaxierten InxGa1-xAs-Schichten auf GaAs, das Züchten von gestreckt-relaxierten GaAs-Schichten auf Siliziumsubstraten, und/oder das Züchten der Kurzwellenlänge II-VI- oder Langwellenlänge III-V-Laserstrukturen auf GaAs-Substraten. Zusätzlich versteht es sich, dass die Techniken, die hier verwendet werden, nicht nur verwendet werden können, um gestreckte Kanalschichten für Halbleitervorrichtungen zu erbringen, die eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeiten aufweisen, sondern auch für andere Zwecke, wie beispielsweise zum Ändern der Bandlücke eines Halbleitermaterials für optische Zwecke.While the concept of the invention has been described above primarily with reference to embodiments in which one or more When stretched-relaxed silicon-germanium layers were formed on a silicon substrate, it should be understood that the techniques disclosed herein can be used in a wide variety of material systems. For example, in other embodiments, stretched-relaxed III-V compound semiconductor layers can be grown using the techniques disclosed herein, such as growing stretched-relaxed In x Ga 1-x As layers on GaAs, growing stretched- relaxed GaAs layers on silicon substrates, and/or the growth of short wavelength II-VI or long wavelength III-V laser structures on GaAs substrates. In addition, it should be understood that the techniques used herein can be used not only to produce elongated channel layers for semiconductor devices that have higher carrier mobilities, but also for other purposes, such as changing the bandgap of a semiconductor material for optical purposes.

Claims (17)

Streckungs-relaxierendes Verfahren, das umfasst: Bilden (500) eines porösen Bereichs (120) in einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats (110); Bilden (510) einer ersten Halbleiterschicht (130), die mit dem Halbleitersubstrat (110) auf dem porösen Bereich (120) in der Oberfläche des Halbleitersubstrats (110) gitterangepasst ist; Bilden (520) einer zweiten Halbleiterschicht (140) auf der ersten Halbleiterschicht (130), wobei die zweite Halbleiterschicht (140) eine gestreckt gebildete Schicht ist; Relaxieren (530) der zweiten Halbleiterschicht (140); Bilden (540) einer dritten Halbleiterschicht (150) auf der relaxierten zweiten Halbleiterschicht (140), wobei die dritte Halbleiterschicht (150) eine gestreckt gebildete Schicht ist; und Relaxieren (550) der dritten Halbleiterschicht (150), wobei das Halbleitersubstrat (110) ein Siliziumsubstrat umfasst, die erste Halbleiterschicht (130) eine Siliziumschicht umfasst, die zweite Halbleiterschicht (140) eine erste Silizium-Germanium-Schicht mit einer ersten Germaniumkonzentration umfasst, und die dritte Halbleiterschicht (150) eine zweite Silizium-Germanium-Schicht mit einer zweiten Germaniumkonzentration umfasst, welche die erste Germaniumkonzentration übersteigt.Stretch-relaxing procedure that includes: forming (500) a porous region (120) in a surface of a semiconductor substrate (110); forming (510) a first semiconductor layer (130) lattice-matched to the semiconductor substrate (110) on the porous region (120) in the surface of the semiconductor substrate (110); forming (520) a second semiconductor layer (140) on the first semiconductor layer (130), the second semiconductor layer (140) being a strain-formed layer; relaxing (530) the second semiconductor layer (140); forming (540) a third semiconductor layer (150) on the relaxed second semiconductor layer (140), the third semiconductor layer (150) being a strained formed layer; and relaxing (550) the third semiconductor layer (150), wherein the semiconductor substrate (110) comprises a silicon substrate, the first semiconductor layer (130) comprises a silicon layer, the second semiconductor layer (140) comprises a first silicon germanium layer having a first germanium concentration, and the third semiconductor layer (150) comprises a second silicon Includes germanium layer having a second germanium concentration that exceeds the first germanium concentration. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden (500) des porösen Bereichs (120) in der Oberfläche des Halbleitersubstrats (110) Nassätzen einer obere Oberfläche des Halbleitersubstrats (110) mit einem Nassätzmittel mit einem elektrischen Potential umfasst, das zwischen dem Halbleitersubstrat (110) und dem Nassätzmittel angelegt ist.procedure after claim 1 wherein forming (500) the porous region (120) in the surface of the semiconductor substrate (110) comprises wet etching an upper surface of the semiconductor substrate (110) with a wet etchant having an electrical potential applied between the semiconductor substrate (110) and the wet etchant is. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Halbleiterschicht (130) unter Streckspannung steht und die zweite Halbleiterschicht (140) unter Druckspannung steht, bevor die zweite Halbleiterschicht (140) relaxiert.procedure after claim 1 , wherein the first semiconductor layer (130) is under yield stress and the second semiconductor layer (140) is under compressive stress before the second semiconductor layer (140) relaxes. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Halbleiterschicht (130) nur schwach an das Halbleitersubstrat (110) gebunden ist, so dass die erste Halbleiterschicht (130) sich in Bezug auf das Halbleitersubstrat (110) bewegen kann, wenn eine Streckspannung auf die erste Halbleiterschicht aufgebracht wird.procedure after claim 1 wherein the first semiconductor layer (130) is only weakly bonded to the semiconductor substrate (110) such that the first semiconductor layer (130) can move relative to the semiconductor substrate (110) when a yield stress is applied to the first semiconductor layer. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Halbleiterschicht (130) direkt auf dem porösen Bereich (120) in der Oberfläche des Halbleitersubstrats (110) gebildet ist, und die zweite Halbleiterschicht (140) direkt auf der ersten Halbleiterschicht (130) gebildet ist.procedure after claim 1 wherein the first semiconductor layer (130) is formed directly on the porous region (120) in the surface of the semiconductor substrate (110), and the second semiconductor layer (140) is formed directly on the first semiconductor layer (130). Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Germaniumkonzentration der zweiten Silizium-Germanium-Schicht (150) 75 Prozent übersteigt und eine Fadenversetzungsdichte in der zweiten Silizium-Germanium-Schicht (150) weniger als etwa 1 × 105 / cm2 beträgt.procedure after claim 1 wherein a germanium concentration of the second silicon germanium layer (150) exceeds 75 percent and a filamentary dislocation density in the second silicon germanium layer (150) is less than about 1×10 5 /cm 2 . Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Gesamtdicke der Siliziumschicht (130), der ersten Silizium-Germanium-Schicht (140) und der zweiten Silizium-Germanium-Schicht (150) kleiner als 75 nm ist.procedure after claim 1 , wherein a total thickness of the silicon layer (130), the first silicon-germanium layer (140) and the second silicon-germanium layer (150) is less than 75 nm. Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren umfasst: Bilden einer vierten Halbleiterschicht auf der dritten Halbleiterschicht (150); und Bilden einer Halbleitervorrichtung wenigstens teilweise in, oder auf, der vierten Halbleiterschicht.procedure after claim 1 , further comprising: forming a fourth semiconductor layer on the third semiconductor layer (150); and forming a semiconductor device at least partially in or on the fourth semiconductor layer. Verfahren zum Bilden einer gestreckt-relaxierten Halbleiterschicht, wobei das Verfahren umfasst: Bilden (600) einer ersten Halbleiterschicht (130) auf einem nachgiebigen Bereich eines Halbleitersubstrats (110), das gitterangepasst mit der ersten Halbleiterschicht (130) ist, so dass die erste Halbleiterschicht (130) nur schwach an den nachgiebigen Bereich des Halbleitersubstrats (110) gebunden ist und sich seitlich auf der Oberfläche des nachgiebigen Bereichs des Halbleitersubstrats (110) bewegen kann; Bilden (610) einer zweiten Halbleiterschicht (140) auf der ersten Halbleiterschicht (130), die gitterfehlangepasst mit der ersten Halbleiterschicht (130) ist; Ausführen (620) eines Relaxationsprozesses der zweiten Halbleiterschicht (140), der Fadenversetzungen in der ersten Halbleiterschicht (130) erzeugt, während die zweite (140) Halbleiterschicht im Wesentlichen frei von Fadenversetzungen bleibt; Bilden (630) einer dritten Halbleiterschicht (150) auf der zweiten Halbleiterschicht 140), die gitterfehlangepasst mit der zweiten Halbleiterschicht (140) ist; und Ausführen (640) eines Relaxationsprozesses der dritten Halbleiterschicht (150), der Fadenversetzungen in der zweiten Halbleiterschicht (140) erzeugt, während die dritte Halbleiterschicht (150) im Wesentlichen frei von Fadenversetzungen bleibt, wobei die erste Halbleiterschicht (130) eine Siliziumschicht umfasst, die zweite Halbleiterschicht (140) eine erste Silizium-Germanium-Schicht mit einer ersten Germaniumkonzentration umfasst, und die dritte Halbleiterschicht (150) eine zweite Silizium-Germanium-Schicht mit einer zweiten Germaniumkonzentration umfasst, welche die erste Germaniumkonzentration übersteigt.A method of forming a stretched-relaxed semiconductor layer, the method comprising: forming (600) a first semiconductor layer (130) on a compliant region of a semiconductor substrate (110) lattice-matched with the first semiconductor layer (130) such that the first semiconductor layer (130) is only weakly bonded to the compliant area of the semiconductor substrate (110) and can move laterally on the surface of the compliant area of the semiconductor substrate (110); forming (610) a second semiconductor layer (140) on the first semiconductor layer (130) lattice mismatched with the first semiconductor layer (130); performing (620) a relaxation process on the second semiconductor layer (140) that creates filamentary dislocations in the first semiconductor layer (130) while the second (140) semiconductor layer remains substantially free of filamentary dislocations; forming (630) a third semiconductor layer (150) on the second semiconductor layer 140) lattice mismatched with the second semiconductor layer (140); and performing (640) a relaxation process of the third semiconductor layer (150) that generates filamentary dislocations in the second semiconductor layer (140) while the third semiconductor layer (150) remains substantially free of filamentary dislocations, the first semiconductor layer (130) comprising a silicon layer, the second semiconductor layer (140) comprises a first silicon germanium layer having a first germanium concentration, and the third semiconductor layer (150) comprises a second silicon germanium layer having a second germanium concentration that exceeds the first germanium concentration. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Halbleiterschicht (130) unter Streckspannung vor der Relaxation steht und die zweite Halbleiterschicht (140) unter Druckspannung vor der Relaxation steht.procedure after claim 9 wherein the first semiconductor layer (130) is under yield stress before relaxation and the second semiconductor layer (140) is under compressive stress before relaxation. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Bilden (600) der ersten Halbleiterschicht (130) auf dem nachgiebigen Bereich des Halbleitersubstrats (110), das gitterangepasst mit der ersten Halbleiterschicht (130) ist, so dass die erste Halbleiterschicht (130) nur schwach an den nachgiebigen Bereich des Halbleitersubstrats (110) gebunden ist und sich seitlich auf der Oberfläche des nachgiebigen Bereichs des Halbleitersubstrats (110) bewegen kann umfasst: Bilden eines porösen Bereichs (120) in einer oberen Oberfläche eines Halbleitersubstrats (110) und anschließendes Erhitzen des Halbleitersubstrats (110), um wenigstens einige der Oberflächenporen zu schließen, während das Innere des porösen Bereichs (120) porös bleibt, um einen Bereich des Halbleitersubstrats (100) in den nachgiebigen Bereich des Halbleitersubstrats (110) umzuwandeln; und dann epitaxiales Wachsen der ersten Halbleiterschicht (130) auf dem porösen Bereich (120) durch chemische Dampfabscheidung.procedure after claim 9 , wherein forming (600) the first semiconductor layer (130) on the compliant region of the semiconductor substrate (110) that is lattice-matched with the first semiconductor layer (130) such that the first semiconductor layer (130) is only weakly attached to the compliant region of the semiconductor substrate (110) and can move laterally on the surface of the compliant region of the semiconductor substrate (110) comprises: forming a porous region (120) in a top surface of a semiconductor substrate (110) and then heating the semiconductor substrate (110) to at least closing some of the surface pores while leaving the interior of the porous region (120) porous to convert a region of the semiconductor substrate (100) into the compliant region of the semiconductor substrate (110); and then epitaxially growing the first semiconductor layer (130) on the porous region (120) by chemical vapor deposition. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der nachgiebige Bereich des Halbleitersubstrats (110) einen porösen Bereich (120) in einer oberen Oberfläche eines Siliziumsubstrats (110) umfasst.procedure after claim 9 wherein the compliant region of the semiconductor substrate (110) comprises a porous region (120) in a top surface of a silicon substrate (110). Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Germaniumkonzentration der zweiten Silizium-Germanium-Schicht (150) 75 Prozent übersteigt und eine Fadenversetzungsdichte in der zweiten Silizium-Germanium-Schicht (150) weniger als etwa 1 × 105 / cm2 beträgt.procedure after claim 9 wherein a germanium concentration of the second silicon germanium layer (150) exceeds 75 percent and a filamentary dislocation density in the second silicon germanium layer (150) is less than about 1×10 5 /cm 2 . Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine Gesamtdicke der Siliziumschicht (130), der ersten Silizium-Germanium-Schicht (140) und der zweiten Silizium-Germanium-Schicht (150) kleiner als 75 nm ist.procedure after Claim 13 , wherein a total thickness of the silicon layer (130), the first silicon-germanium layer (140) and the second silicon-germanium layer (150) is less than 75 nm. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der poröse Bereich (120) eine Porosität von mindestens 30 % aufweist.procedure after claim 12 , wherein the porous region (120) has a porosity of at least 30%. Verfahren zum Bilden einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Bilden (500) eines porösen Bereichs (120) in einer Oberfläche eines Siliziumsubstrats (110); Bilden (510) einer Siliziumschicht (130), die eine erste Germaniumkonzentration auf dem porösen Bereich (120) in der Oberfläche des Siliziumsubstrats (110) aufweist; Bilden (520) einer ersten Silizium-Germanium-Schicht (140), die eine erste Germaniumkonzentration auf der Siliziumschicht (130) aufweist; Relaxieren (530) der ersten Silizium-Germanium-Schicht (140); Bilden (540) einer zweiten Silizium-Germanium-Schicht (150), die eine zweite Germaniumkonzentration aufweist, die höher als die erste Germaniumkonzentration auf der relaxierten ersten Silizium-Germanium-Schicht (140) ist, wobei die zweite Silizium-Germanium-Schicht (150) eine gestreckt gezüchtete Schicht ist; Relaxieren (550) der zweiten Silizium-Germanium-Schicht (140); Bilden einer Halbleiterschicht auf der zweiten Silizium-Germanium-Schicht (150); und Bilden einer Halbleitervorrichtung wenigstens teilweise in der Halbleiterschicht.A method of forming a semiconductor device, the method comprising: forming (500) a porous region (120) in a surface of a silicon substrate (110); forming (510) a silicon layer (130) having a first germanium concentration on the porous region (120) in the surface of the silicon substrate (110); forming (520) a first silicon germanium layer (140) having a first germanium concentration on the silicon layer (130); relaxing (530) the first silicon germanium layer (140); forming (540) a second silicon germanium layer (150) having a second germanium concentration higher than the first germanium concentration on the relaxed first silicon germanium layer (140), the second silicon germanium layer ( 150) is a stretch grown layer; relaxing (550) the second silicon germanium layer (140); forming a semiconductor layer on the second silicon germanium layer (150); and forming a semiconductor device at least partially in the semiconductor layer. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Bilden (500) des porösen Bereichs (120) in der Oberfläche des Siliziumsubstrates (110) Nassätzen einer oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats (110) mit einem Nassätzmittel mit einer elektrischen Spannung zwischen dem Siliziumsubstrat (110) und dem Nassätzmittel umfasst, wobei das Verfahren des Weiteren ein Ausheilen des Siliziumsubstrats (110) umfasst, um wenigstens einige der Poren in der oberen Oberfläche des porösen Bereichs (120) vor dem Bilden der ersten Silizium-Germanium-Schicht (140) zu schließen.procedure after Claim 16 , wherein the forming (500) of the porous region (120) in the surface of the silicon substrate (110) comprises wet etching of a top surface of the silicon substrate (110) with a wet etchant with an electrical voltage between the silicon substrate (110) and the wet etchant, wherein the The method further comprises annealing the silicon substrate (110) to close at least some of the pores in the top surface of the porous region (120) prior to forming the first silicon germanium layer (140).
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