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.
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,
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
Aus der
Die
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
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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.
Wie in
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
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
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-
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
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
Wie in
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
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.
Wie in
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-
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
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
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
Unter Bezugnahme auf
Unter Bezugnahme auf
Unter Bezugnahme auf
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
Unter Bezugnahme auf
Unter Bezugnahme auf
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
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
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
Wie in
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 (
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.
Unter Bezugnahme auf
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
Der Teil des Gratkörpers 410, der durch die Gateelektrode 430 bedeckt ist, kann auf einem Chanel-Gebiet entsprechen.The part of the
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.
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20010048119A1 (en) | 2000-03-17 | 2001-12-06 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
US20020146892A1 (en) | 2001-04-06 | 2002-10-10 | Kazuya Notsu | Semiconductor member manufacturing method and semiconductor device manufacturing method |
US20050221591A1 (en) | 2004-04-06 | 2005-10-06 | International Business Machines Corporation | Method of forming high-quality relaxed SiGe alloy layers on bulk Si substrates |
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20010048119A1 (en) | 2000-03-17 | 2001-12-06 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
US20020146892A1 (en) | 2001-04-06 | 2002-10-10 | Kazuya Notsu | Semiconductor member manufacturing method and semiconductor device manufacturing method |
US20050221591A1 (en) | 2004-04-06 | 2005-10-06 | International Business Machines Corporation | Method of forming high-quality relaxed SiGe alloy layers on bulk Si substrates |
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