TW200529310A - Method of measuring crystal defects in thin Si/SiGe bilayers - Google Patents

Description

200529310 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於半導體裝置製造，且更特定言之，本發明 係關於-種在形成於石夕鍺合金層上之石夕層中判定晶體缺陷 之方法。本文中所描述之方法適用於形成於塊狀石夕基板以 及基於絕緣體上石夕（s〇I)的基板頂上之石夕/石夕錯雙層。本發 明之方法可用於在生長於鬆弛石夕錯層以及任何其他石夕/石夕 鍺膜系統之上的應變矽層中測量缺陷密度。 【先前技術】 用於顯影及評價高品質矽/矽鍺雙層之重要工具為一種 判定層内的缺陷密度之可靠方法。在本巾請案中通篇使用 術語"石夕々鍺雙層"來描述具有具有位於料層頂上之石夕層 的結構。詳言之，精確判；t在鬆弛碎鍺層上之薄應”層 内的晶體缺陷密度從應變石夕材料顯影以及現有應變石夕材料 =評價兩個角度而言很重要。用以量化晶體缺陷密度之當 前方法包括（例如）電子顯微法及化學蝕刻法。 電子顯微法可用以可靠地測量缺陷密度（及特徵）。俯視 圖透6射電子顯微法（PV-ΤΕΜ)可心測量低至每平方公分大 約1〇6個至105個缺陷之缺陷密度。然而，因為成像面積較 小，所以使用此技術不能可靠地測量更低的缺陷密度。 PV-TEM分析之其他抑制元素為樣品準備長且麻煩、需要 昂貴的電子微觀設備及有資格的人員來操作工具。 >在化學缺陷蝕刻巾，由蝕刻劑不斷地移除晶體的表面， A蝕刻劑在（或接近）晶體缺陷處與無缺陷區域相比具有更 95505.doc 200529310 高的姓刻速率。結果為表面臺階或蝕刻坑之顯影，可在顯 微鏡下對其進行檢查以判定缺陷密度。此先前技術方法依 賴於1)有缺陷區域對無缺陷區域之蝕刻速率之差、及2)移 除足夠的材料以產生具有足以在顯微鏡下觀察到的對比度 之表面臺階。上文所提及之項目υ&2)係相關的，因為若 蝕刻速率差異大；則可移除較少的材料來獲得相同之表面 對比度。 用以評價絕緣體上矽（SOI)基板之先前技術之化學缺陷 蝕刻方法為一種使用經稀釋的Secc〇 (F Secco d，Arag〇na， J· Electrochem. Soc，vol. 119 no· 7 1972 ρ·948)缺陷蝕刻劑 之方法一Secco蝕刻劑係重鉻酸鉀、氫氟（HF)酸及蒸餾水之 混合物。該缺陷蝕刻劑用以使s〇I層（由5〇〇人或更厚）變薄 至幾百A厚並產生到達埋藏的氧化物層之表面坑。隨後吸 收氫氟酸保持SOI層完整無缺，但通過蝕刻坑並強烈地侵 蝕彼區域中埋藏的氧化物。結果為一種藉由對埋藏的氧化 物進行足以用顯微鏡觀察到的潛蝕（undercutting)來，裝飾， 名虫刻坑之方法。 基於矽鍺材料之化學缺陷蝕刻的問題在於，大多數可用 餘刻劑（諸如 Secco、Shimmel (D. G. Shimmel，J. Eiectr〇chem Soc·，vol.丨26 no. 3 1979 Ρ· 479)等等）之缺陷蝕刻選擇性 (缺陷蝕刻速率對材料蝕刻速率）非常差。大多數基於氧化 的蝕刻劑蝕刻矽鍺比蝕刻矽快得多，且蝕刻速率隨鍺含量 增加而增加。由於矽鍺中之此降低的缺陷選擇性，先前技 術之缺陷蝕刻技術是不可靠的，對於超薄矽鍺層（大約i〇〇 nm 95505.doc 200529310 左右或更少）之情形而言尤其如此。 :與使用電子顯微法之先前技術的技術相闕聯之問題 =夕錯雙層中判定缺陷密度之可靠的化學钱刻技術 之斩ΐ ’ ^提供—種⑽切/料雙層中之晶體缺陷 之新頭且改良的方法。 【發明内容】 本發明係關於-㈣以描繪在形成於⑦鍺合金層上之石夕 層中之晶體缺陷之方法。本發㈣方㈣先❹—在石夕中 具有高缺陷選擇性之缺㈣刻劑L夕直至允許鱼下層 的石夕錯層㈣之缺陷坑形成的厚度。_，使用可與㈣ 蝕刻劑相同或不同之第二蝕刻劑來侵蝕在缺陷坑下之矽鍺 層而保持上面的⑦完整無缺。在—些實施例中，第一缺陷 敍刻劑自身亦可同時充切鍺裝飾。本發明之方法可用以 在數量上且精確地測量任意量值之結晶缺陷密度。 本發明之方法可用以在生長於鬆弛矽鍺層以及任何其他 矽/矽鍺膜系統之上的應變矽層中測量晶體缺陷。矽/矽鍺 雙層可位於矽基板（或晶圓）或基於絕緣體上矽（s〇I)之基板 的頂上。該方法可用以在矽/矽鍺雙層中測量結晶缺陷， /、中石夕層為具有大約100 nm左右或更小厚度的應變層，且 石夕錯層為具有大約10000 nm或更小厚度之鬆弛層。本發明 之方法對除上述範圍之外的其他厚度範圍起作用。 廣義上，本發明提供一種用以描繪（意即判定）在位於矽 錯層頂上之矽層中之晶體缺陷之方法，其包含以下步驟： 第一次用一在矽中具有缺陷選擇性的缺陷餘刻劑來|虫刻 95505.doc 200529310 2括位於石夕錯合金層上之石夕層的結構以在石夕$中形成至少 與石夕錯合金層接觸之坑缺陷；及 第二次用與第—㈣相同或不同之#刻劑來㈣包含至 J 一坑缺陷之結構，使得第二次蝕刻對該至少一坑缺陷下 的矽鍺層進行潛蝕。 根據本發明’第刻步驟使用在碎中非常快地钱刻諸 士錯位（disl0catlon)及疊差（仙也邱如⑴之缺陷而較慢地 飯刻無缺陷矽的缺陷蝕刻劑。 在第二_步驟中使用相㈣㈣之實施例中，石夕錯層 很㈣侵钱並發生潛钮。本發明之此實施例可被稱為"自曰 义牟目為用於在石夕層中形成坑缺陷之姓 對矽鍺層進行潛蝕。 用以 在本發明之另—實施例中，利用與用於切層中形成坑 缺陷之缺陷姓刻劑不同的蚀刻劑來執行第二韻刻步驟。在 本發明之此實施例中’使用餘刻石夕鍺比姓刻石夕要快的姓刻 劑。意即，在本發明之此實施例中使用在石夕中具有高選擇 性的餘刻劑。 1丁 f a $ _㈣步驟之後’在光學顯微鏡下掃描 被蚀刻之結構以識別缺陷坑已被㈣之區域（或多個區 域)。然後’在給定區域内判定已被潛蝕之蝕刻坑的數目 並將缺_度報告為㈣被祕线_數目除以被分析 之區域的面積（單位為cm2)。 【實施方式】 現在將參看隨附本申請案之圖式更加詳細地描述本發 95505.doc 200529310 明，其提供一種用於描繪在矽/矽鍺雙層中之晶體缺陷之 方法。在圖式中，用相同的參考數字提及相同及相應的元 件。 首先參考本申請案之圖丨中所示之初始結構。初始結構 ίο包括至少一位於一矽鍺層14頂上之矽層16。初始結構1〇 亦包括一位於矽鍺層14之下的基板12。基板12可包括一塊 狀矽基板或任何其他半導體基板，以及絕緣體上矽（s〇I) 基板之埋藏的絕緣區域及底部半導體層；s〇I基板之頂部 SOI層已被用於形成石夕鍺層。 利用熟習此項技術者所熟知之方法來形成圖丨中所示之 初始結構10。舉例而言，藉由首先在基板丨2頂上生長矽鍺 層14,然後在矽鍺層14頂上生長矽層16可形成初始結構 ίο。在此實施例中m晶生長方法可生長石夕錯層14， 該方法包括（例如）低壓化學汽相沈積（LCVD)、超高真空化 學汽相沈積（UHVCVD)、大氣壓化學汽相沈積（ApcvD)、 分子束蟲曰曰曰法（MBE)或電漿增強化學汽相沈積（pECVD)。 石夕鍺層14之厚度可視用於形成相同層之蠢晶生長方法而 =變。然而，石夕鍺層14通常具有約1〇麵至約1〇〇〇〇麵之 厚度，約約5000 nm之厚度為更佳。石夕鍺層14可為 非鬆弛層’或者若石夕鍺層14較厚（約1微米至約1〇微米左 右），則該矽鍺層可為鬆弛層。 石夕鍺合金層14包括包含高達99 99料％的鍺之石夕錯材 ；：較佳地，本發明之矽鍺合金層具有約5原子％至約99.9 、子％的鍺含里’約10原子％至約5〇原子％的鍺含量為更 95505.doc 200529310 佳。 利用習知磊晶生長方法可在矽鍺層14頂上形成矽層1 6， 其中諸如矽烷或二氯矽烷之含矽氣體用作生長矽的來源。 磊晶矽層（即層16)之厚度可改變，但是矽層16通常具有約1 nm至約100 nm之厚度，約1 nm至約50 nm為更佳。在石夕鍺 合金層為鬆弛層的情況下，砍層16為拉伸應變層。 利用（例如）在2002年1月23日申請的題為’’Method of Creating High-Quality Relaxed SiGe-on-lnsulator for Strained Si CMOS Applications’1之共同申請且共同讓渡之美國專利申請 案第10/05 5,138號、2002年7月16曰申請的題為"Use of Hydrogen Implantation to Improve Material Properties of Silicon-G、ermanium-On_Insulator Material Made by Thermal Diffusion” 之 共同申請且共同讓渡之美國專利申請案第10/196,611號以 及2003年5月30曰申請的題為丨，mgh-Quality SGOI By Oxidation Near The Alloy Melting Temperature” 之共同申請且 共同讓渡之美國專利申請案第10/448,948號中所揭示之方 法亦可形成圖1中所示之結構。上述美國專利申請案中每 一個之全部内容以引用的方式併入本文中。注意，在該等 申請案中，在SOI基板之埋藏的絕緣體層之上形成鬆弛矽 鍺層時使用熱混合步驟。 除上文所提及之特定方法之外，利用能夠形成矽/矽鍺 雙層結構之任何其他方法均可形成圖1中所示之初始結 構。如上所述，矽層可為應變層或非應變層，且矽鍺層可 為鬆弛層或非鬆弛層。應變矽/鬆弛矽鍺雙層為能夠達成 95505.doc -10- 200529310 南通道電子遷移率之異質結構。 包括石夕/石夕鍺雙層之結構隨後經受第一蝕刻步驟。本發 明中使用的第一蝕刻步驟包括使用在矽中具有非常高的缺 選擇性之缺陷蝕刻劑。本發明中使用的缺陷蝕刻劑通常 G括氧化劑及氧化物I虫刻劑，諸如Ηρ酸。可於本發明中使 用之缺陷蝕刻劑之說明性實例包括，但不限於：可視情況 用水稀釋以控制蝕刻速率之2份111?與丨份重鉻酸鉀溶液 (〇·15 M)(Secco)、或視情況用水稀釋之2份hf與1份三氧化 鉻（1 M)(Shimmel)之混合物，或以比蝕刻無缺陷矽更高之 速率蝕刻缺陷結晶矽區域之任何其他化學混合物。 在上文所提及之各種缺陷蝕刻劑中，用相等體積的水稀 釋後的2:1 HF:重鉻酸鉀（0_15 M)溶液為極佳。通常，使用 六份去離子水。本發明之此步驟中使用的缺陷蝕刻劑以比 蝕刻無缺陷矽快得多的速率蝕刻錯位及疊差缺陷。 根據本發明，在室溫或由室溫（3〇〇c或更低）些微提高的 溫度下進行第一蝕刻步驟約10秒至約1〇〇〇秒之時間週期。 。亥柃間週期為矽厚度以及缺陷蝕刻劑之蝕刻速率的函數， 且因此其可自上文所提供之範圍稍微改變。 (例如）在圖2中展示了已執行本發明之第一蝕刻步驟之 後形成的生成結構。注意，圖2中在線性，，楔狀物，，輪廓中 使用稀釋的2:1HF-重鉻酸鉀溶液來蝕刻樣品。 如圖2中所示，本發明之第一蝕刻步驟在矽層16中形成 複數個缺陷坑18。視矽層16之厚度而定，一些缺陷坑1 $向 下延伸至矽鍺層丨4。因而，一些坑缺陷18與下層的矽鍺層 95505.doc 200529310 14接觸。 現在執行第二蝕刻步驟，其在與矽鍺層14接觸之缺陷坑 1 8之下的矽錯層丨4中提供潛蚀。例如，在圖3中展示了執 行第二蝕刻步驟之後的生成結構。在此圖中，參考數字22 表示潛姓區域。 第二蝕刻步驟可包括”自身裝飾”步驟，其中使用與第一 蝕刻步驟中所用蝕刻劑相同的蝕刻劑。當坑缺陷處之缺陷 蝕刻劑到達下層的矽鍺時，矽鍺很快地被侵蝕並發生潛 蝕。當矽層較厚（大於150 A)時，本發明之此實施例尤其有 用。 /、 對於更薄的矽層（約150 A左右或更小），使用一種替代方 法在與矽鍺層接觸的坑缺陷之下的矽鍺層中提供潛蝕。在 本♦明之此第二實施例中，使用與以上使用的缺陷钱刻劑 相比不同的化學蝕刻劑來提供潛蝕。詳言之，本發明之第 一實施例中使用之蝕刻劑為以比蝕刻矽更快的速率蝕刻矽 鍺之任何钱刻劑。 可於本發明之第二實施例中使用之蝕刻劑的說明性實例 包括，但不限於：HF/H2〇2/乙酸（HHA)混合物（比率分別為 1:2:3)、或100:1硝酸：HF混合物。在上文所提及之各種蝕 刻；=1]種，使用HHA混合物為極佳，因為此蝕刻劑中矽鍺之 蝕刻速率比矽高幾個數量級而對矽的絕對蝕刻速率非常低 (A/min)。此允許HAA混合物用作裝飾钱刻；其保持石夕 a整無缺而對曝露的矽鍺進行強烈的潛蝕。 根據本發明，在室溫或由室溫（3〇°C或更低）些微提高的 95505.doc 200529310 溫^下進行第二韻刻步驟約】秒至約咖秒之時間週期。 β 丁間週』為用衣本發明之此步驟中之蝕刻劑的蝕刻速 的函數。 在n兄下，可在第—與第二敍刻步驟之間執行漂洗 步驟及可選的乾燥步驟。當使用漂洗步料，漂洗溶液通 常為療顧水或去離子水。可在本發明中使用之漂洗溶液的 其他㈣包括’但不限於：炫類（諸如己炫或庚炫）、酮類 或醇類。乾燥可在空氣中、在惰性環境中、在供箱中、或 在真空中執行。 在上文所提及之兩個實施例之任一個中，實務上難以正 好在最適宜的矽厚度處停止蝕刻過程。一種本文可使用的 蝕刻方法為執行”分級蝕刻”，其保證一區域具有最適宜的 蝕刻矽厚度。具體言之，首先將待蝕刻之結構以一速率慢 k地浸入包括缺陷蝕刻劑之蝕刻劑浸泡劑内，該速率導致 樣品底部處的矽被完全蝕刻（直至矽鍺）而頂部處的全部矽 厚度得以保留。 圖2及3中所示之結構係使用分級方法來蝕刻。因此，首 先被浸沒的結構之部分可稱為該結構之”底部，，，而最後被 浸沒之其他部分可稱為該結構之”頂部”。術語”頂部，，及，，底 部”係與該結構之哪一端首先被浸入蝕刻劑浸泡劑内有 關。藉由使用此分級蝕刻方法，頂部矽厚度將自結構之頂 部至底部近似線性地減少。可手動地（用手）或使用自動化 攻備來執行將樣品浸入蝕刻溶液内的步驟，以改良對分級 輪廓之控制。 95505.doc -13- 200529310 然後，在光學顯微鏡（或者甚至原子力顯微鏡）下掃描圖 3中所示之敍刻結構以識別缺陷坑已被潛姓之區域（或多個 區域）。然後，在給定區域内判定已被潛蝕之蝕刻坑之數 目並將缺㈣度報告為料被潛#之缺陷的數目除以被分 析之區域的面積（單位為cm2)。 圖4係使用本發明之方法進行缺陷姓刻後的15〇入石夕⑽人 矽鍺/1400 A二氧化矽/矽基板結構之實際光學顯微圖 (N_rSk清比度）。影像寬度祕降。該影像清楚地展示 了姓刻坑以及平面缺陷（諸如疊差）的描繪。該影像係在接 近分級蝕刻輪廓中的矽/矽鍺介面的區域處取得。 雖然已關於本發明之較佳實施㈣確土也展示並描述了本 發明，熟習此項技術者將瞭解，可在形式及細節上作出前 述及其他改變而不背離本發明之範疇及精神。因此，希望 本發明不限於所描述及所說明之精確的形式及細節，但是 在所附申請專利範圍之範疇之内。 【圖式簡單說明】 圖1是展示可於本發明中使用的初始結構之圖示表示。 圖2展示用以判定圖丨中所示之初始結構中的晶體缺陷密 度之本發明的第一步驟之圖示表示。 一圖3展示用以判定來自圖2中所示之初始結構的晶體缺陷 密度之本發明的第二步驟之圖示表示。 圖4是在使用本發明之方法進行缺陷蝕刻後的丨5〇人矽/ A石夕鍺moo A一氧化石夕/石夕基板結構之缺陷钱刻光學顯 微圖（N〇marski對比度）。影像寬度為86解。 95505.doc 200529310 【主要元件符號說明】 10 初始結構 12 基板 14 矽鍺層 16 矽層 18 缺陷坑 22 潛蝕區域 95505.doc

Claims (1)

1. 200529310 十、申請專利範圍·· 1 · 一種用以描誇名_ a 本甘 " 石夕/石夕鍺雙層結構中的晶體缺陷之方 法，其包含以下步驟： 弟一次用一在石夕Φ s /、有缺陷選擇性的缺陷蝕刻劑來蝕 刻一包括一位於一 ^ , y 夕鍺0金層上之矽層的結構以在該矽 «第幵=與4石夕錯合金層接觸之至少一坑缺陷；及 人今A用契ϋ亥初次餘刻相同或不同之姓刻劑來姓刻包 小二夕土几缺之該結構，使得該第二次蝕刻對該至 >、一坑缺陷下的該矽鍺層進行潛蝕。 2·如5月求項1之方法，其中由蟲晶形成該石夕層，且由蟲晶 形成該矽鍺合金層。 士月求項1之方法，其中該石夕層為一應變層，且該石夕鍺 a至層為一鬆他層。 4·如:求項3之方法，其中該應變層具有約i〇〇 或更小 之厚度，且该鬆弛層具有自約1〇〇〇〇打㈤或更小之厚度。 5·如明求項1之方法，其中在一絕緣體上矽基板之一埋藏 的、邑緣體層之頂上形成該矽鍺合金層時係使用一熱混合 過程。 月求項1之方法，其中該石夕鍺合金層包含高達99·原 子％的鍺。 7·如凊求項丨之方法，其中係在一基板頂上形成該矽鍺合 金層。 8,如巧求項7之方法，其中該基板為整體矽或一基於絕緣 體上矽之基板。 、 95505.doc 200529310 9·如清求項1之方法，其中該缺陷蝕刻劑包含一 HF與重鉻 酉欠钟之、;昆合物；一 HF、重鉻酸鉀與蒸餾水之混合物；一 HF與二氧化鉻之混合物；或一 HF、三氧化鉻與蒸餾水 之混合物。 1〇·如明求項1之方法，其中該缺陷蝕刻劑包含2份HF及1份 〇·1 5 Μ重鉻酸鉀溶液及6份去離子水。 11 ·如印求項丨之方法，其中該缺陷蝕刻劑以比蝕刻無缺陷 石夕快得多之一速率蝕刻錯位及疊差缺陷。 女明求項1之方法，其中係使用一分級蝕刻方法來執行 該初次餘刻。 月求項1之方法，其中該第二次蝕刻使用與該第一次 餘刻相同之蝕刻劑。 14.如π求項i之方法’其中該缺陷蝕刻劑及該第二次蝕刻 中之該餘刻劑二者均由⑽财幻份重鉻酸鉀溶液及⑽ 去離子水組成。 1 5 ·如請求項1之方法，盆中 /、 ’、吏用一與該缺陷餘刻劑不同 之姓刻劑來執行該第二次蝕刻， J 4不同蝕刻劑以比蝕刻 石夕更快之一速率钱刻石夕鍺。 1 6·如請求項J5之方法，直中 、Τ μ不冋蝕刻劑包含hf/H2 酸或硝酸/HF。 其中該不同蝕刻劑包含1份HF/2份 1 7 ·如請求項15之方法 H2〇2/及3份乙酸。 18. 如請求項1之方法 驟及該第二次錄刻 ’其進一步㊅冬—如»汝卜 在该弟一次蝕刻步 步驟之間的漂洗步驟。 95505.doc 200529310 19. 如請求項丨之方法，其進一步包含在一顯微鏡下掃描該 第一次蝕刻結構及該第二次蝕刻結構，以識別該坑缺陷 已被潛蝕之區域，並基於被潛蝕之坑缺陷總數除以面積 來計算缺陷密度。 20. -種在-石夕/石夕錯雙層結構中測量晶體缺陷之方法，其包 含·· 第一次用一在矽中具有缺陷選擇性的缺陷蝕刻劑來蝕 刻-包括-位於一矽鍺合金層上之矽層的結構以在該矽 層中形成與該矽鍺合金層接觸之至少一坑缺陷； 第二次用與該初次姓刻相同或不同之蚀刻劑來姓刻包 含該至少一坑缺陷之兮级4装 之忒〜構，使得該第二次蝕刻對該至 少一坑缺陷下的該石夕鍺層進行潛钱；及 在-顯从鏡下掃描該被餘刻結構以識別該至少一坑缺 陷被潛狀—區域並從缺陷密度的角度計算缺陷數目。 95505.doc