TWI325153B - Relaxation of layers - Google Patents

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TWI325153B
TWI325153B TW095139733A TW95139733A TWI325153B TW I325153 B TWI325153 B TW I325153B TW 095139733 A TW095139733 A TW 095139733A TW 95139733 A TW95139733 A TW 95139733A TW I325153 B TWI325153 B TW I325153B
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Zohra Chahra
Romain Larderet
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S O I T E C Silicon On Insulator Technologies
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Description

九、發明說明：
t發明所届技術領域;J 本發明係有關於意欲供電子裝置、光學裝置或光電裝 置應用所用的無應變(unstrained)結晶材料層的形成方法， 並特定言之，本發明係有關於包含該層的一結構之製造方 法。 C先前技術：！ 於此稱為“應變（strained)”的一層係其之結晶結構在受 張力或壓縮下彈性地應變，導致其之晶格參數大體上與其 之構成材料的名義晶格參數不同，當材料係為塊狀式並為 單晶狀況下時其之名義晶格參數係為其之晶格參數。 對比地，假若構成結晶材料之晶格參數大體上與其之 名義晶格參數相同，則稱為“完全鬆弛(e〇mpletelyreiaxed)” 或“無應變(unstrained)”層。 因此，一無應變層當其承受諸如熱應力的外部應力時 具有一穩定結晶結構。 能夠於塊狀晶圓中直接地發現該等無應變層。然而， 塊狀材料之製作係限定在少數目之材料，諸如矽、砷化鎵 (AsGa) '鍺、藍寶石或是其他材料。 為生產藉由其他類型材料所構成的無應變層，所熟知 地在藉由另-結晶材料所組成的—塊狀基板上於相同晶圓 中構成一層，在基板與該層之間插入一緩衝層。 於該一構形中，“緩衝層”係為所瞭解的一轉換層，其 經叹汁以基板之晶格參數構成該層之晶格參數。該一緩衝 1325153 層因而可具有一成分係隨著深度逐漸地變化，緩衝層之成 分的逐漸變化因而係與介於基板與層之個別晶格參數之間 其之晶格參數直接地相關聯。 所提及的一實例係為經由具有於基板與SiGe層之間漸 5 進增加鍺成分的一矽鍺(SiGe)緩衝層由一塊狀矽基板形成 一石夕鍺層。 ‘‘緩衝層”因而能夠用以產生由非為或極少為塊狀形式 的材料所構成的無應變層。 再者’有利地將該無應變層併入絕緣體上覆半導體 10 (semiconductor-on-insulator)結構，因而絕緣體上覆半導體 結構在一電絕緣層上包含無應變層，該絕緣材料係以一塊 狀基板(例如，諸如一玻璃基板)組成，或是構成一在無應變 層與一在下方的塊狀基板之間插入的厚層（諸如_si〇2或 Si3N4層）。與塊狀結構相較該等絕緣體上覆半導體結構具 15有較佳的電氣及/或光學特性，從而改良無應變層中所產生 成分的性能。 絕緣體上覆半導體層典型地係由自—施體晶圓（d〇n〇r wafer)轉換成一受體晶圓（receiver wafer)之層所構成，施體 晶圓可為塊狀或合成物，諸如包含一緩衝層及一次遙晶 2〇 (sub-epitaxial)無應變層的一晶圓。 該等層轉換(layer transfer)技術包含一晶圓接合(wafer bonding)步驟，施體晶圓係與受體晶圓接合，接著為將部分 施體晶圓剝離的步驟用以在受體晶圓上僅留下該轉移層。 例如’施體晶圓能夠藉由使用所熟知的“拋光背面 6 1325153 (polish-back)’’及/或“蝕刻背面（etch-back)”的技術對背部部 分的化學機械侵蝕(例如，藉由拋光、研磨、化學機械平坦 化、化學姓刻、選擇性化學蝕刻等）而去除，或是藉由使用 热知此技藝之人士所熟知被稱為Smart Cut®的一技術(經由 5 實例，可參考由Jean-Pierre Colinge所著標題為“絕緣體上覆 矽技術：對於超大規模積體電路的材料 (”Silicon-on-Insulator Technology : Materials to VLSI”），第 二版”著作，Kluwer Academic Publishers，pp 50及51)在待 切割區域處於原子注入之後切割施體晶圓。 10 於國際專利申請案第WO-A-01/99169號中說明一技 術’用以使用一蝕刻背部技術將一無應變SiGe層自一包含 一緩衝層的合成施體晶圓轉移。 然而，該無應變層轉移技術係為冗長、昂貴的並導致 轉移後施體晶圓的損失。 15 WO-A-02/27783號說明一用以轉移一無應變SiGe層的
Smart Cut®技術。該技術容許針對能夠回收利用作業而恢 復施體晶圓之剝離部分。 然而，該層轉移無法確保其之厚度的完美均勻性，並 且必需完成一附加的拋光步驟用以增加近程均勻性。然 20 而，該拋光作業降低遠程均勻性（亦即，介於晶圓之中心與 邊緣之間所測量的均勻性）。 WO-A-02/15244 號及 WO-A-04/06327 號說明一種將一 無應變SiGe層自一包括介於緩衝層與無應變SiGe層之間的 —應變矽(Si)層的施體晶圓轉移的方法。該方法在於將無應 7 1325153 變SiGe層及應變Si層轉移在一受體晶圓上，接著選擇性地 去除與無應變SiGe層相對的應變Si層。該方法使用Smart Cut®技術並且不需完成最終拋光作業即產生具有近程及長 程均勻性的一最終無應變SiGe層。 5 然而，於應變Si層的轉移期間，施以熱處理，並致使 鍺擴散進入應變Si層中，因而降低應變Si層與無應變SiGe 層之間對最後化學蝕刻所需的選擇性。如果一應變Si層係 為薄的，則此選擇性的減少導致無應變SiGe層受侵蝕，並 因而降低其之品質以及其之近程厚度均勻性。 10 【發明内容】 本發明之一主要目的在於提出一構成具有良好厚度均 勻性之一完全鬆弛層的方法，用以克服該等所有缺點。 本發明之進一步目的在於構成一絕緣體上覆半導體 層，其具有一無應變結晶材料層並具有良好厚度均勻性。 15 本發明藉由提出構成意欲供電子、光學或光電應用裝 置所用的一彈性無應變結晶材料層的方法而達成該等目 的，其之特徵在於該方法係由包含一在張力下（或分別地於 壓縮下）係彈性應變的第一結晶層，以及一在壓縮下（或分別 地於張力下）係彈性應變的第二結晶層，第二層係與第一層 20 相鄰，的一結構而執行，其中該方法包含於二層之間的一 擴散步驟，因此該二層之個別成分之間的差異逐步地減小 直至其為相同為止，接著將該二層構成僅為一單一最終結 晶材料層，彙總地，具有一均勻的成分，其中該二層之個 別的成分、厚度及應變度初使地經選定，在擴散之後，因 8 1325153 此該材料組成最終層，彙總地，不再顯現彈性應變。 以下係為此構成無應變層之方法的其他特性： •第一及第二應變層之晶格參數係分別等於組成最終 層之材料的名義晶格參數； 5 •第二層係為在第一層上蟲晶地成長的一層； •第一及第二層於其之共有的個別成分中具有至少一 元素； •第一層係以Sii_xGex構成，第二層係以Si]_yGey構成以 及最終層係以Si^Ge,構成，X及y分別位在0(包含）至1(包含) 10 的範圍内，X大體上係與y不同，以及： z = (x*thi + y*th2)/(thi + th2) th,係為第一層之厚度； th2係為第二層之厚度； 以及第一及第二應變層之個別晶格參數係分別等於 15 Si 1 _zGez之名義晶格參數， •該結構進一步地包含一配置位在二結晶層下方的非 結晶質材料層； •非結晶質材料層係為電氣絕緣； •非結晶質材料層包含以下材料：Si02、Si3N4、SixOyNz 20 的至少其中之一者； •藉由熱處理完成擴散。 於一第二觀點中，本發明提供構成包含意欲供電子、 光學或光電應用裝置所用之一彈性無應變結晶層的一結構 的方法，其之特徵在於包含以下步驟： 9 1325153 •於在張力下（或分別地於壓縮下）係彈性應變的一第一 結晶層上結晶體成長一第二結晶層，因此第二層係藉由第 一層於壓縮下（或分別地於張力下）彈性地應變，並因此第二 層之厚度係選定為一參考厚度的大小，參考厚度係與構成 5 第二層之元素的總成及構成第一層之元素的總成的一厚度 相一致，一經結合在一起，即能夠構成一均勻層，彙總地， 係無應變。 •將二層之間的元素擴散，因此二層之個別成分間的 差異係逐步地降低直至其為相同為止，該二層接著構成僅 10 為具有一成分，彙總地，係為均勻且無彈性應變的一結晶 材料之一單一最終層，產生該結構的至少一部分。 此構成一包含一無應變層的結構之方法的進一步特性 如下： •選定第一層之晶格參數俾便大體上與構成最終層之 15 材料的名義參數相等； •亦完成結晶成長因此第二層之厚度係小於或等於超 越彈性應變大體上鬆弛的一臨界厚度； •再者，在結晶成長步驟之前，將第一層與一受體基 板接合，最終構成該結構因而包含該最終層並亦包含該受 20 體基板； •經由構成位在待接合之其中一面及/或另一面上的一 接合層而完成接合作業； •接合層包含以下二材料：Si02、Si3N4的至少其中之 一者； 10 1325153 •接合係為分子方式並因而藉由一適合的熱處理增強； •在接合期間於一晶圓中包含第一層，以及該方法進 一步包含，在接合與結晶成長步驟之間，將未包含第一層 的晶圓之·--部分剝離， 5 •未包含第一層的晶圓之一部分係藉由以下技術的至 少之一者而剝離：研磨、化學機械平坦化（CMP)、選擇性 CMP、化學蝕刻、選擇性化學蝕刻； •在接合之前，該方法進一步包含將原子物種注入晶 圓中用以於其中在大體上與第一層之厚度相等的一深度處 10 產生一脆弱區域；藉由讓脆弱區域承受能夠將脆弱接合破 裂的應力而剝離晶圓部分，從而將該第一層自晶圓之剩餘 部分分離； •再者，在剝離部分之晶圓與結晶成長之間，完成對 第一層之表面的最後加工步驟用以製備其之供第二層之結 15 晶成長所用的表面； •第一層係由SiUxGex構成，第二層係由Si^Gey構成以 及最終層係由SiNzGez構成，X及y分別位在0(包含）至1(包含) 的範圍内，X大體上係與y不同，以及： z = (x*thi + y*th2)/(thi + th2) 20 也係為第一層之厚度； th2係為第二層之厚度； 以及第一應變層之晶格參數大體上係等於SinGeziS 義晶格參數， •第一層係以應變Si構成，並係包含於一應變絕緣體 11 1325153 上覆矽基板(sSOI)中。 圖式簡單說明 藉由以下圖式，於上述本發明之非限定說明内容中說 明其他特性、目的及優點： 5 第1A至1C圖係為本發明之用以構成包含一無應變層 的一結構的一方法中不同的步驟。 第2A及2B圖係分別為根據本發明在擴散之前及之後 的一絕緣體上覆半導體結構。 第3A至3E圖係為本發明之用以構成包含一無應變層 10 的一特定結構的一方法中不同的步驟。 C實施方式3 本發明之方法包含於二彈性應變結晶層之間擴散的一 步驟，用以構成具一彈性無應變均質成分的一單一最終結 晶層。 15 於第1A圖中，該無應變層係由一結構30構成，其包含 一在張力下（於圖式中藉由背離箭頭概略地顯示張力）彈性 地應變的第一結晶層1，以及一在壓縮下（於圖式中藉由會 合箭頭顯示壓縮）彈性地應變的第二結晶層2，第二層2係與 第一層1相鄰。 20 於本發明之一可任擇的構形中，對比地，第一層1係受 壓縮以及第二層2係受張力，不需修改接著進行的擴散步 驟。 結構30可僅由二層1及2構成，或是其可在二層1及2之 一及/或另一層之一側邊上包^—支樓件（諸如一加強件或 12 1325153 一成長基板）。 於一第一構形中’層2具有已磊晶成長在層1上的一層 之特性，此層因而係為一成長基板。可交替地，層丨具有位 在層2上的一磊晶成長層之特性’該層因而使用作為一成長 5 基板。 蟲晶層之結晶成長可使用所熟知的LPD、CVD及 MBE(分別為低功率沉積(low power deposition)、化學蒸氣 沉積及分子束蠢晶（molecular beam epitaxy))的技術完成。 為避免磊晶成長層中出現塑性型式缺陷同時保證所需 10 彈性應變，所需的磊晶成長層之厚度係低於一臨界厚度， 實質上係如構成二層1及2之個別材料的名義晶格參數差異 的一函數所測定。此臨界厚度能夠經由先前技術及公開案 而測定。就一實例而言，能夠參考由Friedrich Schaffler所發 表“高遷移率矽及鍺結構（High Mobility Si and Ge 15 Structures)” 文件（“Semiconductor Science Technology” 12 (1997) 1515-1549)，用以測定Si,-xGex之層 1及SiUyGey之層2 的臨界厚度(x係與y不同）。 於一第二構形中，層1及2已使用熟知的接合技術（針對 進一步細節，例如，見由Q.-Y. Tong及U. G6sele所著”半導 20 體晶圓接合科學及技術（Semiconductor Wafer Bonding Science and Technology)，，-Wiley Interscience publicati〇n，Johnson Wiley & Sons，Inc)接合在一起。因此， 例如，在傳統式退火或是快速熱退火(RTA)處理之後’可選 定親水性表面或是有助於親水性的表面的分子接合’或是 13 在待接合二表面的其中之—及/或另一表面的電漿處理之 後接合0 在二層1及2已相互接合的例子中，基本上選擇不易妨 礙二層1-2之間根據本發明接著實行之擴散作業的接合技 5術。特別地，以熟知方式，細心製備待接合表面有效地使 其平滑且清潔’因此表面不具干擾擴散作業的污染物及隔 離的微粒。完成適於清潔待接合表面的化學處理，諸如脆 弱化學餘刻、RCA處理、臭氧浴、漂洗(rinsing)等。亦實行 機械或化學機械處理，諸如拋光、磨蝕、化學機械平坦化 10 (CMP)或原子物種撞擊。再者，無接合層（例如，si〇2或SbN4 型式之接合層），或是利用一夠薄因此實質上不致妨礙或使 一層1與2之間擴散作業緩慢的一接合層亦能夠實行接合作 業0 選定二層1及2之個別的成分、厚度及應變程度因此， 15在完成擴散之後’接著組成待構成之最終無應變層的材 料，彙總地，係不再彈性地應變。 特別地’應變層1及2之晶格參數有利地係分別等於組 成待構成之最終層的材料之名義晶格參數。 特別地，有利地選定應變層1及2之個別成分及厚度因 2〇 此’ 一旦已達成藉由二層1及2擴散成一最終層的均質性， 最終層即具有所需的成分。 參考第1B圖’該方法包含於層1與2之間擴散的一步 驟，因此其之個別成分間的差異係逐步地減小。 此現象因而導致層1與2其之材料的構成元素之間發生 14 1325153 位移，逐步地減小成分中的差異性（圖式中藉由箭頭顯示層 1與2之間的位移）。 藉由熱處理有利地完成擴散作業，於一或更多時段期 間分別地適於一或更多預定溫度用以獲得所需結果，亦 5 即，一最終彈性無應變層。就一實例而言，在900°C至1200 °C範圍中的一溫度下進行熱處理持續30分鐘(min)至數小時 (h)。 第1C圖顯示在完成擴散作業後所獲得的結果：二層1 及2之個別成分大體上係彼此相同，二層1及2因而僅構成為 10 一單一最終層3，其係由一具有係為均勻且無彈性應變成分 的結晶材料構成。 於本發明之一特定構形中，構成層1及2的材料初使地 共同具有其之個別成分之至少一元素。因此，假若二層1或 2其中之一層的成分與另一層相較包含更多的此元素，則該 15 元素會由第一層更為朝向另一層擴散用以使總成的成分均 質化。 就一實例而言，考量第一層1係由Sii-xGex構成，第二 層係由SkyGey構成。根據本發明，選定其之厚度及應變程 度（亦即，視其之成分而定，其之個別晶格參數）用以獲得無 20 應變Si^Gez的一最終層3(x及y分別位在0(包含）至1(包含） 的範圍内，X大體上係與y不同）： 接著，選定X、y、出丨及出]，因此： z = (x*th] + y*th2)/(thi + th2) (1) • th 1係為第一層1之厚度； 15 1325153 • th2係為第二層2之厚度。 因此，第一及第二應變層1及2之個別晶格參數係分別 地等於Sii.zGez之名義晶格參數。 明確地，應注意的是仇1及比2係分別地小於層1及2之臨 5 界厚度。 第2A圖顯示本發明之一特定應用，其中結構30初使地 係為一應變絕緣體上覆矽（sSOI)結構，因而包含於一第一構 形中（未顯示）的一應變矽之第一層1以及一塊狀絕緣基板， 或是於一第二構形（如圖所示）中的一應變矽之第一層1、一 10 塊狀基板20以及一插入絕緣層4。 此類型之sSOI基板30係為市售品。 於此實例中，矽之第一層1的應變度係藉由選擇一sSOI 基板30而固定於一預定的應變度。從而選定待構成之最終 層3的晶格參數。 15 於一第二步驟中，磊晶成長的第二層2之成分以及第一 層1(其因而可任擇地加以修改）與第二層2之個別厚度係經 選定用以構成一最終層3，在藉由擴散作業將二層1-2均質 化之後，具有一與第一層之晶格參數相等的名義晶格參數。 就一實例而言，假若選定第二層2之成分為SiUyGey， 20 則根據本發明藉由熱處理在一簡單的擴散作業步驟之後， 參考第一層1之厚度（見上述關係式（1))，根據本發明，藉由 其之厚度在sSOI基板30上SiNyGey之第二層的簡單磊晶成 長，能夠構成無應變Si^Gez之一最終層3。 亦能夠藉由與臨界厚度有關的限制引導對於SiNyGey 16 1325153 之成分的初使選擇。事實上，假若選定的Ge之一濃度y係高 於一預定限制濃度，則所選定最終構成一無應變SikGezi 層3的厚度th2係大於臨界厚度。從而利用塑性應變鬆弛法 (轉位(dislocation)、堆疊缺點及/或其他塑性缺陷)獲得一第 5二層2 ;因此’最終層3係為不良的結晶品質。 然而’針對磊晶成長的特定狀況，諸如由D.C. Houghton 所著“Sii-zGez/Si異質結構之應變鬆他動力學（Strain Relaxation Kinetics in SiNzGez/Si heterostructures)” 中（J. Appl. Phys. 70(4),15 August 1991)所說明之該等狀況，能夠 10 產生超越理論臨界厚度的層之結晶成長；參考J.W. Matthews等人發表之“蟲晶積層中之缺陷（Defects in Epitaxial Multilayers),,(Journal of Crystal Growth 27(1974) 118-125) ’其說明超越臨界厚度出現的物理現象，以及沉積 技術對該等現象的影響。 15 因而構成結構’接著根據本發明實行擴散作業。就 一實例而言，能夠選擇一約為1〇5〇。〇的溫度持續約2小時。 第3A至3E圖顯示本發明之一進一步特定方法的複數 步驟，其包含以下步驟： (1) 在一施體表面10上彈性應變結晶材料之一第一薄層 20 1的蟲晶成長； (2) 於應變層1處將一受體基板2〇與施體基板1〇接合； (3) 將施體表面1〇剝離； (4) 一第二彈性應變層2之結晶成長； (5) 根據本發明之擴散作業。 17 1325153 第3八圖顯示一晶圓係由一施體基板10及Sii-xGex(x係 位在0(包含)至1(包含)的範圍内）之一第一應變層1構成。 於受體基板10之一構形中，其係為一假基板 (pseudo-substrate)包含一緩衝層（如以上所定義）位在一支撐 5基板(於第3A圖中未顯示）上。siGe之緩衝層因而，例如， 其係自塊狀單晶矽之支撐基板藉由磊晶而構成，彙總地， 於其之厚度中其之Ge濃度增加，俾便逐漸地修改支撐基板 之石夕的名義晶格參數以及SiGe之名義晶格參數。配置緩衝 層俾便進一步包含鬆弛511不同）之一上層，具有 10 一預定晶格參數並具有一足夠大的厚度能夠將其之晶格參 數加在下方的應變第一層1上，層丨大體上不致影響上層的 結晶結構。 不論針對施體基板10所選定的構形，該基板1〇具有一 結晶結構，其導致應變層1中彈性應力以及一低密度之塑性 15 缺陷。 由於Ge之晶格參數大於Si之晶格參數4.2%，所以經選 疋用以構成該應變層1之材料因而假若X小於w則係在張力 下應變，以及假若X小於w則處於壓縮狀況。 第一應變層1係有利地藉由結晶成長構成在施體基板 20 10上，諸如使用LPD、CVD及MBE之熟知技術的磊晶方式。 較佳地沉積層1因此其具有一大體上固定的厚度，並具 有大體上不變的内在特性及/或有助於未來與受體基板2〇 接合(如第3B圖中所示）。 為避免應變層1鬆弛或是出現内部塑性型式缺陷，較佳 18 地保持此層1之厚度低於針對彈性應變的一臨界厚度。 關於Sil-xGex層之臨界厚度值’特別地參考由Friedrich Schaffler發表標題為“高遷移率矽及鍺結構间迚
Mobility
Si and Ge Structures)，，之文件⑸加⑽如时％嶋 5 Technol〇gy” 12(1997) 1515-1549)。 就其他材料而言，熟知此技藝之人士參考有關於針對 構成位在施體基板1G上的應變層丨選定材料之彈性應變的 _^臨界厚度的先前技術。 <因此，特別地經設計適於該等成長參數，蟲晶成長於 10鬆弛石夕上的-SluGex層（X係位在〇 10至〇 3〇範圍中）具有一 位在約200A[埃]至2000A範圍内的典型厚度。 -旦構成’應變層1因而具有—晶格參數係大體上接近 纟之成長基板_晶格參數’並具有—晶格參數係大體上 - 等於根據本發明構成的無應變層之晶格失數。 15 第3B圖顯示施體基板10與受體基板20接合。 • #合之前’可實行一可任擇的步驟在待接合的二表面 之其中至少-表面上構成-接合層，該接合層在周圍溫度 或是在較高溫度下具有接合特性。 & • ®此，例如，特別是假若待接合的另-表面係由Si〇2 2〇構成或包含矽，構成一以〇2或&以4層可改良結合品質。2 因而有利地藉由沉積Si02之原子物種或假若待接合表 面包含矽則將表面熱氧化而構成一 Si02接合層。 σ 有利地在接合作業之前完成製備待接合表面的步驟， 有助於該等表面儘可能平滑且清潔。 7 19 就其本身而言，藉由使待接合表面接觸而完成接合作 業。接合本質上較佳地係為分子方式的，利用待接合表面 之親水性質。接合表面亦可經電漿處理。 可將接合總成退火用以加強接合，例如藉由修改接合 5之本質，諸如共價鍵或其他接合》 因此’特別地，假若接合層已在接合作業之前構成， 則退火可增強接合。 可自由Q.Y. Tong，U· G6sele，Wiley所著標題為”半導體 晶圓接合（Semiconductor Wafer Bonding)’’的文件（Science 10 and Technology，interscience Technology)獲得有關接合技術 的更多細節。 參考第3C圖，一旦總成經接合，將施體基板1〇去除。 由於黏合力因而第一層1中的應變實質上係為保留的 (就進一步細節而言，特別地，見WO-A-04/006326號，特此 15 併入本案以為參考資料）。 於一應用中，藉由供給能量，於施體基板1〇中存在的 一脆弱區域處將施體基板10之至少一部分分離而將材料去 除。 此脆弱區域（未顯示）係為一大體上與接合表面平行的 2〇區域’其中接合脆弱，當供給適量的能量時’諸如熱及/或 機械能量，能夠使該脆弱接合破裂。 藉由將原子物種注入施體基板10可構成脆弱區域。 注入的原子物種可為氫、氦、一二物種之混合物或是 其他物種，較佳地為輕物種。 20 1325153 於接合之前，在構成應變層1之前或之後，完成該注入 作業。 脆弱區域中的接合主要地係藉由選擇注入物種之劑量 而使其脆弱。就氫注入而言，劑量典型地係位在1〇16 cm·2 5至l〇17cm_2的範圍中，更精確地係位在自約2xl〇i6cm-2至約 7xl016 cnf2的範圍中。 因而通常藉由供給機械及/或熱能量於該脆弱區域完 成分離作業。 就與此Smart Cut®方法有關的更進一步細節而言，應 10 參考由“Kluwer Academic Publishers”所發行由 j.-P.Collinge 所者標題為“絕緣體上覆石夕技術：對於超大規模積體電路的 材料，第一版（Silicon-on-Insulator Technology: Materials to VLSI ’ 2nd Edition，，)，，，pp 50及51 的文件。 在於脆弱區域處的分離作業之後，去除施體基板l〇之 15 可任擇的剩餘部分俾便在受體基板20上僅保持應變層1。 接著實行最後加工技術，諸如拋光' 磨钱、CMP、RTA、 犧牲氧化(sacrificial oxidation)、化學姓刻，單獨使用或結 合使用（接合介面之增強、消除粗縫度、消除缺陷等）。 有利地’最後加工材料去除作業’至少於結束階段， 20使用一選擇性化學蝕刻結合機械構件或以其他方法。 可任擇地，就剝離施體基板1〇的步驟而言，可實行一 無分離作業且無一脆弱區域之用以去除材料的進一步技 術。 包括元成化學姓刻及/或化學機械钱刻。 21 ' 、沈實例而言，能夠使用一“蝕刻背部(etch-back)，，型方 - &⑽選擇性地蝴待娜之施體基板10之材料。 該技術包括“自背部，’，亦即，自施體基板10之自由表 ' 面蝕刻施體基板10。 可實行濕式蝕刻其使用適於待去除材料的蝕刻溶液。 亦可使用乾式蝕刻用以去除材料，諸如電漿蝕刻或是 藉由噴濺法。 _ 在〜縣板1G之機械魏，諸如研磨、拋光、機械敍 刻或是原子物種喷濺之前或之後進行蝕刻。 可伴隨著諸如拋光的機械侵姓而進行钮刻，可任擇地 結合一CMP法中的機械研磨動作。 於本說明書中經由實例提出用以自施體基板1〇去除材 料的所有6玄等技術，但絕無具限定之意，根據本發明之方 ••法，本發明能夠擴展至可去除施體基板1〇的所有類型之
15 術。 I • 參考第3D圖，如上所述，實行本發明之一 8丨1^〇6^?之第 二應變層2之磊晶。 假若第一層1係在張力下（亦即，假若χ係小於w)應變， 則選定第二層2因此其係處於壓縮狀況（亦即，y係大於。 20 因此，假若第一層1係處於壓縮狀況下（亦即，假若<係 大於w)，則選定第二層2因此其係處於張力狀況（亦即，y係 小於W) 〇 根據上述說明的内容確定對於成分'厚度及晶格參數 的選擇。 22 1325153 可交替地’在接合之前第二層2可磊晶地成長於第一層 1上’因而在層2之表面處實行接合作業。如此構成一結構 30其連續地具有受體基板2〇、層2接著為層1(與第3D圖成對 比）。 5 參考第3E圖，實行本發明之一擴散熱處理，用以構成 一結構3 0 ’其具有一 S i K z G e z之最終層3。該結構係為一絕緣 體上覆SiGe(SiGeOI)結構，其中受體基板2〇係為一電絕緣體 或是一足夠厚的接合層係包含於sii zGez之層3與受體基板 • 20之間。 10 一旦獲得最終結構30，可完成最後加工處理，例如退 火。 因而可於最終層3中構成電子、光學及光電組件。 在最終結構30上亦可實行任何類別的一或更多磊晶成 長步驟(參考第1C、2B或3E圖），諸如siGe或SiGeC層的磊晶 15成長，或是應變SlC或&層之磊晶，或可交替之SiGe或SiGeC φ 層及應變&匸或81層用以構成一積層結構。 本發明並未限定在Si4SiGe之應變層1及2,亦能夠擴 展至其他麵的材料’諸域々或π •賴金屬或是其他結 晶材料。 2〇 於此說明的結晶層中，可添加其他成分，諸如掺雜元 素或碳，層中所考量碳濃度係為5〇%或大體上較低，或更 特定言之’濃度為5%或更低。 I[圖式簡單說明】 藉由以下圖式，於上述本發明之非限定說明内容中說 23 1325153 明其他特性、目的及優點： 第1A至1C圖係為本發明之用以構成包含一無應變層 的一結構的一方法中不同的步驟。 第2A及2B圖係分別為根據本發明在擴散之前及之後 的一絕緣體上覆半導體結構。 第3A至3E圖係為本發明之用以構成包含一無應變層 的一特定結構的一方法中不同的步驟。 【主要元件符號說明】
卜··第一結晶層 2···第二結晶層 3…最終層 4…絕緣層 10…施體表面 20…塊狀基板/受體基板 30…結構/sSOI基板
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Claims (1)

13251 P5139733號專利申請案申請專利範圍修正本修正味(更)正本 —.-I »1 I |_ _ 十，申請專利範圍： • 1. 一種構成一彈性無應變結晶材料層的方法，該層係欲供 電子、光學或光電應用裝置所用，該方法之特徵在於該 方法係由一結構來執行，該結構包含—在張力下（或分 別地於壓縮下）係彈性應變的第一結晶層，以及一在壓 縮下（或分別地於張力下）係彈性應變的第二結晶層，第 二層係與第一層相鄰，其中該方法包含於二層之間的一 擴散步驟’因此該二層之個別組成之間的差異逐步地減 ® 小直至其為實質相同為止’接著該二層形成僅為一整體 來5兒具有一均勻組成之結晶材料的早一最終鬆弛層，其 中該二層之個別的組成、厚度及應變度初始地經選定， 、 藉此在擴散之後，構成該最終鬆弛層之材料整體來說不 再顯現彈性應變；其中該二層中之一層係以SiNxGed4 成’另一層係以Sii_yGey構成以及該最終鬆弛層係以 SkzGez構成，X及y分別位在〇至U包含）的範圍内，且z % 大於0但小於1。 2. 如申請專利範圍第1項之構成一彈性無應變結晶材料層 的方法，其中該第一及第二應變層之晶格參數係分別等 於組成最終鬆弛層之材料的名義晶格參數。 3. 如申請專利範圍第1項之構成一彈性無應變結晶材料層 的方法，其中該第二層係為在第一層上蟲晶地成長的一 層。 4. 如申請專利範圍第1項之構成一彈性無應變結晶材料層 的方法，其中該第一及第二層於其個別之組成中具有至 [S3 25 1325153 少一共同元素。 5. 如申請專利範圍第4項之構成一彈性無應變結晶材料層 的方法，其中該第一層係以Si丨_xGex構成，第二層係以 Si^yGey構成以及最終鬆弛層係以SikGez構成，X及y分 別位在0(包含）至1(包含）的範圍内，X大體上係與y不 同，以及： z = (x*thi + y*th2)/(thi + th2) th,係為第一層之厚度； th2係為第二層之厚度； 以及第一及第二應變層之個別晶格參數係分別等 於SikGez之名義晶格參數。 6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之構成一彈性無應 變結晶材料層的方法，其中該結構進一步地包含一配置 位在二結晶層下方的非結晶質材料層。 7. 如申請專利範圍第6項之構成一彈性無應變結晶材料層 的方法’其中該非結晶質材料層係為電氣絕緣。 8. 如申請專利範圍第7項之構成一彈性無應變結晶材料層 的方法，其中該非結晶質材料層包含以下材料中至少一 者：Si02、Si3N4、SixOyNz。 9. 如申請專利範圍第1項之構成一彈性無應變結晶材料層 的方法，其中藉由熱處理完成擴散。 10. —種構成包含意欲供電子、光學或光電應用裝置所用之 一彈性無應變結晶層的一結構的方法，其之特徵在於包 含以下步驟： [S 26 於在張力下（或分別地於壓縮下）係彈性應變的一第 —結晶層上結晶體成長一第二結晶層，因此第二層係藉 由第一層於壓縮下（或分別地於張力下）彈性地應變，並 因此第二層之厚度係選定為一參考厚度的大小，參考厚 度係與構成第二層之元素的總成及構成第一層之元素 的總成的一厚度相一致，一經結合在一起，即能夠構成 整體來說無應變之一均勻層； 將二層之間的元素擴散，因此二層之個別組成間的 差異係逐步地降低直至其為實質相同為止，該二層接著 構成僅為具有一成分，整體來說，係為均勻且無彈性應 變的一結晶材料之一單一最終鬆弛層，產生該結構的至 少一部分， 其中一層係以SiNXGex構成’另一層係以Si^Gey構 成以及該最終鬆弛層係以Si丨_zGez構成，X及y分別位在〇 至U包含）的範圍内，且z大於0但小於1。 •如申請專利範圍第10項之構成一結構的方法，其中該選 定第一層之晶格參數俾便大體上與構成最終鬆弛層之 材料的名義參數相等。 •如申請專利範圍第10項之構成一結構的方法，其中亦完 成結晶成長因此第二層之厚度係小於或等於一臨界厚 度’彈性應變在超越該臨界厚度時將大體上鬆弛。 .如申凊專利範圍第10項之構成一結構的方法，其進一步 包含在結晶成長步驟之前，將第一層與—受體基板接 合’最終構成該結構因而包含該最終鬆弛層並亦包含該 1325153 受體基板。 14. 如申請專利範圍第13項之構成一結構的方法，其中經由 構成位在待接合之其中一面及/或另一面上的一接合層 而完成接合作業。 15. 如申請專利範圍第14項之構成一結構的方法，其中該接 合層包含以下二材料中至少一者：Si02、Si3N4。 16. 如申請專利範圍第13項之構成一結構的方法，其中接合 係為分子方式並因而藉由一適合的熱處理增強。 17. 如申請專利範圍第13、14、15或16項之構成一結構的方 法，其中在接合期間於一晶圓中包含第一層，以及該方 法進一步包含，在接合與結晶成長步驟之間，將未包含 第一層的晶圓之部分剝離。 18. 如申請專利範圍第17項之構成一結構的方法，其中該未 包含第一層的晶圓之部分係藉由以下技術中至少之一 者而剝離：研磨、化學機械平坦化(CMP)、選擇性CMP、 化學蝕刻、選擇性化學蝕刻。 19. 如申請專利範圍第17項之構成一結構的方法，其進一步 包含，在接合之前，將原子物種注入晶圓中用以於其中 在大體上與第一層之厚度相等的一深度處產生一脆弱 區域；藉由讓脆弱區域承受能夠將脆弱接合破裂的應力 而剝離一部分，從而將該第一層自晶圓之剩餘部分分 離。 20. 如申請專利範圍第17項之構成一結構的方法，其進一步 包含，在剝離部分之晶圓與結晶成長之間，完成對第一 28 1325153 層之表面的最後加工步驟用以製備其之供第二層之結 晶成長所用的表面。 21.如申請專利範圍第10項之構成一結構的方法，其申該第 一層係由Sii-xGex構成，第二層係由SibyGey構成以及最 終鬆弛層係由Sii.zGez構成，X及y分別位在0(包含）至1(包 含）的範圍内，X大體上係與y不同，以及： z = (x*thi + y*th2)/(thi + th2) th!係為第一層之厚度； th2係為第二層之厚度； 以及第一應變層之晶格參數大體上係等於Si,_zGez 之名義晶格參數。 [S 3 29
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