專(zhuān)利名稱(chēng)：具應(yīng)變通道層的晶圓的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體制造方法，特別涉及一種具應(yīng)變通道層的晶圓的制作方法。
背景技術(shù)：
隨著電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，通訊及計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的需求已成為促使半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)提升的主要驅(qū)動(dòng)力。由于市場(chǎng)對(duì)于高積集度、小尺寸及高運(yùn)作效率的集成電路組件的需求日益殷切，提升組件性能及縮小組件尺寸已成為當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)的一重要的發(fā)展課題。當(dāng)因應(yīng)集成電路的高積集度需求而縮小組件的尺寸時(shí)，組件的性能例如驅(qū)動(dòng)電流亦會(huì)隨之改變而無(wú)法達(dá)到理想的范圍。因此，在無(wú)法引入新材料及新組件結(jié)構(gòu)的情況下，若欲縮小組件尺同時(shí)提升組件性能，對(duì)現(xiàn)今的半導(dǎo)體技術(shù)而言仍是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)。
為了改善集成電路組件的性能，已經(jīng)有不少研究提出將異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Heterostructure)的技術(shù)應(yīng)用于晶體管的領(lǐng)域中。利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變?cè)斐赡芟?Band Gap)差異，以大量地改善電子及空穴的遷移率(Mobility)，通過(guò)高電子或空穴遷移率來(lái)改善晶體管的電流速度，從而提升組件的性能。由于鍺元素具有較硅元素為小的能隙及較大的電子/空穴遷移率，加上鍺與硅具有相當(dāng)類(lèi)似的晶格結(jié)構(gòu)，因此硅/硅鍺(Silicon/SiGe)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)大量地應(yīng)用于各種晶體管組件中。例如，在雙極結(jié)晶體管(Bipolar Junctions Transistor，BJT)的應(yīng)用中，鍺的存在可大幅度地改變組件特性如集極電流等。而在場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FieldEffect Transistor，F(xiàn)ET)中的應(yīng)用中，具應(yīng)變的硅鍺則可增強(qiáng)載子的電子遷移率。在應(yīng)變的硅鍺及無(wú)應(yīng)變的硅之間的能隙差主要出現(xiàn)在價(jià)帶(Valence Band)中，故可改善P型通道場(chǎng)效晶體管的空穴遷移率。
硅/硅鍺的異質(zhì)結(jié)構(gòu)亦大量地應(yīng)用于金屬氧化半導(dǎo)體(Metal OxideSemiconductor，MOS)晶體管中，通過(guò)使用半導(dǎo)體技術(shù)在硅上成長(zhǎng)適當(dāng)?shù)逆N含量的結(jié)構(gòu)，以利用應(yīng)變引起能帶結(jié)構(gòu)改變來(lái)增加電子及空穴的遷移率及增大驅(qū)動(dòng)電流，從而提升MOS晶體管的性能。例如，使用具雙軸張力應(yīng)變的硅可以增加電子遷移率，而使用具雙軸壓縮應(yīng)變的硅鍺則可增加空穴遷移率等。由于具雙軸張力應(yīng)變的硅對(duì)于提升NMOS及PMOS的性能皆有良好的表現(xiàn)，故為現(xiàn)今半導(dǎo)體業(yè)界較常采用的方式。
現(xiàn)有技術(shù)在制作具有應(yīng)變通道層的晶體管時(shí)，必需先成長(zhǎng)一層很厚的緩沖層，然后才在緩沖層上成長(zhǎng)意欲的應(yīng)變通道層。例如在制作具張力應(yīng)變的硅層的晶體管時(shí)，需要先成長(zhǎng)一層松弛的磊晶硅鍺層，這是因?yàn)楣璧木Ц癯?shù)(Lattice Constant)較硅鍺為小，因此形成于松弛的硅鍺層上的硅層便具有張應(yīng)力，從而會(huì)引生張力應(yīng)變。然而，在目前的半導(dǎo)體技術(shù)中，欲成長(zhǎng)一層具低排差(Dislocation)及低缺陷密度的松弛的磊晶硅鍺層仍是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)。例如在授予Eugene A.Fitzgerald的美國(guó)專(zhuān)利案第6,107,653號(hào)中，揭露了一種形成低差排密度的磊晶硅鍺層的方法，其是通過(guò)在成長(zhǎng)硅鍺薄膜的不同等級(jí)(Graded)期間，對(duì)其中的硅鍺薄膜表面進(jìn)行平坦化處理，以降低硅鍺薄膜的表面粗糙度，而使后續(xù)成長(zhǎng)于平坦表面上的磊晶硅鍺薄膜具低差排密度。然而，使用該方法成長(zhǎng)的磊晶硅鍺層的厚度十分厚，而且需要繁雜的制程及花費(fèi)較高的制作成本，因而不容易整合于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝中。
因此，亟需發(fā)展一種新的半導(dǎo)體制造方法，以在簡(jiǎn)單的制造方法及較少的成本的前提下，制作出一種具應(yīng)變通道層的晶圓。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于上述的發(fā)明背景中，使用現(xiàn)有技術(shù)制作一具有張力應(yīng)變的硅通道的晶體管，必需要先成長(zhǎng)一層松弛的磊晶硅鍺層，而形成具低差排或低缺陷密度的松弛的磊晶硅鍺層需要復(fù)雜的制程及花費(fèi)較高的成本。因此，本發(fā)明在此提供一種具應(yīng)變通道層的晶圓的制作方法，可以簡(jiǎn)單地形成一層具應(yīng)變的硅層于松弛的磊晶硅鍺層上。
本發(fā)明的一目的為提供一種具應(yīng)變通道層的晶圓的制作方法，利用在絕緣層上有硅(Silicon-on-Insulator，SOI)的晶圓的制造過(guò)程中，在松弛的磊晶硅鍺層上形成一層應(yīng)變硅層。
本發(fā)明的另一目的為提供一種晶圓的制作方法，可與絕緣層上有硅的晶圓的制造過(guò)程結(jié)合，以簡(jiǎn)化制造方法及節(jié)省制作成本，并且可整合于一般的集成電路制造過(guò)程中。
本發(fā)明的又一目的為提供一種具應(yīng)變通道層的晶圓的制作方法，利用晶圓中的應(yīng)變通道層改變能帶結(jié)構(gòu)，以增加電子及空穴的遷移率，從而增進(jìn)晶體管的性能。
根據(jù)以上所述的目的，本發(fā)明揭露一種具應(yīng)變通道層的晶圓的制作方法，首先提供一個(gè)具有一層多孔硅層的第一基材，對(duì)此多孔硅層的表面進(jìn)行熱處理，以在此多孔硅層的表面形成一薄且平坦的第一硅表面層。接著，以磊晶(epitaxial growth)方式成長(zhǎng)一層松弛的硅鍺(SixGE1-x)層于第一硅表面層上，再形成一層接合層于此磊晶(epitaxial)硅鍺層上。然后，將此接合層與一個(gè)第二基材接合，接著移除此多孔硅層及第一基材，并將接合層及磊晶硅鍺層保留于第二基材上。再對(duì)此磊晶硅鍺層表面進(jìn)行熱處理，以在磊晶硅鍺層表面上形成一層第二硅表面層，最后以磊晶方式成長(zhǎng)一層磊晶硅層(epitaxial silicon layer)于第二硅表面層上。成長(zhǎng)于松弛的磊晶硅鍺層上的磊晶硅層將具有張力應(yīng)變，從而形成一個(gè)具有應(yīng)變通道層的晶圓。其中接合層包括一層磊晶硅層及/或一層二氧化硅層，第二基材包括一絕緣層上有硅的基材結(jié)構(gòu)。移除多孔硅層的步驟包括使用水刀切除多孔硅層及蝕刻保留于第二基材上的部分的多孔硅層及第一硅表面，直到暴露出磊晶硅鍺層為止。
本發(fā)明亦揭露一種半導(dǎo)體基材的制作方法，此方法包括提供一第一基材，此第一基材的一表面上具有一層多孔硅層。接著，形成一層第一硅表面層于第一多孔硅層上，形成一層硅鍺層于第一硅表面層上，再形成一層接合層于硅鍺層上。之后，將接合層與一第二基材接合，移除第一基材及多孔硅層，并在第二基材上保留接合層及硅鍺層。然后，在硅鍺層上形成一層第二硅表面層，最后，再在第二硅表面層上形成一層硅層，此硅層便成為應(yīng)變通道層。其中，接合層包括一層磊晶硅層及/或一層二氧化硅層，第二基材包括一絕緣層上有硅的基材結(jié)構(gòu)，形成硅鍺層與硅層的方法包括使用磊晶方式。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明本發(fā)明的較佳實(shí)施例將于往后的說(shuō)明文字中輔以下列圖形做更詳細(xì)的闡述，其中


圖1～圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一較佳實(shí)施例的晶圓的制造過(guò)程剖面示意圖，其中是進(jìn)行第一部分晶圓的制作；以及圖5～圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一較佳實(shí)施例的晶圓的制造過(guò)程剖面示意圖，其中是將第一部分晶圓與一操控晶圓接合，以形成具應(yīng)變通道層的晶圓。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明揭露一種具應(yīng)變通道層的晶圓的制作方法，可在絕緣層上有硅(Silicon on Insulator，SOI)的晶圓的制作過(guò)程中，在松弛的磊晶硅鍺層上成長(zhǎng)一層磊晶硅層，以使磊晶硅層成為具有張力應(yīng)變的硅層。本發(fā)明可應(yīng)用于CMOS晶體管中，利用應(yīng)變引起能帶結(jié)構(gòu)的變化來(lái)增加電子及空穴的遷移率，從而增進(jìn)晶體管的性能。為了使本發(fā)明的敘述更加詳盡與完備，以下將以較佳實(shí)施例并配合圖式的描述，來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的具應(yīng)變通道層的晶圓的制作方法。
圖1～4示出根據(jù)本發(fā)明的一較佳實(shí)施例制作具應(yīng)變通道層的晶圓的制造過(guò)程剖面示意圖，圖中所示為進(jìn)行第一部分晶圓100的制作。請(qǐng)參閱圖1，首先提供一個(gè)具有一層多孔硅層104的適當(dāng)硅基材102，此基材102可為N+型或是P+型的半導(dǎo)體基材。在此，多孔硅層104將作為成長(zhǎng)一層松弛的磊晶硅鍺(SixGE1-x)層的種子層。為了容易理解，圖式中的多孔硅層結(jié)構(gòu)圖示成具有數(shù)個(gè)圓柱形狀。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，實(shí)際上多孔硅層中的孔洞應(yīng)為更復(fù)雜的形狀。
接著，如圖2所示，對(duì)多孔硅層104的表面進(jìn)行熱處理，以在多孔硅層104的表面上形成一層薄且平坦的硅表面層106。較佳地，熱處理方式可使用氫氣退火(H2Annealing)，氫氣退火的處理溫度與時(shí)間可視實(shí)際的制程需要與應(yīng)用而定。之后，如圖3所示，以磊晶方式在硅表面層106上成長(zhǎng)一層磊晶硅鍺層108，磊晶硅鍺層108的形成方法例如可使用化學(xué)氣相沉積法(CVD)、超高真空化學(xué)氣相沉積(UHVCVD)、低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)或等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)等。由于多孔硅層104可以容納應(yīng)力或應(yīng)變，因此磊晶成長(zhǎng)于硅表面層上的磊晶硅鍺層108將形成松弛的結(jié)構(gòu)。
參照?qǐng)D4A，接著在松弛的磊晶硅鍺層108上形成一層接合層110，此接合層110是作為與另一個(gè)操控晶圓(Handling Wafer)接合用的緩沖層。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，接合層110的材質(zhì)為一層磊晶硅層，其可采用適當(dāng)?shù)睦诰Х绞匠砷L(zhǎng)于磊晶硅鍺層108上。替代地，在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施例中，接合層110的材質(zhì)可為一層二氧化硅層，其形成方式例如可使用化學(xué)氣相沉積法在磊晶硅鍺層108上沉積一層二氧化硅層，或者可對(duì)磊晶硅鍺層108進(jìn)行熱氧化處理，以在磊晶硅鍺層108上形成一層二氧化硅層。此外，如圖4B所示，在本發(fā)明的又一較佳實(shí)施例中，第一部分晶圓100’的接合層110的材質(zhì)可包括一層磊晶硅層及一層二氧化硅層，其形成方法可先使用適當(dāng)?shù)睦诰Х绞皆诶诰Ч桄N層108上成長(zhǎng)一層磊晶硅層110a，接著再在磊晶硅層110a上形成一層二氧化硅層110b，此二氧化硅層110b是作為與另一個(gè)操控晶圓接合用的緩沖層。二氧化硅層110b的形成方式例如可使用化學(xué)氣相沉積法在磊晶硅層110a上沉積一層二氧化硅層，或者可對(duì)磊晶硅層110a進(jìn)行熱氧化處理以在磊晶硅鍺層108上形成一層二氧化硅層。至此，已經(jīng)完成第一部分晶圓的制作，以下將說(shuō)明將第一部分晶圓與一操控晶圓接合形成一具有應(yīng)變通道層的晶圓的制作流程。
請(qǐng)參閱第5圖，利用習(xí)知的半導(dǎo)體接合技術(shù)，例如陽(yáng)極接合等，將上述的第一部分晶圓100與一操控晶圓120(Handling Wafer)接合，在此操控晶圓120是作為支撐之用。操控晶圓120可為一種絕緣層上有硅(Silicon on Insulator，SOI)的晶圓結(jié)構(gòu)，此種SOI結(jié)構(gòu)例如可包括一層材質(zhì)為二氧化硅的絕緣層122以及一個(gè)硅基材124，而操控晶圓120是透過(guò)絕緣層122與第一部分晶圓100的接合層110接合在一起。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，當(dāng)接合層110的材質(zhì)為一層磊晶硅層時(shí)，第一部分晶圓是透過(guò)此磊晶硅層與操控晶圓中的絕緣層122接合。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，當(dāng)接合層110的材質(zhì)為一層二氧化硅層時(shí)，第一部分晶圓是透過(guò)此二氧化硅層與操控晶圓中的絕緣層122接合。此外，在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，當(dāng)接合層110的材質(zhì)為一層磊晶硅層及一層二氧化硅層時(shí)，則第一部分晶圓是透過(guò)接合層中的二氧化硅層與操控晶圓中的絕緣層122接合。
之后，如圖6所示，移除多孔硅層104及硅基材102，以將松弛的磊晶硅鍺層108保留在操控晶圓120上。由于具有孔洞的多孔硅層的結(jié)構(gòu)硬度較差，因此在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中是使用水刀(Water Jet)切割多孔硅層104，以移除部分的多孔硅層104及基材102。接著，對(duì)存留在操控晶圓120上的部分的多孔硅層104進(jìn)行選擇性蝕刻，以暴露出磊晶硅鍺層108的表面。然后，對(duì)磊晶硅鍺層108的表面進(jìn)行熱處理，例如可使用氫氣退火，以在磊晶硅鍺層108上形成一層平坦的硅表面層126。最后，如第7圖所示，以適當(dāng)?shù)睦诰Х绞皆诠璞砻鎸?26上成長(zhǎng)一層磊晶硅層130。由于此磊晶硅層130是以磊晶方式成長(zhǎng)在松弛的磊晶硅鍺層108上，因而成為一具有張力應(yīng)變的硅層。
圖7所示為根據(jù)上述本發(fā)明的一較佳實(shí)施例制作的具應(yīng)變通道層的晶圓的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。如圖7所示，此晶圓的結(jié)構(gòu)包括一層具張力應(yīng)變的磊晶硅層130、一層平坦的硅表面層126、一層松弛的磊晶硅鍺層108、一層接合層110，以及一個(gè)包含有一層絕緣層122及一層硅基材124的SOI操控晶圓120。其中絕緣層122的材質(zhì)可為一層二氧化硅層，而接合層110的材質(zhì)可為一層磊晶硅層或一層二氧化硅層。在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施例中，接合層110可包括一層磊晶硅層及一層二氧化硅層，此二氧化硅層是作為與操控晶圓接合用的緩沖層。
綜上所述，本發(fā)明提供一種具應(yīng)變通道層的晶圓的制作方法，可在絕緣層上有硅的晶圓的制程中，先在第一部晶圓的多孔硅層上成長(zhǎng)一層松弛的磊晶硅鍺層，接著以半導(dǎo)體接合技術(shù)將具有松弛的磊晶硅鍺層的第一部分晶圓與一絕緣層上有硅的操作晶圓接合，之后移除多孔硅層，然后在松弛的磊晶硅鍺層上成長(zhǎng)一層磊晶硅層，此磊晶硅層便成為具應(yīng)變的硅層。本發(fā)明的具應(yīng)變通道層的晶圓的制作方法可與絕緣層上有硅的晶圓的制程結(jié)合，其制程簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)，可整合于一般的集成電路制程。根據(jù)本發(fā)明的方法制作的具應(yīng)變通道層的晶圓，可以通過(guò)晶圓中的應(yīng)變通道層來(lái)改變能帶結(jié)構(gòu)，從而增加電子及空穴的遷移率，故可增進(jìn)晶體管的性能。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的權(quán)利要求范圍；凡其它未脫離本發(fā)明所揭露的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包括在下述的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體基材的制作方法，該方法至少包括下列步驟提供一第一基材，該第一基材的一表面上具有一多孔硅層；在該第一多孔硅層上形成一第一硅表面層；在該第一硅表面層上形成一硅鍺層；在該硅鍺層上形成一接合層；接合該接合層至一第二基材；移除該第一基材及該多孔硅層，并在該第二基材上保留該接合層及該硅鍺層；在該硅鍺層上形成一第二硅表面層；以及在該第二硅表面層上形成一硅層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成該第一硅表面層及該第二硅表面層的步驟包括使用氫氣退火。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成該硅鍺層的步驟包括使用磊晶方式。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該接合層包括一磊晶硅層。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該接合層包括一二氧化硅層。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該接合層包括一磊晶硅層及一二氧化硅層。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該第二基材包括一硅基材及一絕緣層。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該接合步驟包括將該接合層接合至該第二基材上的該絕緣層上。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中移除該多孔硅層及該第一基材的步驟更包括以水刀切割該多孔硅層，以移除部分的該多孔硅層及該第一硅基材；以及蝕刻保留于該第二基材上的部分的該多孔硅層及該第一硅表面，直到暴露出該硅鍺層。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在該第二硅表面層上形成該硅層的步驟包括使用磊晶方式。
全文摘要
本發(fā)明揭露一種具應(yīng)變通道層的晶圓的制作方法。首先，提供一具有一多孔硅層的第一基材，進(jìn)行第一熱處理以在多孔硅層表面形成一第一硅表面層。接著，磊晶成長(zhǎng)一松弛的硅鍺層于第一硅表面層上，在松弛的硅鍺層上形成一接合層，再將接合層與一第二基材接合。移除多孔硅層及第一基材，并將接合層及松弛的硅鍺層保留于第二基材上。進(jìn)行第二熱處理以在松弛的硅鍺層表面上形成一第二硅表面層。最后，磊晶成長(zhǎng)一磊晶硅層于第二硅表面層上。成長(zhǎng)于松弛的硅鍺層上的磊晶硅層將具有張力應(yīng)變。
文檔編號(hào)H01L21/324GK1492480SQ0214738
公開(kāi)日2004年4月28日 申請(qǐng)日期2002年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月21日
發(fā)明者黃健朝, 楊育佳, 楊國(guó)男, 林俊杰, 胡正明 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司