TWI289880B - Manufacturing process for a multilayer structure - Google Patents

Description

1289880 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種由數種半導體材料所構成之多層 結構之製造方法，該結構包含一由第一半導體材料所構成 5 之基板以及一由第二半導體材料所構成之外表薄層，兩種 半導體材料具有貫質上不同的晶格參數。 【先前技術】 這種型式之方法係為已知技術。 10 因此，製造包含一由例如石夕之材料所構成之基板，以 及一由例如矽-鍺（SiGe)或甚至鍺（Ge)之材料所構成之外 表薄層之結構係為已知技術。 以申請人之名之專利申請案FR 0208600係關於一種 用以從一晶圓製造包含半導體材料之一薄層之一結構之 15 方法，該晶圓包含一晶格參數適應層，而該晶格參數適應 層包含一由具有第一晶格參數之半導體材料所構成之上 層，特徵在於其包含下述階段： (a) 在具有實質上不同於第一晶格參數之第二額定晶 格參數之半導體材料之一薄膜之適應層之上層上，成長足 20 夠之最小厚度，以保持在下之適應層之上層之第一晶格參 數且因此受到應變； (b) 在具有實質上與第一晶格參數相同之額定晶格參 數之半導體材料之一鬆弛層之薄膜上之成長；及 (C)位於相對於鬆弛層之適應層之側面上的晶圓之至 -6- !289880 少一部分之移除，包含下述操作： •形成一脆化區至相對於鬆弛層之適應層之側面； •電源供應於脆化區以從晶圓卸下—包含鬆弛層之 、、、吉構0 屬於t專利申請Ϊ之方法因此採用—種層轉移技術(尤其 =於SMARTCUT型式或财謂⑧型式）以構纽期望晶 10 15 -曰i: Γ!方法之一初始元件係為—晶圓’該晶圓包含 區;:格f數適麟，該晶格參數適應層對應於該晶圓之一 ”在其表面上出現—實質上鬆弛材 數個例如錯位之結構缺陷。 ，、不/、有夕 特別要載_是_弛層—般意味著 曰曰、、、。構之任何半導體材料層，亦即，且二似紇、、、口 層之材料之敎晶格參數相同之—晶格參數成此 ，結構係在晶趙=:二導= ::來產生應變’藉以使至少一晶格參二:二 冋於此種材料之額定晶格參數之義務。、實貝上不 專利申請案FR 0208600之方法椹士、 例如於本文開始_提及之結構之解財利於構成 【發明内容】 本發明之目的係用以對該專利申 種程度的補充。 τ月茱之教杈提供某 20 1289880 為達成這個目的，本發明提出 所構成之多層結構之製造方法，該結構3=體;料 L主嚅麻 土伋以及由第一+導體材料所構成 =二專：：兩種半導體材料具有實質上不同的晶， 特徵在於此方法包含下述步驟： ^數 •在-支撐基板上產生包含該外表薄層之一層· 立-脆2由該切基板與該沈積層㈣成1體中建 10 15 •使該總體與一目標基板接合； •於這個脆化區之階層脫離，·及 •處理所產生之結構之表面。 【實施方式】 本發明之其他樣態、目的與優轉從參考_所提供 之本發明之下述說明而顯現更清楚，於其中圖1&至^ 不出用以實施本發明之一個實施例之主要步驟。 首先參考圖la，其顯示出上面已沈積有一層1〇5( 所示）之一支撐基板100。 支撐基板100係由-種具有第一晶格參數之半導體材 料所構成。例如，其可以是由矽所構成。 層奶係為由-種具有不同於上述所提及之第一晶格 參數之第二晶格參數之材料所構成之一層。 因此’層105可以是由SiGe，或甚至是以所構成。 據說層105係藉由-種技術而沈積，該技術允許： 20 1289880 •沈積一材料之一期望厚度，關於它的晶格參數係實 質上不同於上面製造有沈積物之支樓基板之晶格參數； •同時構成這種實際上免除於錯位型式之缺陷之沈 積物之一外表層。 5 文獻WO 00/15885譬如教導一種允許SiGe或Ge沈積 在矽上之方法。 這種沈積方法因此可譬如依據第一模式而執行，其中 單晶矽Ge係藉由實行下述步驟而沈積在單晶矽之一支撐 基板上： 1〇 •使單晶矽之基板的溫度穩定於400T：至500°C之第 一預設穩定溫度，較佳是43(TC至460°C ; •於該第一預設溫度下化學氣相沈積(CVD)Ge，直到 獲得位在小於一最後期望厚度之一預設厚度之支撐基板 上之Ge之基底層為止； 15 •增加化學氣相沈積Ge之溫度從第一預設溫度到範 圍從750。(：至850°C，較佳是從80(TC至850°C之一第二預 設溫度；以及 •於該第二預設溫度下繼續化學氣相沈積Ge，直到為 單晶石夕Ge之層獲得一最後期望厚度為止。 20 這種沈積方法亦可依據譬如由文獻WO 00/15885所 揭露的那些變形例而實現。 直接在可以是由矽所構成之一支撐基板上獲得鬆弛 SiGe或鬆弛Ge之一薄層之其他方法亦是可行的。 亦可參考公開公報•在供虛擬基板製造用之氫或氦氣 1289880 離子植入法之後之假晶Sil-xGex/Si (100)異質結構之應變 鬆弛（Strain relaxation of pesedomorphic Sil_xGex/Si (100) heterostructures after hydrogen or helium ion implantation for virtual substrate fabrication)’，B· Hollander 等人，物理 5 研究之核能儀器與方法B175-177 (2001) 357-367，其係於 此列入參考。 在這種方法中，係藉由製作一應變層並藉由鬆弛這個 層而產生此層110。 鬆弛SiGe之薄層亦可藉由以下文獻所揭露之技術而 ίο 獲得，這些文獻因為它們揭露可供本發明實現之用以獲得 這種層之方法而列入參考： —”基於含碳層之結合之新型式之SiGe薄應變鬆弛 緩衝層之發展（Development of a new type of SiGe thin strained relaxed buffer based on the incorporation of carbon 15 containing layer)"，在第一屆SiGe技術與元件會議中提出 (ISTDM，日本名古屋，2003年1月15-17日）； —”為n-Mosfet之具有高Ge含量之薄SiGe緩衝層 (Thin SiGe Buffers with High Ge content for n-Mosfets)"(Lyutovich 等人，材料科學 & 工程，B89 2〇 (2002)，341-345);及 —”具有0·1μπι以下之厚度之鬆弛SiGe緩衝層 (Relaxed SiGe buffers with thickness below 0.1μιη)??(Bauer 等人一薄固體薄膜369 (2000)，152-156)。 回到本發明之方法，在所有情況下，包含所欲產生之 1289880 結構之外表薄層之一層110已被建構在支撐基板100上。 因此，已經完成包含在支樓基板100上之SiGe(具有 期望之Si/Ge比率）或Ge之一層110之一中間晶圓1〇。 此種層100之自由表面可被拋光，以便允許與將要在 此方法中從事之中間晶圓10接合。 中間晶圓10之表面粗链度必須確實少於幾埃 (angstrom)rms以供這種接合使用。 一介面105因此被界定在層11〇與支撐1〇〇之間。 特別要載明的是藉由使用此種型式之沈積方法，錯位 10 15 型式之缺陷已被侷限於層110之與介面1〇5鄰接之區域 内0 吾人理解到侷限意味著大多數的錯位型式之缺陷係 位於該區域中。層11G之其餘部分並未能完全免除缺陷， 但它們的集中性係與微電子應用相容。 係在！侷:住錯位型式之缺陷之層110之區域， 糸在由夕所構成之支撐基板100^^ 層層〜 鬆弛SiGe層具有期望去:::製’這種G” 大約為0·5至1微米。又 種4望厚度尤其可以是 中 現在參考圖^脆化區12G係建立在晶圓ι〇之厚度 這個脆化區尤其可藉由 經由層110植入物質而形成。 20 1289880 被植入之物質係為一種或數種原子或分子物質，例如 氮或氣離子或分子。 植入亦可以是不同物質（例如氩與氦）之共同植入。特 別要載明的是在本文中，“植入”也涵蓋這種至少兩種物質 5 之共同植入。 當脆化區係藉由植入而形成時，植入參數可被定義成 俾能使脆化區位於支撐基板1〇〇中，如圖lb所示。 亦可能定義這些參數，俾能使脆化區位於層11()本身 中（較佳是位於與介面105鄰接的此種層之區域中）。 10 特別要載明的是脆化區亦已經在沈積層110之前藉由 在支撐基板100中建立多孔區域而形成。 緊接著產生包含脆化區之晶圓，並將這個晶圓接合至 目標基板20。 目標基板20可以是由矽所構成。 15 /黏著於目標基板上之晶圓10之面係為對應至層11〇 之鬆他表面。 生為了執行這種接合，這些表面已在被置於接觸之前被 /月洗’且一接合層已可選擇地被插入在這些表面之間。 又’譬如氧化層之電氣絕緣層可被插入在晶圓與目才# 2〇 基板之間。 、不 這種氧化層可從目標基板20之表面之氧化開始。 同樣地，如果其係由SiGe所構成的話，其可從層u〇 之表面之氧化開始。 如果層110係由Ge或SiGe所構成，則亦可能在接合 -12- Ϊ289880 之前’藉由氧化層沈積來使其與一氧化層結合。 因此，在接合之前，晶圓及/或目標基板可以是與一絕 緣層相關。 如果需要的話，可處理一個或兩個待接合之基板之表 面’以便使這些基板之表面粗糙度下降至有利接合之數值 (亦即，不超過幾埃rms)。 這種表面處理可以是一種拋光步驟。 在接合之後，可能開始進行傳統熱處理以強化接合介 面。 緊接著進行藉由熱及/或機械電源之於脆化介面之階 層之分離。 結果為包含如圖Id所示之下述元件之結構3〇: •目標基板20 ; •層110 ;及 •支撐基板1 〇〇之任意殘留物。 於此結構中，層110本身包含： •一晶格參數適應層（與支撐基板1〇〇之殘留物鄰接 的層110之一部份）；以及 •一期望厚度之鬆弛層。 當脆化區已藉由植入而在層110之”晶格參數適應層” 之厚度中構成時’所產生之結構3G並不包含支撐基板之 殘留物’且晶格參數適應層之_部份已在分離期間與這個 結構3 0分開。 於此情況下，所產生之結構之表面係被處理（圖le)以 -13- 1289880 改善層110之表面狀態。 這種表面處理可包含拋光，與其他型式之處理。 亦可能以執行植入，俾能在被鬆弛之層110之一部分 中獲得脆化區。 5 於此情況下，轉移層並不包含例如錯位之缺陷（或只有 非苇；的缺陷），且在分離之後所產生之結構可出現不需 要任竹額外處理之表面層（其來自層110之鬆他部分）。 在已將脆化區形成在支撐基板1〇〇之厚度中（藉由植_ 入或藉由優先創造多孔區域）的狀況下，下一個步驟係選 10 擇性侵蝕這個支撐基板之殘留物。 這種選擇性侵蝕可以是選擇性化學蝕刻，其只侵蝕支 樓基板之材料。 這種蝕刻可藉由一種潮濕方法（選擇適合之蝕刻溶 液）’或藉由一種乾燥方法(經由能量電漿或粉碎之選擇性 15 蝕刻）而完成。 這種蝕刻可以在拋光之後進行。 於此種選擇性侵蝕之初期，對應於錯位型式之缺陷被_ 侷限於這個層110之-部分，處理層11〇之自由表面以移 除晶格參數適應層。 20 上述所說明的為用以實施本發明之兩個主要變形例 (分別在支撐基板中，以及在層110中創造脆化區）。 在这兩個情況下，最後結構之活性層係對應至層110 之鬆他部分。 依據第三主要變形例’層110實際上係由不同階層（或 1289880 階級)所組成，而這個層110已被建構如下： •第一階層之沈積物，譬如藉由一種例如由文獻WO 00/15885或由上述B. Hollander等人之參考文獻所揭露之 技術，或者通常藉由任何其他用以產生鬆弛薄層之已知技 5 術： •第二階層之沈積物，構成供化學侵蝕用之止擋層； 及 •第三階層之沈積物，對應於鬆弛層以構成最後結構 之活性層。這種沈積以具有活性層之期望厚度完成。 1〇 第一階層係對應至晶格參數適應層。其可以是由SiGe 或Ge所構成。 第二階層同時必須： •關於化學侵蝕，具有與第三階層相關之良好選擇性 (於此方面，階層2與3必須使用不同材料）；以及 15 •從具有兩個圍繞它之階層之晶格參數的角度來 看，不會引起太顯著的差異（於此方面，階層1、2與3之 材料必須不是太過不同的）。 舉例而言，可建構下述組合： 材料階層1 材料階層2 材料階層3 Ge SiGe(50/50) SiGe 或 Ge SiGe 應變Si SiGe 或 Ge 階層1與3之層較佳是由相同本質之材料所製成，俾 -15- 1289880 能使插在這兩層之間的階層2之層於其兩個表面接收同類 限制。 、 於此情況下，較佳將是使用下述材料：

材料階層2 SiGe(50/50). Ge 材料階層1 Ge

SiGe 應變Si

SiGe 於此第三變形例中’從事用以建立結構30之脆化區、 接合與分離之相同步驟。 因此，脆化區於此又可位於層11〇中。於此情況下， 10 15 其較佳是位於第一階層之厚度中（於其中其已藉由植入而 建構）。 為了獲得最後結構，執行兩種選擇性侵餘： •一第一選擇性侵飯，用以消除第一階層之殘留物。 這種侵蚀尤其可以是一種化學侵蝕，由此證明對應於一止 擋層之一階層之插入；及 •一第二選擇性侵蝕，用以消除止擋層本身。 亦可能構成只有兩個階層之層110，此兩階層為例如 上述所說明之第一階層與像上述階層2與3之第二階層。 於此情況下，第二階層可以譬如是由應變矽所構成， 而第一階層係由SiGe或Ge所構成。 又，第二階層從而形成最後結構之活性層，而第一階 層仍然構成晶格參數適應層。 -16- 20 1289880 下述材料(所提供之此表 仍然於此情況下，將能夠使用 與先前之表作為非限制性實例）：

材料階層 材料階層2

Ge

SiGe(50/50)

SiGe 應變Si 5 在所有情況下，在圖le之結構已產生之後，可從事習 知之表面處理措施。 因此，本發明可使包含譬如位在矽基柘 SiGe層之多層結構被產生。 3 吾人應注意到在本發明的情況下，層11〇之適應層在 1〇 其厚度中不會出現濃度梯度（例如鍺之濃度之梯度果 適應層係在Si支撐基板與具有既定之Ge濃度之Ge或 SiGe鬆弛層之間的話）。 習知之適應層常出現這種濃度梯度，其係對應至適應 層中之晶格參數之梯度。 15 但是，這種具有濃度梯度之適應層必定都是相當厚的 (適應層之兩侧上之晶格參數的差異越重要，適應層就越 厚）。 WO 02/15244揭露這種具有濃度梯度之傳統適應層之 一例0 20 反之，在本發明的情況下，適應層可以是彳艮薄。 真正要提醒的是缺陷（例如錯位）係被侷限於與其和支 -17- 1289880 撐基板100之介面105鄰接的層lio之區域。 相較於例如WO 02/15244所揭露之已知技術而言，本 發明之這個具體樣態係有利的。 與這個樣態相關的優點之實例，係為這種薄適應層使 藉由橫越具有植入物質之適應層而在藉支撐基板1〇〇之内 植入來建構脆化區成為可能之事實。 這能夠在分離與抑制支撐基板100之剩餘材料(si或 其他）之後，為最後結構獲得非常高的品質表面，而不需 要用以處理分裂表面（例如將藉由於位於適應層本身内之 10 15 脆化區分離而獲得之一個表面）之麻煩處理（其將是關於具 有梯度之適應層之情況，這些適應層太厚而不能藉由植入 來橫越）。 吾人亦應注意到藉由本發明而獲得之結構係為錯位 型式之缺陷之例子，即使在嵌入區域中亦是如此。 —又，所產生之結構接著可用以使譬如應變石夕之補充層 藉由遙晶而成長在SiGe或Ge層上。

在階層2之層係由應變石夕所構成的狀況下，為了保存 由石夕基板上之應變Si-SiGe雙層所組成之最後結構， 行單一選擇性侵蝕會是有利的。 疋 20 ▼…入、、口，丹j止搭厚。 最後，亦可能在將這個結構接合至目標基板之上 段之前’使應變㈣沈積在階層3之層上 包含位於㈣板上之應㈣層之結構。 -18- 1289880 【圖式簡單說明】 圖la至le顯示出用以實施本發明之一個實施例之主 要步驟。 5 【圖式之代號說明】 10〜中間晶圓 20〜目標基板 30〜結構 100〜支撐基板 ίο 105〜層/介面 110〜層 120〜脆化區 -19-

Claims (1)

1289880 專利申請案第92134368號 也 ROC Patent Appln. No. 92134368 後無劃線之中文申請專利範圍替換本-附件(三） Amended Claims in Chinese - Encl.(III) (民國96年01月12日送呈） (Submitted on January 12, 2007) 、申請專利範圍： [•一種由數種半導體材料所構成之多層結構之製造方法， 該結構包含一由一第一半導體材料所構成之基板(2〇)以 5 及一由一第二半導體材料所構成之外表薄層，兩種半導 體材料具有實質上不同的晶格參數，其特徵為該方法包 含下述步驟： 在一支撐基板（100)上產生包含該外表薄層之一層 (110); 在藉由該支撐基板與該沈積層而形成之總體（10)中 建立一脆化區； 使該總體與一目標基板(20)接合； 於這個脆化區之階層脫離；及 處理所產生之結構之表面。 2·如申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為產生一層 15 之該步驟係藉由磊晶而完成。 3·如申請專利範圍第2項所述之方法，其特徵為該磊晶係 藉由使用下述步驟進行： 使支撐基板的溫度穩定於一第一預設穩定溫度； 於該第一預設溫度下進行化學氣相沈積，直到為包 2〇 含外表薄層之該層（11〇)獲得位在小於一最後期望厚度之 一預設厚度之支撐基板上之一基底層為止； 增加該化學氣相沈積之溫度從該第一預設溫度至一 第二預設溫度，以及 於該第二預設溫度下繼續化學氣相沈積，直到為該層 •20· 92627發明說明書 1289880 獲得一最後期望厚度為止。 ‘ 屯如申請專利範圍第3項所述之方法，其特徵為第一預設 溫度係大約為400°C至500°C，而第二預設溫度係大約為 750°C 至 850°C。 5 5.如申請專利範圍第4項所述之方法，其特徵為第一預設 溫度係大約為430°C至460°C，而第二預設溫度係大約為 800°C 至 850°C。 6.如申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為該層係藉· 由建立一應變層並藉由鬆弛這個層而產生。 1〇 7.如申請專利範圍第1至6項中之任一項所述之方法，其 特徵為該脆化區之產生係猎由植入而執行。 8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其特徵為植入係為 至少兩種物質之共同植入。 9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其特徵為該植入係 15 在生產階段與接合階段之間被執行。 10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其特徵為執行植入· 俾能將脆化區界定在支樓基板之厚度中。 11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其特徵為執行植入 俾能將脆化區界定在對應於一晶格參數適應層所建構之 2〇 層（110)之一區域中。 12. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其特徵為執行植入 俾能將脆化區界定在對應於一鬆弛層所建構之層（110)之 一區域中。 13. 如申請專利範圍第1至6項中之任一項所述之方法，其 -21- 1289880 特徵為在接合之前，將一電性絕緣層插在藉由支撐基板 與沈積層而形成之該總體（1…與目標基板(2〇)之間。 14·如申請專利範圍第13項所述之方法，其特徵為在接合之 5 15 20 前，一電性絕緣層係形成於藉由支撐基板與沈積層而形 成之該總體（10)之表面上。 、《/ 申請專利範圍第13項所述之方法，其特徵為在接合之 前，一電性絕緣層係形成於目標基板上。 口 16. =請專利範圍第13項所述之方法，其特徵為 緣層係為一氧化層。 电『、、、巴 17·如申請專利範圍第1至6項中之任一項 、 特徵為多層結構之基板(20)係由矽所構成。处之方法，其 如申請專利範圍第丨至6項中之任— #寸徵為支撐基板(1〇〇)係由石夕所構成。、Μ之方法’其 •如申請專利範圍第1至6項中之任— 2〇 f徵為所建構之層⑴〇)係由SiGq„之方法，其 .如申請專利範圍第i至6項中之任—e斤構成。 特徵為當正在形成該層時，、:項所述之方法，其 笮明專利乾圍第20項所计今七、+文傳之。 成該層時，形成對應於下叙固’其特徵為當正在形 !層丨:晶格參數適應層為層： 严白層2 ·止擋層；及 22.如申得之結構之活性層。 申—㈣W料之料 “寺试為對應於該 '22- 1289880 三個階層之層之材料構成下述組合之其一： 材料階層1 材料階層2 材料階層3 Ge SiGe(50/50) SiGe 或 Ge SiGe 應變Si SiGe 或 Ge 23.如申請專利範圍第22項所述之方法，其特徵為對應於該 5 三個階層之層之材料構成下述組合之其一： 材料階層1 材料階層2 材料階層3 Ge SiGe(50/50) Ge SiGe 應變Si SiGe 24.如申請專利範圍第20項所述之方法，其特徵為將該止擂 層保留在最後結構中。 ίο 25.如申請專利範圍第21項所述之方法，其特徵為將該止擋 層保留在最後結構中。 26. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其特徵為當正在形 成該層時，分別形成對應於下述之兩個階層： 階層1:晶格參數適應層；及 15 階層2 :待獲得之結構之活性層。 27. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其特徵為對應於該 兩個階層之層之材料構成下述組合之其一： 材料階層1 材料階層2 Ge SiGe(50/50) SiGe 應變Si -23 - 1289880 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（1 )圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 10〜中間晶圓 20〜目標基板 30〜結構 100〜支撐基板 105〜層/介面 110〜層 120〜脆化區 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： 無