TWI295502B - Semiconductor substrate and method for production thereof - Google Patents

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I295502 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 近年來’利用所謂應變梦之技術以實施MOSFET (金屬氧化物 半導體場效應電晶體）積體電路高速操作之方法業已引起注意。該 應變矽技術係在載體位於MOSFET通道部分時利用一變形之矽層 提昇電子或正洞之移動性，俾晶格常數較通常增加。 【先前技術】 舉例言之，如日本專利JP-A6_252〇46中所揭示者，曾建 議許多用以配置鄰接適當矽層之矽-鍺混合晶體之方法，作為增加 通道所用矽層晶格常數之手段。該等傳統方法之特徵為：利用蒸 氣相沉積法將一矽-鍺薄薄膜沉積在一矽晶圓上並藉蒸氣相沉積 法在其上面進一步再形成一矽層。因鍺之晶格常數較矽者大4%， 藉控制矽_鍺混合晶體之組成物比例，可對通道層產生一必要之應 變。一般而言，鍺之組成物比例係選為約10至3〇%莫耳比。 此應變矽技術可結合所謂之SOI (矽絕緣體）結構使用且埤 組合體稱作SGOI(矽-鍺絕緣體）。舉例言之，如曰本專利 JP_Al〇_3〇85〇3中所揭示者，將藉蒸氣相沉積法沉積一含有矽_ 錯混合層之多層薄膜所造成之第一基片與附有氧化薄膜之第二基 片黏合在一起，並藉拋光及蝕刻作用將第一基片移除至某一厚 度’可製得該組合體。此技術係由所謂結合s〇I技術及應變發技 術所得之組合。同時，亦曾建議：與SIM0X (藉植入氧以分離）技 術（日本專利JP-A4·264724)(該技術係用以製造S0I晶圓之另 1295502 一制式方法）。舉例言之，曰本專利JP-A9-32i3〇7曾建議一種 方法·藉沉積一發《錄混合晶體在一矽基片上於一發_鍺混合晶體 内形成一掩埋式氧化物薄膜，之後植入一氧離子，隨後將所製複 合材料施以尚溫熱處理。再者，日本專利Jp_A2〇〇1_148473中 曾建議一種方法：進一步利用所謂Ιτοχ技術，亦即藉高溫下氧 化so工薄膜以減低該薄膜厚度，因而增加s〇I薄膜内鍺之濃度， 以製造具有高鍺濃度之SG0I晶圓。 美國專利US-4975387中曾建議一種方法：藉沉積一無定 形矽-鍺層在一矽基片上並在一蒸汽環境中將所得複合材料加以 氧化以形成一石夕·鍺層作為表層。 作為製造發-鍺混合晶體之手段，亦曾建議一種方法：藉區 帶溶融法由換有錄之梦原料以形成一梦-錯混合晶體。舉例言之， 曰本專利JP-AS-143389中曾建議一種方法··藉調節液相内鍺之 濃度及控制一固相之濃度以形成一塊狀單晶。 傳統方法曾產生下列諸問題。 特別的是，若選擇曰本專利JP-A6_252〇46中所揭示之技 術，擬賦予應變之矽-鍺混合晶體層必須使其足夠張弛直至晶格常 數達到可符合固有組成物之數值。晶格之鬆弛作用必須依賴位錯 之產生。即使相關裝置所在區域内出現所產生之位錯，將可導使 該裝置發生故障。為防止此危險曾建議採取不同措施。如日本專 利JP-A6_252〇46或JP-A5_l292〇l中所揭示者，其中一種方 7 1295502 法包括：於藉蒸氣相沉積技術形成一矽-鍺混合晶體層期間，沉積 所謂之平穩變化緩衝層（亦即鍺組成比例遞增層），以防止位錯貫 穿至表面層。試圖藉此技術達成該必要之鍺組成比例勢必沉積厚 薄膜，大幅損及生產力及提高生產成本。作為另一種手段，美國 專利US_6〇398〇3中曾揭示一種方法，將該矽基片之主要定向自 正常採用之<100>方向傾斜1至8度。即使採用此種方法亦不能 預期對位錯達到足夠之抑制作用。總之，此方法所產生之問題是： 必須沉積平穩變化之緩衝層。 同時，形成上述厚矽_鍺混合晶體層無需日本專利JP_A9_ 3213〇7及JP-2〇〇l-l48473所揭示S0I結構與應變矽技術之 結合。但，如此會產生必須沉積一矽-鍺混合晶體層之問題，需要 繁複之製造方法並提高生產成本。 美國專利US-4975387所揭示藉沉積一無定形矽-錯層及隨 後於一蒸汽環境中氧化該沉積層之方法，先天上另外需要一生長 無定形薄膜之儀器。再者，絕大多數無定形薄膜形成裝置容易遭 受雜質污染。所以該方法不適於製造新時代前驅最新高速裝置所 用之晶圓。 其次，日本專利Jp-A8_l43389所揭示之藉左科拉斯基技 術或區帶㈣技術生切·鍺混合晶體之方法需要大量鍺原料。因 鍺原料通常極為昂貴，製造具有1G至莫耳比高錄濃度之晶體 (應變石夕基片所必需者）僅具有極少商業價值。再者，因生長工作 1295502 容易遇到位錯，所賴圖自液相生長—含有該高濃度鍺之單晶 體，技術上甚為困難。 Μ 【發明内容】 本發明之内容係一異質-半導體結構（該結構具有一含有矽_鍺 混合晶體之碎絕緣體結構）及其低成本高生產力製造方法。 【實施方式】 為解決上述諸問題，本發供—具有_層結構之晶圓及 其製造方法。本發明之晶圓具有二者均由矽_鍺混合晶體製成之裝 置形成層及基片（其濃度差異極大）。具有此品質之晶圓可在低成 本及高生產力之條件下製造高品質之應變發晶圓。 本發明之第-個目標係-半導體基片，該半導體基片之特徵 為：包括一由添加鍺之矽所形成之第一層，由氧化物形成且鄰接 該第一層之第一層，及由一發-錯混合晶體形成且鄰接該第二層之 第三層。 利用上述第一層内普通矽層位置内具有低鍺濃V度之矽_鍺 層，可提高第三層及鄰接第三層所形成層之品質。如此更可以低 成本大量製造具有咼品質之第二及第三層。所以，如此可形成一 最佳技術以製造半導體工業所必需、具有S0工及SG0I結構之應 變矽晶圓類。 本發明之第二目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片，其特徵為：第一層之厚度對應於一晶圓之厚度。 本發明具有本發明第一目標之優點，同時，該第一層具有足 1295502 夠之機械強度且可用以處理該晶圓。 本發明之第三目標係本發明第一目標所預期之半導體美 片，其特徵為：第-層之鍺濃度不低於0』5%莫耳比及不超過” 莫耳比，尤以不低於0·2%莫耳比及不超過1%莫耳比更佳。。 ， 於一單晶體生長之後立即將鍺濃度設定在本發明預期之不k 低於ο·〇5%莫耳比，則可達成一錯濃度足以製造具有sG〇工結構 及用以製造高速裝置之應變梦晶圓而且實現極佳之結晶性。將錯 濃度設定在不低於〇·2%莫耳比可獲致更佳之特性。若鍺濃度超過# 5名莫耳比，超濃度者在抽拉單晶體時容易引發位錯且使極佳結晶 性實際上甚難實現。最好將鍺漢度限制在低於1%莫耳比，則可使 單晶體容易生長，亦可不使狀量昂貴鍺祕，並進—步降低成 本。 - 本發明之第四目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片，其特徵為·該第一層係一單晶體。 依照本發明，可提高該第三層晶體之品質，並容許在該第三馨 層上及進一步沉積在第三層上之晶體層上形成一高速半導體裝 置。 本發明之第五目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片’其特徵為：該第二層係由具有電絕緣特性之氧切所形成。 與其他氧化物類（例如：氧化錯及含有可能最高濃度錄之氧 化梦）比較’該氧化發之絕雜較佳。所以，藉用具有極佳電絕緣 10 w工2鉍备备Q2號專利中請案 中文說明書替換頁(96年3月） 特性之氧化係形成之該第二層，可製造高品質之SGOI晶圓。 本發明之第六目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片，其特徵為：該第二層之厚度係至少不低於80奈米。 將該第二層之厚度設定在不低於80奈米，可達成有效絕緣 作用及分離作用。 本發明之第七目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片，其特徵為：該第三層係一單晶體。 依照本發明，可使該第三層及沉積在第三層上之晶體應用 在一半導體裝置上。 本發明之第八目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片，其特徵為：該第三層之厚度不低於1奈米及不超過50奈米。 若談第三層之厚度低於1奈米，厚度不足者將使基片製造技 術上遭到困難並將破壞所製並列於第三層之另一薄膜之安定 性。再者，對該第三層而言，厚度超過50奈米之矽-鍺層既不需 要亦不重要。將第三層形成為厚度不低於1奈米及不超過50奈 米，可滿足非耗乏型、部分耗乏型、及全耗乏型半導體裝置之所 有必要條件。 本發明之第九目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片，其特徵為：第三層之鍺濃度不低於15%莫耳比且最多為100% 莫耳比。 若該第三層之鍺濃度欠缺15%莫耳比，濃度不足者將防止所 T2a55iH__________ f年，月q曰修(爱)正替換頁

沈積之應變矽層獲得足夠之應變。藉預估該第三層之鍺濃度，可 直接在該第三層上或鄰接第三層業已形成應變矽層之後形成一半 導體裝置結構。藉估計第三層鍺濃度接近100%莫耳比，可不必在 甚高成本之情況下生長一鍺塊狀單晶體，直接在第三層，形成一 半導體裝置，並利用極高載體移動性、窄帶隙、及與一III至v族 化合物之優良晶格一致性之諸優點。具有一鍺濃度約接近100% 莫耳比之第三層之形成。即能以蒸氣相在該層上面形成一 100% 莫耳比鍺層，同時抑制因不適當接合而發生位錯。所以本發明可 自由選擇鍺晶體層之厚度，同時製得用以形成鍺金屬氧化物半導 體。 本發明之第十目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片，其特徵為：該第一層不含cop。

該COP係指係單晶體生長期間所形成之小空心缺陷，該等缺 陷對半導體裝置具有不良影響。作為生長不含COP晶體之手段， 藉降低抽拉單晶體速率以導致晶圓整個表面無缺陷之方法業經 公開。該方法之產品習稱所謂之完美晶體。利用該晶圓作為第一 層可防止第三層内形成一缺陷。 本發明之第十一目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片，其特徵為：該第三層不含COP。 依照本發明，如同在半導體裝置加工中，在本發明第一目標 之結構上沉積另外一層結構，可以高產率之方式達成。 12 1295502 本發明之第十二目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片’其特徵為：到達該第三層表面之位錯密度不超過1X105個/ 平方公分。 製造目前習知最先進SGOI之方法有賴於異質外延生長層晶 格之張弛作用。當表面層提高時，此種方法會遭受位錯密度抵達 形成層裝置之苦處。相反地，本發明第一目標之晶圓無需異質外 延生長，所以完成一低位錯密度，並且享有製造半導體裝置之優 點。 _ 本發明之第十三目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片，其特徵為：第二層在40><4〇微米内之粗度均方根值不超過5 奈米。 本發明第一目標晶圓之粗度甚低且無需降低粗度之加工。此 項低粗度乃利於製造半導體裝置之優點。 本發明之第十四目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片’其特徵為：該第三層厚度之起伏變化不超過s%或不超過2 · 5❿ 奈米。 與可在氧化物層上形成一薄薄膜之目前習知最先進製造方 法相比，本發明第一目標之晶圓具有極均勻之層厚度。因第三層 錯濃度增加，料量相_低且祕鱗下降。該氧化速率隨時 間之變化逐漸緩和平面内缺乏厚度均勻性，最後終於聚集成整個 平面内區域之均勻薄膜厚度。本發明利用此現象，所以所獲致之 13 1295502 厚度高均勻性可使薄膜之厚度進一步減低而不損及該均勻性。此 等特性利於半導體裝置之製造。 本發明之第十五目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片’其特徵為：該第三層内鍺濃度之起伏變化不超過5%。 由於鍺之擴散作用，本發明第一目標晶圓鍺濃度之平面内均 勻性極為優異。當本發明第一目標晶圓上沉積一應變矽層時，此 特性可將均勻之平面内應變傳至沉積之應變矽層。 本發明之第十六目標係本發明第一目標所預期之半導體基 片’其特徵為：鄰接於第三層處形成一應變石夕層。 依照本發明，由於上述第三層之優越特性，可在低成本之條 件下，製得一具有高品質、嵌入絕緣薄膜之應變梦晶圓。該優異 品質及經濟條件係製造各種非-耗乏型、部分耗乏型及全耗乏型裝 置所不可或缺者。 本發明之第十七目標係一半導體基片，其特徵為：包括一添 加鍺、由矽形成之第一層、鄰接第一層、由氧化物形成之第二層、 由矽-鍺混合晶體形成、鍺濃度較第一層内者高且鄰接第二層之第 二層，及一由鍺形成之第四層。 該晶圓主要係由本發明之製造方法製成，無需生長一鍺塊狀 晶體（生長鍺塊狀晶體通常需要高成本）、可在半導體上直接形成 第四層，且可利用若干優點，例如：極高之載體轉移度，窄帶隙 及與Λ族化合物之極佳晶格調節。當具有約1〇〇%莫耳比錄濃 14 1295502 度之第三層形成時，可抑制不適當接合位錯之產生，藉蒸氣沉積 作用可形成同樣100%莫耳比鍺層，因此依照本發明，鍺晶體之厚 度可加以自由選擇，且該鍺層可以是鍺氧化物半導體之基片。 本發明之第十八目標係一種用以製造半導體基片之方法，其 特徵為：包括至少下列諸步驟 1) 將鍺摻入矽原料内並藉左科拉斯基法或區帶熔融法生 長一單晶體之步驟， 2) 將該單晶體製成一晶圓之步驟， 3) 藉離子植入法將氧離子植入晶圓之步驟， 4) 藉一高溫之熱處理形成一掩埋式氧化物薄薄膜之步 驟，及 5) 於一氧化環境内藉熱氧化作用使在該掩埋式氧化物薄 薄膜上之晶體層變薄。 依照本發明，可用極高之生產力形成一 SGOI結構且無需化 學蒸氣沉積法生長一矽-鍺層即可容易地製造本發明第一目標所 預期之晶圓。因外延生長梦-鍺層之加工可以省略，位錯、表面粗 度（外延生長所固有者）等問題得以緩和。再者，該晶格常數可連 續變化，而不適當接合所發生之位錯及貫穿位錯（對一半導體裝置 有害）則可予以壓制。因發現無需實施矽-鍺層之外延生長，該晶 圓之薄膜厚度均勻性及錯濃度均極優異。由於此優異之均勻性， 厚度降至低於10奈米之矽-鍺層可保留平面層内之均勻性且可容 15 1295502 易地製成傳財法在技術上從未達成之極薄薄膜sgqi結構。為 元成必要之鍺濃度’該極薄薄膜SG(DI結構即^以適當調節第1) 步驟内用以摻和之鍺濃度及第5)步驟内薄薄膜厚度之減低（即濃 度之增加）。 本發明之第十九目標係本發明第十八目標所預期之半導體 基片製造方法’其特徵為：在本發明第十八目標第2)步驟完成之 後實施-個在氧化環境中加熱氧化該晶圓之步驟，隨後實施银刻 及清理該晶圓表面上所形成氧化物_之步驟，及祕實施本發 明第十八目標之第3)步驟及本發明第十八目標之隨後諸步驟。 依照本發明，齡摻以較低濃度叙晶體加以域氧化，可 在該晶體表面層部分堆積㈣度之錯。切韻合晶體之加熱氧 化作用中’最好將物以氧化及較大部分之鍺原子作為殘留物在 該基片晶體内加以擴散。因該扣體⑽之擴散係數極小’該等 鍺原子並未徹底地擴散至整個基片，僅在該基片表層部分形成具 有濃縮錄之^鍺層。此觀象’本發明可容易触低成本製 造-高鍺濃度之梦韻合晶體層。槪如此形成冰錯層及在 其上面實施所謂之植人氧分離（s聰)加工，可在低成本及高生 產力之條件T，在表面層内製得具有—優良品队錯層之麵 1295502 間’氧化環境含有至少水汽。 通常，蒸汽環境内氧化作用之速度高且生產力極佳。因其可 在一短暫時段内形成一預期之氧化物薄膜且可防止表面上之濃縮 鍺在該塊狀基片内發生擴散作用，在表面層上形成一高鍺濃度。 本發明之第二十一目標係一種用以製造本發明第二十目標 所預期半導體基片之方法，其特徵為··在加熱氧化加工中，溫度 不低於9〇〇°C及不高於熔點且氧化時間不低於3〇分鐘。 在氧化期間若溫度降至低於900°C，因增加鍺濃度所需時間 長，所降低之溫度將造成生產力之大幅下降。為製得品質優良之 晶體、所需最高溫度係將氧化溫度控制在低於熔點。因熔點隨鍺 濃度之增加而減低，該溫度之上限必須與相關之濃度相符。即使 當熔點足夠高時，最好不高過13〇〇〇c。若溫度超過13〇〇(>c，鍺 之擴散速率增加，濃縮之鍺即行擴散並在基片中消失。因此，進 一步增加溫度，亦無明顯成效。 若氧化時間縮短3〇分鐘，在上述溫度範圍内，鍺之濃度無 法預期產生足夠的效果。 兹將加熱氧化期間之濃度加工加以明確說明如下。所眾所週 知者，在加熱氧化_氧化物薄膜之厚度τοχ對時間t通常具有 下列關係

Tox2 + A X Tox s B x t 在該數學式巾，B代表所謂"拋物線型速度常數"之量，該值 17 1295502 在氧化作用期間鍺朝深 係由氧化期間之溫度、壓力及環境決定

度方向 < 分佈可由下馨式計算之。 【數學式1J

+ 0.441 dTox dC dt dx 表面HI式+ ’ C代表叙濃度，D係錯之擴散係數，x係自 概…物。假設將在 之邊界條件可加以，之原子掃除至該晶體侧，在x=0 在厚度T1之^B 俾將晶體層_原子之總量保留下來。 下。 a (X=G_T1之層）内之平均錯濃度可約略表示如 【數學式2】 \\ erf⑼. 在數學式中，

Cr 下列之量 代表氧化作用前之初始鍺濃度， α及P代表 α = 0·39. 1295502 依照該數學式，可發魏化相觸最佳_•溫度條件。 舉例言之’若氧化作用時間設定為8小時，ιι〇〇至出代之溫 度可提升錄濃度至最高4氧化作用時間狀為2小時，溫$ 1200 C可最有效地提升濃度。 本發明之第二十二目標係一種用以製造本發明第二十一目 標所預期半導體基#之方法，其特徵為：由加熱魏仙方法所 製氧化物薄膜之厚度不低於i微米。 藉調節上述氧化物薄膜之厚度，可形成一發_錯層該層之# 鍺濃度可滿足由SIMOX法所製SG〇I晶圓之需要。 本發明之第二十三目標係一種用以製造半導體基片之方 法’其特徵為··藉蒸氣相沉積法再將一應變發薄膜沉積在本發明 第一十二目標所製半導體基片上。 依照本發明，可形成-品質魏之應財薄膜至增高該 裝置通道内載體之移動性。 因此，本發明之第二十四目標係一種用以製造半導體基片之鲁 方法’其特徵為：藉本發明之第十八目標將掩埋式氧化物薄膜上 晶體層内之鍺濃度提高至不低於⑽莫耳比並藉統相沉積技術 進一步沉積一錄薄膜。 依照本發明’若錯濃度約接近100%莫耳比之第三層業已形 成，即可用蒸氣相沉積法在其上面形成一 100%莫耳比之錯層，而 且可壓抑因不適當連接而發生位錯。本發明可自由地選擇鍺晶體 19 1295502 層之厚度且可製造出適於鍺MOS半導體形成之基片。 本發明所預期含有矽-鍺混合晶體之異質-半導體結構及其 製造方法可在低成本、無需用蒸氣相沉積法形成一矽-鍺晶體層或 生長目前所用無定形層或多晶體層之條件下，形成品質優良之 SGOI結構。 實施例： 茲將具體實施本發明之合適模式加以說明如下。下列所述鍺 濃度總是以％莫耳比表不。 實施例1 : 所用碎及錯作原料，藉左科拉斯基技術生長5條具有不同鍺 組成比之單晶體棒。其中4條在無位錯之情況下生長之單晶體 棒’經依照普通梦晶圓之同樣方式加以切片、研磨、姓刻、拋光 及π理，以製成供作試驗之晶圓。藉助於31]促（二次離子質譜儀） 測試由該等晶®中所選擇之—個試樣。該棚試、生長後位錯之 存在或不存在等結果經彙整如表1所示。 鲁 隨後’於一蒸汽環境中，在ii5〇°C溫度下，將來自晶體1 至4之試驗晶圓個別加以氧化，歷時ls個小時。所形成之氧化物 薄膜’其厚度為3 ·1微米。繼將該等試樣施以所謂之量奴 加工。明確地講，利用一離子植入器，以4·〇χ1〇11個原子/平方 么刀之劑量’將氧離子植人該等試樣内，隨後於_氬及微量氧之 混。物環境中’在1350 C溫度下將該等晶圓加以熱處理，歷時 20 1295502 中龄μ誘發其巾掩财氧化㈣膜之軸。於—含氧之環境 許屉2晶圓進—步加以氧化，俾將該掩埋式氧化物薄膜上之晶 ，薄至32奈米，在濃縮作用過程中，在不超過熔點之溫度下 ι_Ρ來自日日體1至3之晶圓為12()i)°C及來自晶體4之晶圓為 1曰〇〇C)實施氧化伽。所形成之氧化物薄膜個稀氫氟酸自該 曰曰圓上移除。料晶圓之每傾樣储驗二次離子質譜學之 、、”J試其SGOI層（直接位於掩埋式氧化物薄膜上面之表面晶體 層）内之鍺濃度。所得結果如表2所示。 么通常’就實用觀點而言’ SG0工之錯濃度以不低於1㈣佳。 經發現試樣3A及4A可獲致高鍺濃度。經發現所有試樣均有總是 在5名以内優良鍺濃度平面内離差。另外亦利用一分光橢圓計測試 該等試樣之平面_膜厚度分佈。該職所得結果甚佳；薄膜厚 度之起伏變化為2· 8%且最大及最小薄膜厚度之差為q.7奈米。 隨後’將所製試樣施以AFM(原子力間顯微鏡）觀察以測定表 面粗度。經發現在4〇X4〇微米掃描範圍内之均方根值為丄· 9奈米。 之後’於試樣3厶上’藉蒸氣相沉積技術，沉積一薄膜厚 度為15奈米之矽層。為測定所賦予該層之應變，則對如此沉積之 矽層之拉曼散射加以測試。結果發現該等矽層所含應變理論上與 相關之鍺濃度符合。因此，發現隨後所製應變碎晶圓之品質甚佳。 再者，為測疋結晶性，將該試樣施以橫斷面透射型電子顯微 鏡觀察。該項觀察在形成最上表層之應變發層内及位於其下方之 21 1295502 矽-鍺層内均未發現因不適當連接所產生之可辨識位錯。經發現所 製晶體層之品質亦甚優良。 厚度約為〇·5微米、含有一應變矽層之表層，其貫穿位錯密 度係利用合適之姓刻技術加以測試。結果，經發現該試樣之貫穿 位錯密度為7X104個/平方公分。 實施例2 : 該等來自實施例1内所生長晶體！至4之晶圓係在實施例丄 内同樣水汽環境中及uscrc溫度下加以氧化lg小時，並施以氧 離子植入及熱處理俾形成_掩埋式氧化物義。隨後，在本實施 例中，將該掩埋式氧化物薄膑上之晶體層減薄i Μ奈米。用氮氣 酸將所形成之氧化物細移除之後，藉助於二次離子質譜儀個別 測試該等試# SGQI助之錄濃度。所得結果如表3所示。 、、、口果’經發現不僅晶體3及4而且初始鍺濃度較低之晶體均 了形成極南濃度之SGOI層。 太、，隨後，於試樣3A，上，藉蒸氣相沉積技術沉積一具有一工5 丁、来厚薄臈切層。測試該所沉财層之拉曼散射以檢查該梦層 内之應變。結果，經發現财層所含應魏乎是理論量。因此， 所製應變⑪晶u之品質甚佳。 刻將該試樣再施以橫斷面透射型電子顯微鏡觀察及選擇性蝕 〜果該項觀察在形成最上表層之應變矽層内及位於其下方 鍺層内均未發現因不適當連接所產生之可辨識位錯。經發現 22 1295502 該試樣之貫穿位錯密度分別為9Χ104個/平方公分。 實施例3 : 在一蒸汽環境中及1200°C溫度下，將來自實施例工内無位 錯If況下所生長晶體1至4之晶圓加以氧化，歷時2小時。所形 成之薄膜，其厚度為G · 9微米。在上述囉情況下，將該等崎， 施以氧離子植人及熱處理，俾形成—掩埋式氧化物賴。隨後， 將掩埋式氧化物薄狀晶體層減薄至25奈米。在減薄該薄膜之過 程中氧化作用之溫度與實施例：L者相同。用氫氟酸將所形成之氧鲁 化物薄膜移除之後，藉助於二次離子質譜儀測試每個試樣sg〇工 層内之鍺濃度。所得結果如表4所示。 結果，經發現由晶體1、2及3所製試樣IB、2B及3B之錄 濃度頗為不足，而自晶體4所製試樣4B則可獲致具有足夠高鍺濃 度之矽-鍺層。濃度之起伏上下在5%以内。薄膜厚度之起伏上下 為2·4%，而且最大及最小薄膜厚度之差為〇·6奈米（合格量）。 若以實施例1同樣之方式測試該等試樣之表面粗度，經發現肇 均方根值為1·5奈米。 隨後，於試樣4Β上，藉蒸氣相沉積技術沉積一具有一 15 奈米厚薄膜之矽層。測試該所沉積矽層之拉曼散射以檢查該梦層 内之應變。結果’經發現該梦層所含應變幾乎是理論量。因此， 可製造一品質甚佳之應變矽晶圓。 再者，將該試樣施以表面透射型電子顯微鏡觀察及選擇性钮 23 1295502 刻。結果，該項觀察在形成最上表層之應變矽層内及位於其下方 之梦-鍺層内均未發現因不適當連接所產生之可辨識位錯。經發現. 該試樣之貫穿位錯密度分別為3xl04個/平方公分。 比較例1 : 於一蒸汽環境中，在13S0t：溫度下，將來自實施例工同樣 晶體1至4之晶圓加以氧化，歷時8小時。如此形成之氧化物薄 、之厚度為2 ·4微米。將該等試樣施以氧離子植入及熱處理以形 成一掩埋式氧化㈣膜。隨後，將該掩埋式氧化物薄膜減薄至25⑩ 奈米。該氧化作用之溫度係設定在iSOOt。藉助於二次離子質譜 儀測試每個試樣SG〇I層内之鍺濃度。所得結果如表5所示。 結果，雖然所用之溫度及時間比實施例2者更高及更長，經 發現錯之凝結絲卻低。此項低絲之理由是：由於溫度太高， 鍺之擴散速率足夠高以形成完美擴散作用及基片内鍺之消失。 比較例2 : 在—蒸汽環境中及l25〇°C溫度下，將來自實施例丄内無位書 清;兄下所生長晶體1至4之晶圓加以氧化，歷時2〇分鐘。所 、氣化物薄膜，其厚度為0 ·4微米。在上述同樣情況下，將 該等試樣施以氧離子植入及熱處理，俾形成一掩埋式氧化物薄 膜隨诶’將該掩埋式氧化物薄薄膜上之晶體層減薄至25奈米。 該氧化作用之溫度係設定在l2〇〇°C。將所形成氧化物薄膜移除之 隻藉助於二次離子質譜儀測試每個試樣ISGOI層内之鍺濃度。 24 1295502 所得結果如表6所示。 結果，所有試樣所得者均係不足之錄濃度。此乃由於氧化作 用之時間過短而且鍺之凝結效果較弱。若拉晶過程中鍺濃度低， 氧化作用時間必須予以加長。 比較例3 : 在-蒸汽環境中及85〇。〇溫度下，將來自實施例i内無位錯 情況下所生長晶體1至4之晶圓加以氧化，歷時4小時。所形成 之氧化物薄膜，其厚度為0·3微米。在上述同樣情況下，將該等鲁 試樣施以氧離子植入及熱處理，俾形成一掩埋式氧化物薄膜。隨 後’將該掩埋式氧化物薄膜上之晶體層減薄至Μ奈米。·該氧化作 用之溫度係設定在l2〇(rC。藉助於二次離子f譜儀職每個試樣 SGOI層内之鍺濃度。所得結果如表7所示。 結果，所有試樣所得者均係不足之鍺濃度。此乃由於氧化作 用之溫度過低及錯之凝結效果較弱。若拉晶過程中錄濃度低，氧 化作用之溫度必須提高。 麵 比較例4 : 在乾氧環境中及12〇〇 C溫度下，將來自實施例工内無位 錯情況下所生長晶體i至4之晶圓加以氧化，歷時工小時。所形 成之氧化物薄膜’其厚度為〇·2微米。在上述同樣情況下，將該 等試樣施魏離子植人及祕理，俾形成—掩埋式氧化物薄膜。 隨後’將該掩埋式氧化物薄膜上之晶體層減薄至Μ奈米。該氧化 25 I295502 作用之溫度係設定在。藉助於二次離子質譜儀測試每個試 樣SGOI層内之鍺濃度。所得結果如表8所示。 結果’所有試樣所得者均係不足之鍺濃度。此乃由於與鍺擴 散速率相較，在乾氧環境中之氧化作用速率太低。 比較例5 ·· 於一蒸汽環境中、在1250°C溫度下，將來自如實施例1至 5内無位錯情況下所生長晶體1至3之晶圓加以氧化，歷時2小 時。所形成之氧化物薄膜，其厚度為10微米。在上述同樣情況 下，將該等試樣施以氧離子植入及熱處理，俾形成一掩埋式氧化 物薄膜。隨後，將該掩埋式氧化物薄膜上之晶體層減薄至奈 米。若係來自晶體5之晶圓，氧化作用溫度為12〇〇。〇，若係來自 晶體6及7之晶圓，則為11〇〇cc。藉助於二次離子質譜學之方 法測試每個試樣SG0I層内之鍺濃度。所得結果如表9所示。 結果，所有試樣所具有之鍺濃度效果不足。此乃由於最終完 成之晶體層之厚度過大，因而濃度之效果均不充足。 實施例4 : 將來自實施例1内所生長晶體3及4之晶圓施以氧離子植入 及熱處理，俾形成一掩埋式氧化物薄膜。在本實施例中，氧離子 植入前之氧化作用處理及移除氧化物薄膜之操作均未實施。隨 後’藉氧化作用將掩埋式氧化物薄膜上之晶體層減薄至10奈米。 該氧化作用之溫度係設定在ll〇〇°C。用氫氟酸移除該所形成之氧 26 1295502

個試樣SGOI 物薄臈之後，藉助於二次離子質譜學之方法測試每 層内之職度。所得結果如表1〇所示。 結果’若拉晶過程中錄濃度高，在氧離子植入之前無需實施 可氧化作用可製得具有足夠高鍺滚度之SGOI層。 實施例5 : 曰在一蒸汽環境中及1150°c溫度下，將來自實施例χ内所生 長晶體5之晶圓加以氧化，歷時16小時。如實施例丄，該形成之 氧化物薄膜，其厚度為3.1微米。隨後，將該試樣施以低劑量· 加工並藉ΙΤοχ法將掩埋式氧化物薄膜上之晶體層減薄至 5奈米。當測試該試樣減薄晶體層内鍺濃度時，經發現該濃度為 9 9名。該表面氧化物薄膜經钱刻後，藉蒸氣相沉積技術在其上面沉 積一 〇·2微米厚之鍺薄膜。隨後將該試樣施以橫斷面透射式電子 顯微鏡觀察㈣定結晶性，經發現該單晶體可加生長而不產生位 錯〇

表1 η---- 晶體1 晶體2 晶體3 晶體4 晶體5 生長直後 一 之鍺濃度 0.04% 0.3% 0.7% 1.2% 5.2% 生長直後 —— 位錯之出現 L ---—_____ 否 ——__ 否 否 否 是 27 1295502 表2 實施例1 氧化作用 前之情況 蒸汽環境，1150°C，16小時 原有晶體 晶體1 晶體2 晶體3 晶體4 試樣名稱 試樣1A 試樣2A 試樣3A 試樣4A 32奈米SGOI層 内之鍺濃度 1.1% 8.9% 19.5% 32.0% 表3 實施例2 氧化作用 前之情況 蒸汽環境，1150°C，16小時 原有晶體 晶體1 晶體2 晶體3 晶體4 試樣名稱 試樣1A# 試樣2A〃 試樣3A7 試樣4A# 25奈米SGOI層 内之鍺濃度 1.3% 11.7% 26.2% 43.1% 1295502 表4 實施例3 氧化作用 前之情況 蒸汽環境，1200°C，2小時 原有晶體 晶體1 晶體2 晶體3 晶體4 試樣名稱 試樣1B 試樣2B 試樣3B 試樣4B 25奈米SGO工層 内之鍺濃度 0.5% 4.0% 9.1% 15.5% 表5 比較例1 氧化作用 前之情況 蒸汽環境，1350°C，8小時 原有晶體 晶體1 晶體2 晶體3 晶體4 試樣名稱 試樣1C 試樣2C 試樣3C 試樣4C 25奈米SGOI層 内之鍺濃度 0.4% 2.7% 6.9% 11.3% ‘2 9 1295502 表6 比較例2 氧化作用 前之情況 蒸汽環境，1250°C，20分鐘 原有晶體 晶體1 晶體2 晶體3 晶體4 試樣名稱 試樣1D 試樣2D 試樣3D 試樣4D 25奈米SGO工層 内之鍺濃度 0.4% 2.9% 6.9% 12.1% 表7 比較例3 氧化作用 前之情況 蒸汽環境，850°C，4小時 原有晶體 晶體1 晶體2 晶體3 晶體4 試樣名稱 試樣1E 試樣2E 試樣3E 試樣4E 25奈米SGOI層 内之鍺濃度 0.4% 2.6% 6.4% 11.7% 1295502 表8 比較例4 氧化作用 前之情況 蒸汽環境，1200°C，1小時 原有晶體 晶體1 晶體2 晶體3 晶體4 試樣名稱 試樣1F 試樣2F 試樣3F 試樣4F 25奈米SGO工層 内之鍺濃度 0.3% 2.3% 4.3% 5.3% 表9 比較例5 氧化作用 前之情況 蒸汽環境，1250°C，2小時 原有晶體 晶體1 晶體2 晶體3 晶體4 試樣名稱 試樣1G 試樣2G 試樣3G 試樣4G 70奈米SGO工層 内之鍺濃度 0.2% 1.3% 2.9% 5.5% 1295502 表ίο 實施例4 原有晶體 晶體3 晶體4 試樣名稱 試樣3H 試樣4H 10奈米SGOI層 内之鍺濃度 19% 32% 32 1295502 【圖式簡單說明】 本申請案無圖式。

Claims (1)

1. 專利範圍替換本(96年8月） 十、申請專利範圍： 種半導體基片，其包括： 一摻有鍺之矽單晶體基片，其係由一摻有鍺之單晶 體旋加工而成且具有一平面表面； 一絕緣氧化物薄膜，其係形成於該平面表面下並將 "亥單晶體基片分為一由一第一層摻有鍺之石夕層（其 具〇.〇5莫耳％至5莫耳。/。之鍺濃度）所組成之基片、 第二層絕緣氧化物層及一第三層摻有鍺之矽層， 該第三層具不低於99莫耳％之鍺濃度及介於1奈米 與5〇奈米間（含端點值）之厚度。 2·如明求項1之半導體基片，其中該第一層之鍺濃度在0.2 莫耳/〇至1莫耳％之範圍内，以石夕與鍺之莫耳數計。 3.如巧求項1之半導體基片，其中該第二絕緣氧化物層係 氧化秒。 其中e亥第一絕緣氧化物層之 4.如請求項1之半導體基片 厚度係80奈米或更厚。 曰曰 5· 士明求項1之半導體基片，其中該第三層係一單晶體 6·如請求们之半導體基片，其中該第一層不含於石夕單 體生長期間所形成之小空心缺陷（COP)。 7•如明求項1之半導體基片，其中該第三層不含CQP。 8.如=求項！之半導體基片，其中到達該第三層表面。之七 錯费度不超過lxl〇5個/平方公分。 9·如請求項！之半導體基片，其中 4〇^ # θ <粗糙度在40: 4〇k未上不超過5奈米均方根值。 1295502 ι〇·如請求項！之半導體基片，其中該 7L ^ χ —增厚度之起伏轡 化不超過5%或不超過2·5奈米。 又之t尺文 U·如請求W之半導體基片’其中 伏變化不超過5%。 1之鍺濃度之起 12.如請求項1之半導體基片 二層處形成之應變石夕層 13·如請求項1之半導體基片 二層處形成之鍺層。 14.如請求項1之半導體基片 體（MOS)裝置 其進一步包八 匕s —鄰接於該第 其進一步句人 匕含一鄰接於該第 其係用於-金屬氧化物半導 15.〜種用以製造半導體基片之方法， a提供一自具第一鍺濃度之摻有鍺之 曰 而得之晶圓； 夕早日日體錠加工 b)藉離子植入法及熱處理將氧 ,,,L ^ 八該晶圓以形成 一掩埋式氧化物薄膜，該掩埋式 办成 “―由該掩埋式氧化物薄膜下之第—層（其且〇〇5 莫耳％至5莫耳％之鍺漠度）所組成之基材、—由該掩 埋式氧化物薄膜所組成之第二層及一該掩埋式氧化 薄膜上之第三層；以及 )於氧化壞境内藉熱氧化作用使該第三層變帛，以提 阿4第二層之鍺濃度達到高於該第一濃度之第二濃 度。 16·如請求項15之方法，其中於牛 " 丹Tv驟b)之刚，在一氧化環境 升/皿下’將該晶圓加以氧化以提高該晶圓表面附近的 1295502 鍺濃度，接著移除因而形成之氧化物薄膜。 17·如請求項16之方法，其中該氧化環境包含水蒸氣，該升 咖係自900至該晶圓之熔點，且該進行氧化作用之時 間係不低於30分鐘。 8·如明求項16之方法，其中該氧化物薄膜之厚度為^微米 或更厚。 明求項15之方法，其中該第一層之鍺濃度係〇2莫耳％ 至1莫耳％。 士明求項15之方法，其進一步包含藉蒸氣相沉積法沉積 一應變矽薄膜於該第三層上。 士明求項1 5之方法，其進—步包含藉蒸氣相沉積法沉積 一錯薄犋於該第三層上。 、