TWI309862B - Method of measuring crystal defects in thin si/sige bilayers - Google Patents

Description

1309862 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（S0I)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他石夕鍺層以及任何其他石夕⑼ 錯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。在本中請案中通篇使用 術^矽/矽鍺雙層"來描述具有具有位於矽鍺層頂上之矽層 的結構。詳言之，精確判定在鬆弛矽鍺層上之薄應變矽層 内的晶體缺陷密度從應變矽材料顯影以及現有應變矽材料 之》平饧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 圖透射電子顯微法（PV-TEM)可用以測量低至每平方公分大 約Ι0δ個至ίο5個缺陷之缺陷密度。然而，因為成像面積較 J 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 貝的電子微觀設備及有資格的人員來操作工具。 在化學缺陷餘刻中，由蝕刻劑不斷地移除晶體的表面， 該姓刻劑在（或接近）晶體缺陷處與無缺陷區域相比具有更 95505.doc 1309862 高的蝕刻速率。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1}及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（S0I)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Secco (F· Secc〇 d，Arag〇na， J. Electrochem. Soc，v〇l. 119 no. 7 1972 p 948)缺陷蝕刻劑 之方法--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 A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S0I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（undercuUing)來，裝飾， 蝕刻坑之方法。 基於矽鍺材料之化學缺陷蝕刻的問題在於，大多數可用 触刻劑（諸如 Secc。、Shimmel (D· G. SMmmei，l

Soc·’ vol· i26 no· 3 1979 p· 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 的蚀刻_财鍺比_㈣得多，且㈣速率隨錯含量 增加而增加。由於石夕鍺中之此降低的缺陷選擇性，先前技 術之缺陷姑刻技術是不可靠的，對於超薄石夕錯層（大約⑽讓 95505.doc !3〇9862 左右或更少）之情形而言尤其如此。 由於與使用電子顯微法之先前括 引技術的技術相關聯之問題 或在矽/矽鍺雙層中判定缺陷密度 厌疋可罪的化學钱刻技術 的缺乏，需要提供一種描繪在石夕/ / 7錆雙層中之晶體缺陷 之新穎且改良的方法。 【發明内容】 本發明係關於-種用以讀在形成；^鍺合金層上之石夕 層中之晶體缺陷之方法。本發明性方法首先使用一在石夕令 具有高缺陷選擇性之缺陷银刻劑。钱刻石夕直至允許與下層 _鍺層接觸之缺陷坑形成的厚度。_ ’使用可盘缺^ 敍刻劑相同或不同之第二_劑來料在缺陷坑下之石夕、錯 層而保持上面的矽完整無缺。在一些實施例中，第一缺产 敍_自身亦可同時充切錯裝飾。本發明之方法可^ 在數里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他石夕鍺層以及任何其他 :/石夕鍺膜系統之上的應變石夕層中測量晶體缺陷。…石夕錯 雙層可位於石夕基板（或晶圓）或m緣體切（s叫之基板 的頂上。該方法可用以在⑪々鍺雙層中測量結晶缺^， 其令砂層為具有大約_細左右或更小厚度的應變層，且 石夕錯層為具有大約1()_腿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。Λ 廣義上，本發明提供一種用以描繪（意即判定）在位於矽 鍺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蝕刻劑來蝕刻 95505.doc 1309862 包括位於矽鍺合金層上之 ^ ^ ^ ^ ^ 7 s 切層t形成至少 與矽鍺合金層接觸之坑缺陷；及 第=用與第-触刻相同或不同之触刻劑 :=:使—_少-一 根據本發明，第一银 如妒㈣·】·餘亥】步驟使用在矽中非常快地蝕刻諸 曰1S 〇Catl〇n)及疊差（stacking fault)之缺陷而較押士 钱刻無缺陷秒的缺陷钱刻劑。 缺一慢地 ^第二㈣步驟中使用相隨_之實施例中，石夕❹ 很快被侵蝕並發生潛蝕。本發明之 曰 我裝飾”，因為用於在石夕層中…㈣ 稱為"自 對彻進行潛敍。 7 “缺…刻劑亦用以 在本發明之另-實施例中’利用與用於在㈣中形 之缺陷钮刻劑不同的钱刻劑來執行第二㈣步驟。： 發明之此實施例t，使職刻料比_衫快的敍刻 ^意即’在本發明之此實施例中使用切中具有高選擇 性的蝕刻劑。 俘 在執行第-及第二姓刻步驟之後，在光學顯微鏡下掃描 ^虫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姓之兹刻坑的數目 並將缺陷密度報告為該等被潛钮之缺陷的數目除以被分析 之區域的面積（單位為cm2)。 【實施方式】 現在將參看隨附太φ ^j 町丰甲1案之圖式更加詳細地描述本發 95505.doc I3〇9862 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1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層已被用於形成矽鍺層。 利用熟習此項技術者所熟知之方法來形成圖i中所示之 初始結構10。舉例而言，藉由首先在基板12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 10在此貝把例中，利用蟲晶生長方法可生長石夕錯層14 ’ 该方法包括（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)、 分子束磊晶法（MBE)或電漿增強化學汽相沈積（pECVD)。 矽鍺層14之厚度可視用於形成相同層之磊晶生長方法而 改變。然而，矽鍺層14通常具有約1〇 nm至約1〇〇〇〇 nm之 厚度，約10 nm至約5000 nm之厚度為更佳。矽鍺層14可為 非氣、弛層，或者若矽鍺層14較厚（約丨微米至約微米左 右）’則該矽鍺層可為鬆弛層。 矽鍺合金層14包括包含高達99.99原子％的鍺之矽鍺材 料。較佳地，本發明之矽鍺合金層具有約5原子％至約Μ; 原子。/。的鍺含量，約i〇原子％至約5〇原子％的鍺含量為更 95505.doc 1309862 佳。 利用習知磊晶生長方法可在矽鍺層14頂上形成矽層16， 其中諸如矽烷或二氣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。在石夕錄 合金層為鬆弛層的情況下，矽層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”之共同申請且共同讓渡之美國專利申請 案第10/055,138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"^. 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，，H、igh-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· 1309862 高通道電子遷移率之異質結構。 包括石夕/矽鍺雙層之結構隨後經受第一蝕刻步驟β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 包括氧化劑及氧化物蝕刻劑，諸如fjF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HF與1份重鉻酸鉀溶液 (<)·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1〇秒至約1〇〇〇秒之時間週期。 4時間週期為⑦厚度以及缺陷#刻劑之㈣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 使用稀釋的鉻輯溶液來㈣樣品。 如圖2中所示，本發明之第一蝕刻步驟在矽層μ中形成 複數個缺陷坑18。視珍層16之厚度而^，—些缺陷坑^向 下延伸至石夕鍺層14。因而，—些坑缺陷18與下層的石夕錯層 95505.doc 1309862 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之下的矽鍺層14中提供潛蝕。例如，在圖3中展示了執 打第二蝕刻步驟之後的生成結構。在此圖中，參考數字22 表示潛蚀區域。 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 Λ左右或更小），使用一種替代方 法在與石夕錯層接觸的坑缺陷之下的矽鍺層中提供潛蝕。在 本發明之此第二實施例中’使用與以上使用的缺陷蝕刻劑 相比不同的化學蝕刻劑來提供潛蝕。詳言之，本發明之第 二實施例中使用之蝕刻劑為以比蝕刻矽更快的速率蝕刻矽 鍺之任何蝕刻劑。 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（ΗΗΑ)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 刻劑種，使用HHA混合物為極佳，因為此蝕刻劑中石夕錯之 触刻速率比石夕高幾個數量級而對石夕的絕對钮刻速率非常低 (<1 A/min)。此允許HAA混合物用作裝飾蝕刻；其保持石夕 完整無缺而對曝露的矽鍺進行強烈的潛蝕。

V 根據本發明，在室溫或由室溫（30°C或更低）些微提高的 95505.doc •12· 1309862 溫度下進行第，步驟w秒至約1〇〇〇秒之時間週期。 該時間週期為用於本發明之此步驟中之㈣劑的钱刻速率 的函數。 在二ί月况下，可在第一與第二敍刻步驟之間執行漂洗 步驟及可選的乾燥㈣。當使用漂洗步料，漂洗溶液通 常為蒸餾水或去離子水。可在本發明中使用之漂洗溶液的 其他類型包括’但不限於：錢（諸如己燒或庚烧）、嗣類 或醇類。乾燥可在空氣中、在惰性環境中、在烘箱中、或 在真空中執行。 在上文所提及之兩個實施例之任—個中，實務上難以正 好在最適宜的料度處停止㈣過程。—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 樣品底部處的石夕被完全姓刻（直至石夕錯）而頂部處的全部石夕 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 设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 1309862 然後，在光學顯微鏡（或者甚至原子力顯微鏡）下掃描圖 3,所不之蝕刻結構以識別缺陷坑已被潛蝕之區域(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 目並將缺陷密度報告為該等被潛狀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触刻後的150 A石夕/350 A 矽鍺/1400 A二氧化矽/矽基板結構之實際光學顯微圖 (Nomarski對比度）。影像寬度為％叫。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 近为級蝕刻輪廓中的矽/矽鍺介面的區域處取得。 雖然已關於本發明之較佳實施例明確地展示並描述了本 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•及精神。因此，希望 本發月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^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。 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疋在使用本發明之方法進行缺陷餘刻後的⑽人石夕/ A石夕鍺/1400 A一氧化石夕/石夕基板結構之缺陷姓刻光學顯 微圖（N_rski對比度）。影像寬度為86㈣。 95505.doc -14- 1309862 【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 潛钱區域 95505.doc

Claims (1)

1309862 十、申請專利範圍： 1 · 種用以描緣在一矽/矽鍺雙層結構中的晶體缺陷之方 法’其包含以下步驟： 二人用一在石夕中具有缺陷選擇性的缺陷蝕刻劑來蝕 刻一包括—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；及 第一次用與該初次蝕刻相同或不同之蝕刻劑來蝕刻包 吝〃亥至jz 一坑缺陷之該結構，使得該第二次触刻對該至 少一坑缺陷下的該矽鍺層進行潛蝕。 2. 如凊求項1之方法，其中由磊晶形成該矽層，且由磊晶 形成該矽鍺合金層。 3. 如响求項1之方法，其中該矽層為一應變層，且該矽鍺 合金層為一鬆弛層。 4. 如請求項3之方法，其中該應變層具有約1〇〇 nm或更小 之厚度，且該鬆弛層具有自約10000 nm*更小之厚度。 5·如請求項丨之方法’其中在一絕緣體上矽基板之一埋藏 的絕緣體層之頂上形成該矽鍺合金層時係使用—熱混合 過程。 6_如請求項1之方法，其中該矽鍺合金層包含高達99.99原 子％的鍺。 7. 如請求項1之方法，其中係在一基板頂上形成該矽鍺合 金層。 8, 如請求項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 1309862 •如請求項1之方法，其中該缺陷蝕刻劑包含一 HF與重鉻 酉文鉀之混合物；一HF、重鉻酸鉀與蒸餾水之混合物；一 1^?與三氧化鉻之混合物；或一 HF、三氧化鉻與蒸餾水 之混合物。 10. 如請求項i之方法，其中該缺陷蝕刻劑包含2份1^1?及1份 〇· 15 μ重鉻酸鉀溶液及6份去離子水。 11. 如凊求項1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。 12. 如請求項1之方法，其中係使用一分級蝕刻方法來執行 該初次|虫刻。 13. 如請求項丨之方法，其中該第二次蝕刻使用與該第一次 姑刻相同之蝕刻劑。 如請求項丨之方法，其令該缺陷蝕刻劑及該第二次蝕刻 中之該蝕刻劑二者均由2份H F及1份重鉻酸鉀溶液及6份 去離子水組成。 1 5 _如明求項1之方法，其中係使用一與該缺陷蝕刻劑不同 之蝕刻劑來執行該第二次蝕刻，該不同蝕刻劑以比蝕刻 石夕更快之一速率触刻石夕鍺。 16. 如明求項15之方法，其中該不同蝕刻劑包含HF/H2〇2/乙 酸或硝醆/HF。 17. 如β求項15之方法，其中該不同蝕刻劑包含丨份Ηρ/2份 H2〇2/及3份乙酸。 18. 如研求項1之方法，其進一步包含一在該第一次蝕刻步 驟及該第二次蝕刻步驟之間的漂洗步驟。 95505.doc -2- 1309862 19. :唄求項1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，敍之區域，並基於被_之坑缺陷總數除以面積 來計算缺陷密度。 20. -種在-石夕/石夕鍺雙層結構中測量晶體缺陷之方法，其包 含： 第-次用-在石夕中具有缺陷選擇性的缺陷银刻劑來姓 刻一包括-位於-料合金層上之㈣的結構以在該石夕 層中形成與該矽鍺合金層接觸之至少一坑缺陷； 第二次用與該初次敍刻相同或不同之钱刻劑來餘刻包 含該至少-坑缺陷之該結構，使得該第二次㈣對該至 少一坑缺陷下的該矽鍺層進行潛蝕；及 在一顯微鏡下掃描該㈣刻結構以識㈣至少一坑缺, 陷被㈣之-區域並從缺㈣度的角度計算缺陷數目。 95505.doc