专利名称：测量薄的si/sige双层中的晶体缺陷的方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件制造，更具体地，涉及确定形成在SiGe合金层上的Si层中的晶体缺陷。此处所描述的方法可用于形成在体Si衬底、或基于绝缘体上硅(SOI)的衬底顶上的Si/SiGe双层。本发明的方法可用于测量生长在弛豫SiGe层上的应变Si层以及任何其它Si/SiGe膜系统中的缺陷密度。
背景技术：
用于开发和评价高质量Si/SiGe双层的重要工具是确定层中缺陷密度的可靠方法。术语“Si/SiGe双层”用于整个本申请中描述在SiGe层顶上具有Si层的结构。特别是，精确确定弛豫SiGe层上的薄应变Si层中的晶体缺陷密度在应变Si材料的开发以及已有的应变Si材料的评价两个方面都是重要的。当前用于量化晶体缺陷密度的方法包括，例如，电子显微镜和化学腐蚀。
电子显微镜可用于可靠测量缺陷密度(和特性)。俯视透射电子显微镜(PV-TEM)可用来测量低至大约每平方厘米106至105个缺陷的缺陷密度。然而，由于成像面积小，使用这种技术无法测量更低的缺陷密度。PV-TEM分析的其它限制因素有费时麻烦的样品制备，需要昂贵的电子显微设备和合格的人员来操作这一工具。
在化学缺陷腐蚀中，用腐蚀剂连续除去晶体的表面，这种腐蚀剂在缺陷处或附近具有比无缺陷区中更快的腐蚀速率。结果就是可在显微镜下检查表面台阶或腐蚀坑的发展，以确定缺陷密度。这一现有技术方法依赖于1)缺陷区与无缺陷区之间腐蚀速率的差别，以及2)除去足够多的材料以产生具有足够反差的表面台阶以在显微镜下进行观测。上述1)和2)项是相关的，也就是说，如果腐蚀速率差较大，则可以除去较少的材料以得到相同的表面反差。
用于评价绝缘体上硅(SOI)衬底的一种现有技术化学缺陷腐蚀方法使用稀释Secco(F.Secco d’Aragona，J.Electrochem.Soc.，vol.119 no.7 1972 p.948)缺陷腐蚀剂——Secco腐蚀剂是重铬酸钾、氢氟酸(HF)和蒸馏水的混合物。该缺陷腐蚀剂用于将SOI层(从500埃或更厚)减薄至几百埃，并生成达到掩埋氧化物层的表面坑。随后在氢氟酸中的浸泡留下完整的SOI层，但是穿过腐蚀坑并腐蚀该区域中的掩埋氧化物。结果就是这样的方法通过下切足够的掩埋氧化物以使得能用显微镜观察而“点缀(decorate)”腐蚀坑。
SiGe基材料的化学缺陷腐蚀的问题在于对于大多数已有的腐蚀剂——例如Secco、Shimmel(D.G.Shimmel，J.Electrochem.Soc.，vol.126 no.3 1979 p.479)等——来说缺陷腐蚀选择性太差(缺陷腐蚀速率-材料腐蚀速率)。大多数基于氧化作用的腐蚀剂腐蚀SiGe比腐蚀Si快得多，并且腐蚀速率随着Ge含量的增大而增大。由于SiGe中这一降低的缺陷选择性，现有技术的缺陷腐蚀技术是不可靠的，对于超薄SiGe层(大约100nm量级或更薄)的情形来说尤其如此。
考虑到使用电子显微镜的现有技术所具有的问题或缺少可靠的化学腐蚀技术来确定Si/SiGe双层中的缺陷密度，需要给出一种新的改善的方法来刻画Si/SiGe双层中的晶体缺陷。
发明内容
本发明涉及用于刻画在SiGe合金层上形成的Si层中的晶体缺陷。所发明的方法首先使用对Si具有高的缺陷选择性的缺陷腐蚀剂。Si被腐蚀至能形成缺陷坑——这些缺陷坑与下层SiGe层接触——的厚度。然后使用第二腐蚀剂，它可以与缺陷腐蚀剂相同或不同，第二腐蚀剂腐蚀缺陷坑下的SiGe层而保持上层Si层完整。在某些实施方案中，第一缺陷腐蚀剂本身也可同时用作SiGe点缀(decoration)。本发明的方法可用于定量且精确地测量任意量级的晶体缺陷密度。
本发明的方法可用于测量生长在弛豫SiGe层上的应变Si层中的以及任何其它Si/SiGe膜系统中的晶体缺陷。Si/SiGe双层可位于Si衬底(或晶片)、或绝缘体上Si(SOI)基衬底的顶上。该方法可用于测量Si/SiGe双层中的晶体缺陷，其中Si层为应变层，厚度在大约100nm的量级或更低，SiGe层为弛豫层，厚度从大约10000nm的量级或更低。除了上面提到的范围之外，本发明的方法还对其它厚度范围起作用。
从更广的范围来说，本发明给出用于刻画，即确定，位于SiGe层顶上的Si层中的晶体缺陷的方法，该方法包含下列步骤用对Si具有缺陷选择性的缺陷腐蚀剂来第一腐蚀在SiGe合金层上具有Si层的结构，以在Si层中形成至少一个与SiGe合金层接触的坑缺陷；以及用与第一腐蚀相同或不同的腐蚀剂来第二腐蚀含有该至少一个坑缺陷的结构，从而第二腐蚀下切该至少一个坑缺陷下方的SiGe层。
根据本发明，第一腐蚀步骤使用的腐蚀剂非常快地腐蚀Si中的缺陷，例如位错和堆垛层错，而腐蚀无缺陷Si则要慢得多。
在第二腐蚀步骤中使用相同腐蚀剂的实施方案中，SiGe层被迅速腐蚀并发生下切。本发明的这一实施方案可称作“自点缀”，因为用于在Si层中形成坑缺陷的腐蚀剂也用来下切SiGe层。
在本发明另一实施方案中，利用与在Si层中形成坑缺陷的缺陷腐蚀剂不同的腐蚀剂来进行第二腐蚀步骤。在本发明这一实施方案中，使用了腐蚀SiGe比腐蚀Si更快的腐蚀剂。也就是，在本发明这一实施方案中，使用了对Si有高度选择性的腐蚀剂。
在进行了第一和第二腐蚀步骤之后，将已腐蚀的结构放在光学显微镜下扫描以识别缺陷坑被下切了的区域(或多个区域)。然后确定给定区域中被下切了的腐蚀坑的数目，这些下切缺陷的数目除以所分析的区域的面积(单位cm2)作为缺陷密度。
图1为一图示，示出可用于本发明中的初始结构。
图2为一图示，示出本发明用于确定图1所示的初始结构中的晶体缺陷密度的第一步骤。
图3为一图示，示出本发明用于确定图2所示的结构中的晶体缺陷密度的第二步骤。
图4为150埃Si/350埃SiGe/1400埃SiO2/Si衬底结构在使用本发明的方法进行缺陷腐蚀之后的光学显微照片(Nomarski反差)。图片宽度为86μm。
具体实施例方式
将参考本申请的附图更详细地描述本发明，它给出用于刻画Si/SiGe双层中的晶体缺陷的方法。在附图中，相同和相当的元素用相同的参考号来表示。
首先参看本发明图1所示的初始结构。初始结构10至少包括位于SiGe层14顶上的Si层16。初始结构10还包括位于SiGe层14下方的衬底12。衬底12可包括体Si衬底或任何其它半导体衬底以及绝缘体上硅(SOI)衬底的掩埋绝缘区和底部半导体层；SOI衬底的顶部SOI层已用于SiGe层的形成中。
图1所示的初始结构10利用本领域技术人员所熟知的方法来形成。例如，初始结构10可通过下述方法来形成首先在衬底12顶上生长SiGe层14，然后在SiGe层14顶上生长Si层16。在这样的实施方案中，SiGe层14可利用外延生长方法来生长，这些方法包括，例如，低压化学气相沉积(LCVD)、超高真空化学气相沉积(UHVCVD)、常压化学气相沉积(APCVD)、分子束外延(MBE)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
SiGe层14的厚度可根据形成它的外延生长方法而变化。然而，通常，SiGe层14具有从大约10至大约10000nm的厚度，更优选大约10至大约5000nm的厚度。SiGe层14可以是非弛豫层，或者，如果SiGe层14较厚(在大约1至大约10微米量级)的话，SiGe层可以是弛豫层。
SiGe合金层14包括含有高达99.99原子百分比的Ge的SiGe材料。优选地，本发明的SiGe合金层具有从大约5至大约99.9原子百分比的Ge含量，更优选从大约10至大约50原子百分比的Ge含量。
Si层16利用传统外延生长方法形成在SiGe层14顶上，其中使用含Si气体——例如硅烷或二氯甲硅烷——作为生长Si的源。epi-Si层——即层16——的厚度可以变化，但是通常，Si层16具有从大约1至大约100nm的厚度，更优选大约1至大约50nm的厚度。在SiGe合金层是弛豫的情形中，Si层16为张应变层。
图1所示的结构还可使用下述文献中公开的方法来形成，例如，2002年1月23日提交的题为“制作高质量弛豫绝缘体上SiGe用于应变Si CMOS应用的方法(Method of Creating High-Quality RelaxedSiGe-on-Insulator for Strained Si CMOS Applications)”的共同未决和共同转让U.S.专利申请系列No.10/055,138；2002年7月16日提交的题为“使用氢注入以改善热扩散制作的绝缘体上硅锗材料的材料特性(Use of Hydrogen Implantation to Improve Material Propertiesof Silicon-Germanium-On-Insulator Material Made by ThermalDiffusion)”的共同未决和共同转让U.S.专利申请系列No.10/196,611；以及2003年5月30日提出的题为“在合金熔点温度附近氧化得到的高质量SGOI(High-Quality SGOI By Oxidation Near TheAlloy Melting Temperature)”的共同未决和共同转让U.S.专利申请系列No.10/448,948。前述U.S.专利申请中每一篇的所有内容都在此引入作为参考。注意，在这些申请中，在SOI衬底的掩埋绝缘层上形成弛豫SiGe层中使用了热混合步骤。
除了上述特定方法之外，图1所示的初始结构可利用任何其它能够形成Si/SiGe双层结构的方法来形成。如上所述，Si层可以是应变的或非应变的，SiGe层可以是弛豫的或非弛豫的。应变Si/弛豫SiGe双层是能够获得高的沟道电子迁移率的异质结构。
然后将包括Si/SiGe双层的结构进行第一腐蚀步骤。用于本发明中的第一腐蚀步骤包括使用对Si具有非常高的缺陷选择性的缺陷腐蚀剂。用于本发明中的缺陷腐蚀剂通常包括氧化剂和氧化物腐蚀剂，例如HF酸。可用于本发明中的缺陷腐蚀剂的说明性实施例包括，但不局限于2份HF和1份重铬酸钾溶液(0.15M)(Secco)的混合物，可选地用水稀释以控制腐蚀速率；或者2份HF和1份三氧化铬(1M)的混合物，可选地用水稀释(Shimmel)；或者任何其它腐蚀有缺陷的晶体Si区域比腐蚀无缺陷的Si更快的化学混合物。
在上述各种缺陷腐蚀剂中，高度优选以等体积水稀释的2∶1 HF∶重铬酸钾(0.15M)溶液。通常，使用六份去离子水。用于本发明这一步骤中的缺陷腐蚀剂腐蚀位错和堆垛层错缺陷的速率比腐蚀无缺陷Si要快得多。
根据本发明，第一腐蚀步骤在室温或稍高于室温的温度(30℃或更低)下进行，进行的时间段从大约10至大约1000秒。该时间段是Si厚度以及缺陷腐蚀剂腐蚀速率的函数，因此它可以稍微偏离上面给出的范围。
在进行本发明第一腐蚀步骤之后形成的所得结构示于，例如，图2中。注意，在图2中，使用稀释2∶1 HF-重铬酸钾溶液以线性“楔形”轮廓腐蚀样品。
如图2所示，本发明的第一腐蚀步骤在Si层16中形成许多缺陷坑18。取决于Si层16的厚度，缺陷坑18中的某一些向下延伸到SiGe层14。这样，坑缺陷18中的某一些就与下层SiGe层14接触了。
现在进行第二腐蚀步骤，它对与SiGe层14接触的缺陷坑18之下的SiGe层14进行下切。进行第二腐蚀步骤之后的所得结构示于，例如，图3中。在这一附图中，参考号22表示下切区域。
第二腐蚀步骤可包括“自点缀(self-decorating)”步骤，其中使用了与第一腐蚀步骤中所用的相同的腐蚀剂。当坑缺陷处的缺陷腐蚀剂到达下层SiGe时，SiGe被快速腐蚀，发生下切。本发明的这一实施方案在Si层较厚(厚于150埃)时尤其有用。
对于更薄的Si层(大约150埃量级或更薄)，使用替代方法来给出与SiGe层接触的坑缺陷之下的SiGe层中的下切。在本发明这一第二实施方案中，使用与上面所用的缺陷腐蚀剂不同的化学腐蚀剂来进行下切。特别是，用于本发明第二实施方案中的腐蚀剂为任何腐蚀SiGe比腐蚀Si更快的腐蚀剂。
可用于本发明第二实施方案中的腐蚀剂的说明性实施例包括，但不局限于HF/H2O2/醋酸(HHA)混合物(比例1∶2∶3)，或者100∶1的硝酸∶HF混合物。在上述各种腐蚀剂中，高度优选使用HHA混合物，因为这一腐蚀剂中SiGe的腐蚀速率比Si的腐蚀速率大好几个数量级，同时硅的绝对腐蚀速率非常低(＜1埃/min)。这使得HHA混合物能用作点缀腐蚀；它保持Si完整，同时腐蚀下切暴露的SiGe。
根据本发明，第二腐蚀步骤在室温或稍高于室温的温度(30℃或更低)下进行，进行的时间段从大约1至大约1000秒。该时间段是本发明这一步骤中所用的腐蚀剂的腐蚀速率的函数。
在某些情形中，在第一和第二腐蚀步骤之间，可进行水洗步骤和可选的干燥步骤。当使用水洗步骤时，水洗溶液通常为蒸馏水或去离子水。本发明中可以使用的其它类型的水洗溶液包括，但不局限于烷烃，例如己烷或庚烷；酮；或乙醇。干燥可在空气、惰性气氛、烘箱或真空中进行。
在上述两种实施方案中，实际上都难以精确地在最佳Si厚度处停止腐蚀过程。此处所能使用的保证具有最佳已腐蚀Si厚度的区域的腐蚀方法之一是进行“分级腐蚀”。特别是，首先将要腐蚀的结构以一定速率没入包括缺陷腐蚀剂的腐蚀剂浴中，这一速率导致样品底部的Si被完全腐蚀(至SiGe)，而顶部的Si厚度保持不变。
图2和3所示的结构已使用分级方法进行了腐蚀。照此，结构中首先浸没的部分可称作结构的“底部”，最后浸没的部分可称作结构的“顶部”。术语“顶部”和“底部”是相对于结构的哪一端先没入腐蚀剂浴中而言的。通过使用这一分级腐蚀方法，从结构的顶部至底部，顶部Si厚度将大致线性地下降。样品在腐蚀溶液中的浸没可手动(用手)进行或使用自动设备以改善分级轮廓的控制。
然后将图3所示的已腐蚀结构在光学显微镜(或者原子力显微镜)下扫描以识别腐蚀坑被下切了的区域(或多个区域)。然后确定给定区域中被下切了的腐蚀坑的数目，这些下切缺陷的数目除以所分析的区域的面积(单位cm2)作为缺陷密度。
图4为150埃Si/350埃SiGe/1400埃SiO2/Si衬底结构在使用本发明的方法进行缺陷腐蚀之后的实际光学显微照片(Nomarski反差)。图片宽度为86μm。图片清楚地示出了腐蚀坑以及面缺陷——例如堆垛层错——的轮廓。图片是在分级腐蚀轮廓中靠近Si/SiGe界面的区域处取得的。
虽然关于其优选实施方案特别示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将能理解，只要不超出本发明的范围和精神，就可以对形式和细节做出前述和其它改变。因此，本发明并不严格局限于所描述和示出的形式和细节，而是处于所附权利要求的范围中。
权利要求
1.用于描绘Si/SiGe双层结构中的晶体缺陷的方法，包含下列步骤用对Si具有缺陷选择性的缺陷腐蚀剂来第一腐蚀在SiGe合金层上具有Si层的结构，以在Si层中形成至少一个与SiGe合金层接触的坑缺陷；以及用与第一腐蚀相同或不同的腐蚀剂来第二腐蚀含有该至少一个坑缺陷的结构，从而第二腐蚀下切该至少一个坑缺陷下方的SiGe层。
2.根据权利要求1的方法，其中Si层由外延形成，SiGe合金层由外延形成。
3.根据权利要求1的方法，其中Si层为应变层而SiGe合金层为弛豫层。
4.根据权利要求3的方法，其中应变层具有大约100nm或更薄的厚度而弛豫层具有从大约10000nm开始或更薄的厚度。
5.根据权利要求1的方法，其中在绝缘体上硅衬底的掩埋绝缘体层顶上形成所述SiGe合金层时利用热混合步骤。
6.根据权利要求1的方法，其中SiGe合金层包含高达99.99原子百分比的Ge。
7.根据权利要求1的方法，其中SiGe合金层形成在衬底顶上。
8.根据权利要求7的方法，其中该衬底为体O或绝缘体上硅基衬底。
9.根据权利要求1的方法，其中缺陷腐蚀剂包含HF和重铬酸钾的混合物，HF、重铬酸钾和蒸馏水的混合物，HF和三氧化铬的混合物，或者HF、三氧化铬和蒸馏水的混合物。
10.根据权利要求1的方法，其中缺陷腐蚀剂包含2份HF和1份0.15M的重铬酸钾溶液以及6份去离子水。
11.根据权利要求1的方法，其中缺陷腐蚀剂腐蚀位错和堆垛层错缺陷的速率比腐蚀无缺陷Si的速率快得多。
12.根据权利要求1的方法，其中第一腐蚀使用分级腐蚀工艺来进行。
13.根据权利要求1的方法，其中第二腐蚀使用与第一腐蚀相同的腐蚀剂。
14.根据权利要求1的方法，其中缺陷腐蚀剂和第二腐蚀中的腐蚀剂都包含2份HF和1份重铬酸钾溶液以及6份去离子水。
15.根据权利要求1的方法，其中第二腐蚀使用不同于缺陷腐蚀剂的腐蚀剂来进行，所述不同的腐蚀剂腐蚀SiGe的速率比腐蚀Si的速率更快。
16.根据权利要求15的方法，其中该不同的腐蚀剂包含HF/H2O2/醋酸或含氮物/HF。
17.根据权利要求15的方法，其中该不同的腐蚀剂包含1份HF/2份H2O2/和3份醋酸。
18.根据权利要求1的方法，在所述第一和第二腐蚀步骤之间进一步包含水洗步骤。
19.根据权利要求1的方法，进一步包括在显微镜下扫描第一和第二腐蚀结构以识别坑区域已被下切的区域，并根据被区域划分的总计下切坑缺陷来计算缺陷密度。
20.测量Si/SiGe双层结构中晶体缺陷的方法，包含用对Si具有缺陷选择性的缺陷腐蚀剂来第一腐蚀在SiGe合金层上具有Si层的结构，以在Si层中形成至少一个与SiGe合金层接触的坑缺陷；用与第一腐蚀相同或不同的腐蚀剂来第二腐蚀含有该至少一个坑缺陷的结构，从而第二腐蚀下切该至少一个坑缺陷下方的SiGe层；以及在显微镜下扫描已腐蚀结构以识别该至少一个坑缺陷被下切的区域，并以缺陷密度的形式计算缺陷的数目。
全文摘要
此处公开用于刻画SiGe合金层上的薄Si层中的晶体缺陷的方法。该方法使用对Si具有高度缺陷选择性的缺陷腐蚀剂。将Si腐蚀至缺陷坑能达到下层SiGe层的厚度。然后使用与缺陷腐蚀剂相同或不同的第二腐蚀剂，腐蚀坑下的SiGe层而保持Si完整。
文档编号G01N21/95GK1601274SQ200410068370
公开日2005年3月30日 申请日期2004年8月31日 优先权日2003年9月3日
发明者斯蒂芬·W·拜德尔, 基思·E·佛格尔, 德温得拉·K·萨达纳 申请人:国际商业机器公司