专利名称：具应变通道层的晶圆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体制造方法，特别涉及一种具应变通道层的晶圆的制作方法。
背景技术：
随着电子产业的快速发展，通讯及计算机市场的需求已成为促使半导体技术持续提升的主要驱动力。由于市场对于高积集度、小尺寸及高运作效率的集成电路组件的需求日益殷切，提升组件性能及缩小组件尺寸已成为当今半导体工业的一重要的发展课题。当因应集成电路的高积集度需求而缩小组件的尺寸时，组件的性能例如驱动电流亦会随之改变而无法达到理想的范围。因此，在无法引入新材料及新组件结构的情况下，若欲缩小组件尺同时提升组件性能，对现今的半导体技术而言仍是一项很大的挑战。
为了改善集成电路组件的性能，已经有不少研究提出将异质结构(Heterostructure)的技术应用于晶体管的领域中。利用异质结构中的应变造成能隙(Band Gap)差异，以大量地改善电子及空穴的迁移率(Mobility)，通过高电子或空穴迁移率来改善晶体管的电流速度，从而提升组件的性能。由于锗元素具有较硅元素为小的能隙及较大的电子/空穴迁移率，加上锗与硅具有相当类似的晶格结构，因此硅/硅锗(Silicon/SiGe)的异质结构已经大量地应用于各种晶体管组件中。例如，在双极结晶体管(Bipolar Junctions Transistor，BJT)的应用中，锗的存在可大幅度地改变组件特性如集极电流等。而在场效应晶体管(FieldEffect Transistor，FET)中的应用中，具应变的硅锗则可增强载子的电子迁移率。在应变的硅锗及无应变的硅之间的能隙差主要出现在价带(Valence Band)中，故可改善P型通道场效晶体管的空穴迁移率。
硅/硅锗的异质结构亦大量地应用于金属氧化半导体(Metal OxideSemiconductor，MOS)晶体管中，通过使用半导体技术在硅上成长适当的锗含量的结构，以利用应变引起能带结构改变来增加电子及空穴的迁移率及增大驱动电流，从而提升MOS晶体管的性能。例如，使用具双轴张力应变的硅可以增加电子迁移率，而使用具双轴压缩应变的硅锗则可增加空穴迁移率等。由于具双轴张力应变的硅对于提升NMOS及PMOS的性能皆有良好的表现，故为现今半导体业界较常采用的方式。
现有技术在制作具有应变通道层的晶体管时，必需先成长一层很厚的缓冲层，然后才在缓冲层上成长意欲的应变通道层。例如在制作具张力应变的硅层的晶体管时，需要先成长一层松弛的磊晶硅锗层，这是因为硅的晶格常数(Lattice Constant)较硅锗为小，因此形成于松弛的硅锗层上的硅层便具有张应力，从而会引生张力应变。然而，在目前的半导体技术中，欲成长一层具低排差(Dislocation)及低缺陷密度的松弛的磊晶硅锗层仍是一项很大的挑战。例如在授予Eugene A.Fitzgerald的美国专利案第6,107,653号中，揭露了一种形成低差排密度的磊晶硅锗层的方法，其是通过在成长硅锗薄膜的不同等级(Graded)期间，对其中的硅锗薄膜表面进行平坦化处理，以降低硅锗薄膜的表面粗糙度，而使后续成长于平坦表面上的磊晶硅锗薄膜具低差排密度。然而，使用该方法成长的磊晶硅锗层的厚度十分厚，而且需要繁杂的制程及花费较高的制作成本，因而不容易整合于传统的半导体制造工艺中。
因此，亟需发展一种新的半导体制造方法，以在简单的制造方法及较少的成本的前提下，制作出一种具应变通道层的晶圆。
发明内容
有鉴于上述的发明背景中，使用现有技术制作一具有张力应变的硅通道的晶体管，必需要先成长一层松弛的磊晶硅锗层，而形成具低差排或低缺陷密度的松弛的磊晶硅锗层需要复杂的制程及花费较高的成本。因此，本发明在此提供一种具应变通道层的晶圆的制作方法，可以简单地形成一层具应变的硅层于松弛的磊晶硅锗层上。
本发明的一目的为提供一种具应变通道层的晶圆的制作方法，利用在绝缘层上有硅(Silicon-on-Insulator，SOI)的晶圆的制造过程中，在松弛的磊晶硅锗层上形成一层应变硅层。
本发明的另一目的为提供一种晶圆的制作方法，可与绝缘层上有硅的晶圆的制造过程结合，以简化制造方法及节省制作成本，并且可整合于一般的集成电路制造过程中。
本发明的又一目的为提供一种具应变通道层的晶圆的制作方法，利用晶圆中的应变通道层改变能带结构，以增加电子及空穴的迁移率，从而增进晶体管的性能。
根据以上所述的目的，本发明揭露一种具应变通道层的晶圆的制作方法，首先提供一个具有一层多孔硅层的第一基材，对此多孔硅层的表面进行热处理，以在此多孔硅层的表面形成一薄且平坦的第一硅表面层。接着，以磊晶(epitaxial growth)方式成长一层松弛的硅锗(SixGE1-x)层于第一硅表面层上，再形成一层接合层于此磊晶(epitaxial)硅锗层上。然后，将此接合层与一个第二基材接合，接着移除此多孔硅层及第一基材，并将接合层及磊晶硅锗层保留于第二基材上。再对此磊晶硅锗层表面进行热处理，以在磊晶硅锗层表面上形成一层第二硅表面层，最后以磊晶方式成长一层磊晶硅层(epitaxial silicon layer)于第二硅表面层上。成长于松弛的磊晶硅锗层上的磊晶硅层将具有张力应变，从而形成一个具有应变通道层的晶圆。其中接合层包括一层磊晶硅层及/或一层二氧化硅层，第二基材包括一绝缘层上有硅的基材结构。移除多孔硅层的步骤包括使用水刀切除多孔硅层及蚀刻保留于第二基材上的部分的多孔硅层及第一硅表面，直到暴露出磊晶硅锗层为止。
本发明亦揭露一种半导体基材的制作方法，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层多孔硅层。接着，形成一层第一硅表面层于第一多孔硅层上，形成一层硅锗层于第一硅表面层上，再形成一层接合层于硅锗层上。之后，将接合层与一第二基材接合，移除第一基材及多孔硅层，并在第二基材上保留接合层及硅锗层。然后，在硅锗层上形成一层第二硅表面层，最后，再在第二硅表面层上形成一层硅层，此硅层便成为应变通道层。其中，接合层包括一层磊晶硅层及/或一层二氧化硅层，第二基材包括一绝缘层上有硅的基材结构，形成硅锗层与硅层的方法包括使用磊晶方式。
附图简要说明本发明的较佳实施例将于往后的说明文字中辅以下列图形做更详细的阐述，其中
图1～图4示出根据本发明的一较佳实施例的晶圆的制造过程剖面示意图，其中是进行第一部分晶圆的制作；以及图5～图7示出根据本发明的一较佳实施例的晶圆的制造过程剖面示意图，其中是将第一部分晶圆与一操控晶圆接合，以形成具应变通道层的晶圆。
具体实施例方式
本发明揭露一种具应变通道层的晶圆的制作方法，可在绝缘层上有硅(Silicon on Insulator，SOI)的晶圆的制作过程中，在松弛的磊晶硅锗层上成长一层磊晶硅层，以使磊晶硅层成为具有张力应变的硅层。本发明可应用于CMOS晶体管中，利用应变引起能带结构的变化来增加电子及空穴的迁移率，从而增进晶体管的性能。为了使本发明的叙述更加详尽与完备，以下将以较佳实施例并配合图式的描述，来说明本发明的具应变通道层的晶圆的制作方法。
图1～4示出根据本发明的一较佳实施例制作具应变通道层的晶圆的制造过程剖面示意图，图中所示为进行第一部分晶圆100的制作。请参阅图1，首先提供一个具有一层多孔硅层104的适当硅基材102，此基材102可为N+型或是P+型的半导体基材。在此，多孔硅层104将作为成长一层松弛的磊晶硅锗(SixGE1-x)层的种子层。为了容易理解，图式中的多孔硅层结构图示成具有数个圆柱形状。然而，如本领域技术人员所知，实际上多孔硅层中的孔洞应为更复杂的形状。
接着，如图2所示，对多孔硅层104的表面进行热处理，以在多孔硅层104的表面上形成一层薄且平坦的硅表面层106。较佳地，热处理方式可使用氢气退火(H2Annealing)，氢气退火的处理温度与时间可视实际的制程需要与应用而定。之后，如图3所示，以磊晶方式在硅表面层106上成长一层磊晶硅锗层108，磊晶硅锗层108的形成方法例如可使用化学气相沉积法(CVD)、超高真空化学气相沉积(UHVCVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)或等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等。由于多孔硅层104可以容纳应力或应变，因此磊晶成长于硅表面层上的磊晶硅锗层108将形成松弛的结构。
参照图4A，接着在松弛的磊晶硅锗层108上形成一层接合层110，此接合层110是作为与另一个操控晶圆(Handling Wafer)接合用的缓冲层。在本发明的一较佳实施例中，接合层110的材质为一层磊晶硅层，其可采用适当的磊晶方式成长于磊晶硅锗层108上。替代地，在本发明的另一较佳实施例中，接合层110的材质可为一层二氧化硅层，其形成方式例如可使用化学气相沉积法在磊晶硅锗层108上沉积一层二氧化硅层，或者可对磊晶硅锗层108进行热氧化处理，以在磊晶硅锗层108上形成一层二氧化硅层。此外，如图4B所示，在本发明的又一较佳实施例中，第一部分晶圆100’的接合层110的材质可包括一层磊晶硅层及一层二氧化硅层，其形成方法可先使用适当的磊晶方式在磊晶硅锗层108上成长一层磊晶硅层110a，接着再在磊晶硅层110a上形成一层二氧化硅层110b，此二氧化硅层110b是作为与另一个操控晶圆接合用的缓冲层。二氧化硅层110b的形成方式例如可使用化学气相沉积法在磊晶硅层110a上沉积一层二氧化硅层，或者可对磊晶硅层110a进行热氧化处理以在磊晶硅锗层108上形成一层二氧化硅层。至此，已经完成第一部分晶圆的制作，以下将说明将第一部分晶圆与一操控晶圆接合形成一具有应变通道层的晶圆的制作流程。
请参阅第5图，利用习知的半导体接合技术，例如阳极接合等，将上述的第一部分晶圆100与一操控晶圆120(Handling Wafer)接合，在此操控晶圆120是作为支撑之用。操控晶圆120可为一种绝缘层上有硅(Silicon on Insulator，SOI)的晶圆结构，此种SOI结构例如可包括一层材质为二氧化硅的绝缘层122以及一个硅基材124，而操控晶圆120是透过绝缘层122与第一部分晶圆100的接合层110接合在一起。在本发明的一实施例中，当接合层110的材质为一层磊晶硅层时，第一部分晶圆是透过此磊晶硅层与操控晶圆中的绝缘层122接合。在本发明的另一实施例中，当接合层110的材质为一层二氧化硅层时，第一部分晶圆是透过此二氧化硅层与操控晶圆中的绝缘层122接合。此外，在本发明的又一实施例中，当接合层110的材质为一层磊晶硅层及一层二氧化硅层时，则第一部分晶圆是透过接合层中的二氧化硅层与操控晶圆中的绝缘层122接合。
之后，如图6所示，移除多孔硅层104及硅基材102，以将松弛的磊晶硅锗层108保留在操控晶圆120上。由于具有孔洞的多孔硅层的结构硬度较差，因此在本发明的一较佳实施例中是使用水刀(Water Jet)切割多孔硅层104，以移除部分的多孔硅层104及基材102。接着，对存留在操控晶圆120上的部分的多孔硅层104进行选择性蚀刻，以暴露出磊晶硅锗层108的表面。然后，对磊晶硅锗层108的表面进行热处理，例如可使用氢气退火，以在磊晶硅锗层108上形成一层平坦的硅表面层126。最后，如第7图所示，以适当的磊晶方式在硅表面层126上成长一层磊晶硅层130。由于此磊晶硅层130是以磊晶方式成长在松弛的磊晶硅锗层108上，因而成为一具有张力应变的硅层。
图7所示为根据上述本发明的一较佳实施例制作的具应变通道层的晶圆的结构剖面示意图。如图7所示，此晶圆的结构包括一层具张力应变的磊晶硅层130、一层平坦的硅表面层126、一层松弛的磊晶硅锗层108、一层接合层110，以及一个包含有一层绝缘层122及一层硅基材124的SOI操控晶圆120。其中绝缘层122的材质可为一层二氧化硅层，而接合层110的材质可为一层磊晶硅层或一层二氧化硅层。在本发明的另一较佳实施例中，接合层110可包括一层磊晶硅层及一层二氧化硅层，此二氧化硅层是作为与操控晶圆接合用的缓冲层。
综上所述，本发明提供一种具应变通道层的晶圆的制作方法，可在绝缘层上有硅的晶圆的制程中，先在第一部晶圆的多孔硅层上成长一层松弛的磊晶硅锗层，接着以半导体接合技术将具有松弛的磊晶硅锗层的第一部分晶圆与一绝缘层上有硅的操作晶圆接合，之后移除多孔硅层，然后在松弛的磊晶硅锗层上成长一层磊晶硅层，此磊晶硅层便成为具应变的硅层。本发明的具应变通道层的晶圆的制作方法可与绝缘层上有硅的晶圆的制程结合，其制程简单且经济，可整合于一般的集成电路制程。根据本发明的方法制作的具应变通道层的晶圆，可以通过晶圆中的应变通道层来改变能带结构，从而增加电子及空穴的迁移率，故可增进晶体管的性能。
如本领域技术人员所了解的，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求范围；凡其它未脱离本发明所揭露的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包括在下述的权利要求范围内。
权利要求
1.一种半导体基材的制作方法，该方法至少包括下列步骤提供一第一基材，该第一基材的一表面上具有一多孔硅层；在该第一多孔硅层上形成一第一硅表面层；在该第一硅表面层上形成一硅锗层；在该硅锗层上形成一接合层；接合该接合层至一第二基材；移除该第一基材及该多孔硅层，并在该第二基材上保留该接合层及该硅锗层；在该硅锗层上形成一第二硅表面层；以及在该第二硅表面层上形成一硅层。
2.如权利要求1所述的方法，其中形成该第一硅表面层及该第二硅表面层的步骤包括使用氢气退火。
3.如权利要求1所述的方法，其中形成该硅锗层的步骤包括使用磊晶方式。
4.如权利要求1所述的方法，其中该接合层包括一磊晶硅层。
5.如权利要求1所述的方法，其中该接合层包括一二氧化硅层。
6.如权利要求1所述的方法，其中该接合层包括一磊晶硅层及一二氧化硅层。
7.如权利要求1所述的方法，其中该第二基材包括一硅基材及一绝缘层。
8.如权利要求1所述的方法，其中该接合步骤包括将该接合层接合至该第二基材上的该绝缘层上。
9.如权利要求1所述的方法，其中移除该多孔硅层及该第一基材的步骤更包括以水刀切割该多孔硅层，以移除部分的该多孔硅层及该第一硅基材；以及蚀刻保留于该第二基材上的部分的该多孔硅层及该第一硅表面，直到暴露出该硅锗层。
10.如权利要求1所述的方法，其中在该第二硅表面层上形成该硅层的步骤包括使用磊晶方式。
全文摘要
本发明揭露一种具应变通道层的晶圆的制作方法。首先，提供一具有一多孔硅层的第一基材，进行第一热处理以在多孔硅层表面形成一第一硅表面层。接着，磊晶成长一松弛的硅锗层于第一硅表面层上，在松弛的硅锗层上形成一接合层，再将接合层与一第二基材接合。移除多孔硅层及第一基材，并将接合层及松弛的硅锗层保留于第二基材上。进行第二热处理以在松弛的硅锗层表面上形成一第二硅表面层。最后，磊晶成长一磊晶硅层于第二硅表面层上。成长于松弛的硅锗层上的磊晶硅层将具有张力应变。
文档编号H01L21/324GK1492480SQ0214738
公开日2004年4月28日 申请日期2002年10月21日 优先权日2002年10月21日
发明者黄健朝, 杨育佳, 杨国男, 林俊杰, 胡正明 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司