具有逆碳分布的低缺陷碳替代单晶硅层制造技术

形成碳替代单晶硅层易于产生许多缺陷，尤其在高碳浓度时。本发明专利技术提供用于提供低缺陷碳替代单晶硅层的结构与方法，甚至对于硅中的碳的高浓度。根据本发明专利技术，在碳注入中的主动逆分布减少在固相外延以后所得到的碳替代单晶硅层中的缺陷密度。这致使形成具有压应力与低缺陷密度的半导体结构。当应用在半导体晶体管时，本发明专利技术会致使Ｎ型场效晶体管经由存在于沟道内的拉应力而具有改善的电子迁移率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及半导体结构与制造方法，更特别地，涉及碳替代单晶硅层(Si:C),以及使用此碳替代单晶硅层(Si:C)的金属氧化物半导体场效晶体 管(MOSFET)。
技术介绍
在半导体工业中已经研究出各种经由操控载流子迁移率来提高半导体装置性能的技术。在这类技术中的其中一个关键元素是在晶体管装置沟道中 操纵应力。某些这种方法利用硅基板内的碳替代单晶硅(Si:C)层，以改变 沟道中的硅材料的晶格常数。在硅与碳两者均具有相同电外壳与相同晶体结 构时，亦即是"钻石结构"，它们的室温晶格常数则分别为不同值，0.5431nm 与0.357nm。通过以碳原子来替代单晶硅中的一些硅原子，可得到晶格常数 比纯硅更小的单晶结构。为了增加在相邻半导体结构上应力的量，需要增加碳含量。换句话说， 在Si:C层中的碳含量越高，相邻结构上的应力则越高。由于在硅熔点时碳的 低平衡溶解度(3.5x 10"/cn^或者7ppm原子浓度)，所以非常难以在硅基板 制造期间内将碳引入硅基板内。实际上，在硅晶锭(silicon ingot)生长期间 内，碳无法被引入硅基板内。然而，在碳注入的体硅晶片中的硅层的固相外 延法工艺期间，可观察到达到7.0 x 102Q/cm3 (原子浓度1.4%)的较高亚稳态 溶解度极限，其才艮据Str肌e等人所提出的"Carbon incorporation into Si at high concentrations by ion implantation and solid phase epitaxy (通过离子注入与固 相外延将碳以高浓度引入硅内)，，，Journal of Applied Physics. 79 (2), 1996 年1月，第637-646页。在Strane等人所描述的实验中，硅基板首先用硅注 入而非晶化，随后注入碳原子。通过进行固相外延，碳替代单晶硅层会从注 入碳的硅层再生长。Strane等人亦还确认，在固相外延以后，碳原子占据替 代位置以形成Si:C层。然而，由于硅的非晶化注入，所以亦可观察到对应范 围末端(end of range)缺陷的缺陷带存在。再者，在1.9%的高碳浓度上，可在Si: C层上观察到高水平的晶体缺陷。其后，由于提高互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管性能的潜在优点， 尽管难以得到低缺陷密度的Si:C层，但是通过固相外延来形成Si:C层则已 经被进一步研究。由于高水平应力产生的有利特性，诉求形成具有0.1%至 5%之间，优选是0.5。/。至2.0。/c)之间的高碳浓度Si:C层。已经发现Si:C层中 碳浓度越高，则在所得的Si:C层中缺陷密度越高。然而，因为缺陷作为晶体 管截至电流的漏电路径，所以高水平晶体缺陷密度对互补金属氧化物半导体 (CMOS)晶体管性能不利。在应变单晶层中的缺陷亦导致应力弛豫，并不 利地影响来自应力设计(stress engineering )的迁移率增益。通过使用弛豫的Si:C层为基板，并在其上生长外延硅，可将互补金属 氧化物半导体(CMOS)晶体管建立在碳替代单晶硅层上。 一种得到晶格常 数比硅更小的Si:C层的方法，是生长厚度超过产生晶体缺陷的临界厚度的厚 Si:C层。 一种替代方法则是在绝缘层上硅(SOI)基板上生长Si:C层，从而 在埋式氧化物层顶部的整个Si:C层具有比硅更小的晶格常数。可在弛豫的 Si:C层上外延生长硅，使得硅材料的晶格常数匹配下面的弛豫的Si:C的晶 格常数。在此情形中，外延生长的硅在外延生长面中会受到双轴压应力。建 立在此一基板中的N型场效晶体管(NFET)具有提高的电子迁移率与相应 增加的开启电 流o或者，通过将Si:C层嵌入于建立在硅基板上的场效晶体管的源极与漏 极区域中，可建立互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管。在源极与漏极 中嵌入Si:C层的存在会沿着载流子移动方向而在沟道区域中产生单轴拉应 力。此应力会提高晶体管中的电子迁移率。结果，建立在此基板中的N沟道 场效晶体管(NFET)具有提高的电子迁移率与相应增加的开启电流。因此，存在对于一种低缺陷、高碳浓度Si:C层半导体结构与制造方法 的需求。还存在对于一种局部引入低缺陷、高碳浓度外延的Si:C层于场效晶体 管内的半导体结构和方法。
技术实现思路
为了解决上述需求，通过硅基板表面附近的逆碳浓度分布，本专利技术提供 一种外延Si:C层，其具有原子浓度从约0.2%至约5.0。/。的高体碳浓度(bulkcarbon concentration),以及小于约1.0 x l09/cm2的4氐缺陷密度。而且，本发 明提供一种互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管的源极与漏极区域内的 具有高体碳浓度与低缺陷密度的嵌入外延Si:C层。当此外延Si:C层被嵌入 于NFET的源极与漏极内时，所得的NFET沟道中的单轴拉应力提高电子迁 移率，以促成迁移率提高的NFET。在现有技术中，虽然在碳浓度垂直分布中可以观察到一些逆碳浓度，逆 程度不严重而是少量，且由于用于离子注入的工具的限制而自然地发生。因 为大部分离子注入典型以从约2KeV至约lOOKeV范围内的预设注入能量来 进行，所以在现有技术中的"偶然"或"被动"弱逆碳浓度大部分起因于碳 注入分布的不均匀性。每一离子注入能量设置在注入离子的"深度分布"中 产生一尖峰。为了将注入物的浓度的垂直变化最小化，经常使用以不同能量 的相同物种的多次注入。甚至在这些情形中，在注入物浓度的垂直分布中存 在某些程度的逆分布是不可避免的，因为没有任何离子注入设备可注入零能 量的离子。有关离子注入分布的一般^Hf在S. Wolf与R.N. Tauber "Silicon Processing for the VLSI Era, Vol. l-Process Technology (超大规才莫集成电路时 代的硅处理，第1巻一处理技术)"(1986)第280-308页中找到。相较于偶然或机器限制的逆分布，本专利技术主张在碳浓度垂直分布中的主 动"逆分布，用以制造具有缺陷密度减少的Si:C层。典型地，经由离子注入 形成在硅基板表面下的Si:C层具有希望的碳浓度水平。为了应力设计的目 的，此水平是从原子浓度大约0.2%至大约5.0%,且典型是从原子浓度大约 0.5%至大约2.0%。现有技术的方法尽可能维持Si:C层内的浓度恒定，除了 在硅表面与注入区域较深端尾部附近自然发生逆分布以外，碳浓度会随着深 度以指数方式减少。这是因为Si:C层的目的在于提供高碳密度。减少包括靠 近表面的体积的任何地方的碳浓度，将会减少所引入的碳量。然而，根据本 专利技术，在碳浓度垂直分布中的"主动，，逆分布抑制在表面的碳浓度，使其不 会超过在Si:C层体中的碳浓度的25%。这通过消除将任何实质数量的碳传 送于表面附近的部分的碳注入而实现，亦即，在碳注入中消除低能量设置。 优选地，在表面的碳浓度不超过在Si:C层体中浓度的15%。最优选地，表 面的碳浓度小于约1.0 x 10,cn^或0.2%的原子浓度。虽然表面附近的碳浓度相较于体浓度的实质减少是相当简单的构思，且 就晶体缺陷密度减少而言，此总体构思的应用仍甚至在本专利技术所明确说明范围外产生一些益处，但是为了准确说明本专利技术并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体结构，包含碳替代单晶硅层，其具有一厚度并具有小于约１．０×１０↑［９］／ｃｍ↑［２］的缺陷密度，且置于半导体基板的表面下，该碳替代单晶硅层具有置于该单晶硅层内并小于自该表面起的该厚度２％的第一体积，以及具有置于该单晶硅层内且在自该表面起的该厚度的３０％与６０％之间的第二体积，其中在该第一体积中的平均碳浓度等于或小于在该第二体积中的平均碳浓度的２５％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘孝诚，萨布拉马尼安伊耶，李金红，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]