DE102014217479B4

DE102014217479B4 - Verfahren zum Bilden einer Halbleiterschicht oder -struktur

Info

Publication number: DE102014217479B4
Application number: DE102014217479.1A
Authority: DE
Inventors: Wei-E Wang; Mark S. Rodder; Robert C. Bowen
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2022-08-18
Anticipated expiration: 2034-09-03
Also published as: DE102014217479A1

Abstract

Verfahren zum Bilden einer Halbleiterstruktur, wobei das Verfahren aufweist:- Bilden einer Oxidschicht (102) auf einem Substrat (100, 201);- Bilden einer Vertiefung (104, 204) in der Oxidschicht und dem Substrat; und- Bilden einer epitaxial aufgewachsenen unteren Halbleiterstruktur (106, 206) in der Vertiefung selektiv auf einer Oberfläche des Substrats und nicht auf einer Oberfläche der Oxidschicht derart, dass sich die untere Halbleiterstruktur an einer Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und dem Substrat in Kontakt mit einer Seitenwand des Substrats befindet und eine Oberseite eines Hohlraums in der Vertiefung in dem Substrat definiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden einer Halbleiterschicht oder -struktur.
Es wurde eine Hetero-Integration von unterschiedlichen Halbleitermaterialien entwickelt, um die Leistungsfähigkeit von integrierten Schaltkreisbauelementen zu verbessern. Die Hetero-Integration kann jedoch aufgrund mechanischer Spannung, die durch Gitterfehlanpassung induziert wird, zu Versetzungsdefekten führen und verbessert die Leistungsfähigkeit möglicherweise nicht.
In der JP 2003 - 163 370 A wird ein Verfahren zur Herstellung eines von einem Basissubstrat unabhängigen freistehenden Halbleiterkristalls beschrieben, bei dem in einem ersten Schritt ein Kristall gewachsen wird, wobei das Kristallwachstum auf Projektionsteilen auf einem Basissubstrat beginnt, bis sich die auf den Projektionsteilen gewachsenen Kristalloberflächen miteinander verbinden und eine annähernd flache Oberfläche bilden. In einem zweiten Schritt wird die so gewachsene Substratschicht von dem Basissubstrat getrennt, indem die Projektionsteile gebrochen werden. Konkret werden im ersten Schritt eine ZnO-Schicht auf einem Saphirsubstrat gebildet, Vertiefungen in das Substrat durch die ZnO-Schicht hindurch eingebracht und anschließend unter Verwendung nur der ZnO-Schicht und nicht des Substrats eine Halbleiterstruktur auf der ZnO-Schicht epitaxial derart aufgewachsen, dass die Halbleiterstruktur die Vertiefungen im Substrat überbrückt, so dass diese als Hohlräume verbleiben.
Die US 2012 / 193 751 A1 offenbart ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen von fin-förmigen oder Finnen-förmigen Halbleiterbauelementstrukturen.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung von Verfahren zum Bilden einer Halbleiterschicht und einer Halbleiterstruktur zugrunde, durch die Schwierigkeiten des Standes der Technik, wie vorstehend erwähnt, reduziert oder vermieden werden können.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens zum Bilden einer Halbleiterstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 8 sowie eines Verfahrens zum Bilden einer Halbleiterschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Verfahren zum Bilden einer Halbleiterstruktur gemäß der Erfindung kann ein Bilden einer Oxidschicht auf einem Substrat, ein Bilden einer Vertiefung in der Oxidschicht und dem Substrat sowie ein Bilden einer epitaxial aufgewachsenen Halbleiterstruktur selektiv auf einer Oberfläche des Substrats und nicht auf einer Oberfläche der Oxidschicht in der Vertiefung beinhalten, die sich an einer Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und dem Substrat mit einer Seitenwand des Substrats in Kontakt befinden kann und eine Oberseite eines Hohlraums in der Vertiefung in dem Substrat definieren kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Bilden der epitaxial aufgewachsenen Halbleiterstruktur ein epitaxiales Aufwachsen einer unteren Halbleiterstruktur, welche die Oberseite des Hohlraums in der Vertiefung in dem Substrat definiert, wobei die Seitenwand des Substrats an der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und dem Substrat als eine erste Kristallkeimschicht verwendet wird, sowie ein epitaxiales Aufwachsen einer oberen Halbleiterstruktur in der Vertiefung unter Verwendung der unteren Halbleiterstruktur als einer zweiten Kristallkeimschicht beinhalten.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum die Seitenwand des Substrats freilegen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die untere Halbleiterstruktur ein Material beinhalten, das sich von demjenigen der oberen Halbleiterstruktur unterscheidet. Die untere Halbleiterstruktur kann Siliciumgermanium (SiGe) beinhalten, und die obere Halbleiterstruktur kann Germanium (Ge) beinhalten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat eine erste Halbleiterschicht und eine zweite Halbleiterschicht beinhalten, die sich zwischen der Oxidschicht und der ersten Halbleiterschicht erstreckt. Die zweite Halbleiterschicht kann Germanium (Ge), Siliciumgermanium (SiGe), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) oder eine III-V-Verbindung beinhalten, und die epitaxial aufgewachsene Halbleiterstruktur kann sich in Kontakt mit einer Seitenwand der zweiten Halbleiterschicht befinden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Dicke der zweiten Halbleiterschicht in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 1 µm liegen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Bilden der Vertiefung ein Bilden eines unteren Teils der Vertiefung in dem Substrat mit einem Aspektverhältnis von größer als 3 beinhalten, so dass der Hohlraum die Seitenwand des Substrats freilegen kann.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Bilden der Vertiefung ein Bilden eines oberen Teils der Vertiefung durch die Oxidschicht hindurch mit einem Aspektverhältnis von größer als 1 beinhalten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren des Weiteren ein Implantieren von Sauerstoffionen in das Substrat hinein beinhalten, um einen isolierenden Bereich unter der Vertiefung zu bilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren ein Verbreitern eines Teils der Vertiefung in dem Substrat an der Grenzfläche des Substrats und der Oxidschicht beinhalten, um einen Hinterschneidungsbereich zu bilden.
Ein Verfahren zum Bilden einer fin-förmigen Halbleiterstruktur kann ein Bilden einer Oxidschicht auf einem Substrat, ein Bilden einer Vertiefung durch die Oxidschicht hindurch und in dem Substrat sowie ein Durchführen eines ersten epitaxialen Wachstumsprozesses beinhalten, um eine überhängende Kristallkeimschicht selektiv auf einer Oberfläche des Substrats und nicht auf einer Oberfläche der Oxidschicht in der Vertiefung zu bilden, wobei eine Seitenwand des Substrats an einer Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und dem Substrat als eine erste Kristallkeimschicht verwendet wird. Die überhängende Kristallkeimschicht kann eine Oberseite eines Hohlraums in der Vertiefung definieren. Das Verfahren kann außerdem ein Durchführen eines zweiten epitaxialen Wachstumsprozesses, um eine Halbleiterstruktur in der Vertiefung zu bilden, wobei die überhängende Kristallkeimschicht als eine zweite Kristallkeimschicht verwendet wird, sowie ein Vertiefen der Oxidschicht beinhalten, um mittels Freilegen eines oberen Teils der Halbleiterstruktur eine fin-förmige Halbleiterstruktur zu bilden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Durchführen des ersten epitaxialen Wachstumsprozesses des Weiteren ein Bilden einer unteren Kristallkeimstruktur auf einem Boden der Vertiefung beinhalten. Die überhängende Kristallkeimschicht kann von der unteren Kristallkeimstruktur isoliert sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat eine erste Halbleiterschicht und eine zweite Halbleiterschicht beinhalten, die sich zwischen der Oxidschicht und der ersten Halbleiterschicht erstreckt. Die zweite Halbleiterschicht kann Germanium (Ge), Siliciumgermanium (SiGe), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) oder eine III-V-Verbindung beinhalten, und die Vertiefung kann eine Seitenwand der zweiten Halbleiterschicht freilegen, welche die erste Kristallkeimschicht beinhaltet.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Dicke der zweiten Halbleiterschicht in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 1 µm liegen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren des Weiteren ein Durchführen eines Wärmebehandlungsprozesses zwischen dem Durchführen des ersten und des zweiten epitaxialen Wachstumsprozesses beinhalten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Bilden der Vertiefung ein Bilden eines unteren Teils der Vertiefung in dem Substrat mit einem Aspektverhältnis von größer als 3 beinhalten, so dass der Hohlraum die Seitenwand des Substrats freilegen kann.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Bilden der Vertiefung ein Bilden eines oberen Teils der Vertiefung durch die Oxidschicht hindurch mit einem Aspektverhältnis von größer als 1 beinhalten.
Ein Verfahren zum Bilden einer Halbleiterschicht kann ein sequentielles Bilden einer Halbleiterkristallkeimschicht und einer Oxidschicht auf dem Substrat sowie ein Bilden einer Mehrzahl von Vertiefungen in der Oxidschicht und der Halbleiterkristallkeimschicht beinhalten. Das Verfahren kann außerdem ein epitaxiales Aufwachsen einer Mehrzahl von Halbleiterstrukturen selektiv auf einer Oberfläche des Substrats und nicht auf einer Oberfläche der Oxidschicht in der jeweiligen Mehrzahl von Vertiefungen beinhalten, wobei Teile von Seitenwänden der Halbleiterkristallkeimschicht an einer Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und der Halbleiterkristallkeimschicht als Kristallkeimschichten verwendet werden, bis obere Teile der Mehrzahl von Halbleiterstrukturen aus der jeweiligen Mehrzahl von Vertiefungen herausragen. Die Mehrzahl von Halbleiterstrukturen kann Oberseiten einer Mehrzahl von Hohlräumen in der jeweiligen Mehrzahl von Vertiefungen definieren. Das Verfahren kann des Weiteren ein epi-taxiales Aufwachsen der Halbleiterschicht beinhalten, die sich auf der Oxidschicht erstreckt, wobei die Mehrzahl von Halbleiterstrukturen als Kristallkeimschichten verwendet wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das epitaxiale Aufwachsen der Mehrzahl von Halbleiterstrukturen ein epitaxiales Aufwachsen einer Mehrzahl von unteren Halbleiterstrukturen, welche die Oberseiten der jeweiligen Mehrzahl von Hohlräumen definieren, wobei die Teile der Seitenwände der Halbleiterkristallkeimschicht an der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und der Halbleiterkristallkeimschicht als die Kristallkeimschichten verwendet werden, sowie ein epitaxiales Aufwachsen einer Mehrzahl von oberen Halbleiterstrukturen in der jeweiligen Mehrzahl von Vertiefungen von der jeweiligen Mehrzahl von unteren Halbleiterstrukturen beinhalten.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das epitaxiale Aufwachsen der Mehrzahl von oberen Halbleiterstrukturen ein Aufwachsen der Mehrzahl von oberen Halbleiterstrukturen derart beinhalten, dass sie aus der jeweiligen Mehrzahl von Vertiefungen herausragen, und das epitaxiale Aufwachsen der Halbleiterschicht kann ein laterales Wachsen der Mehrzahl von oberen Halbleiterstrukturen beinhalten, bis benachbarte der Mehrzahl von oberen Halbleiterstrukturen miteinander in Kontakt kommen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Bilden der Mehrzahl von Vertiefungen ein Bilden von unteren Teilen der Mehrzahl von Vertiefungen in der Halbleiterkristallkeimschicht beinhalten. Jeder der unteren Teile der Mehrzahl von Vertiefungen kann ein Aspektverhältnis von größer als 3 aufweisen, so dass jeder der Mehrzahl von Hohlräumen die Seitenwände der Halbleiterkristallkeimschicht freilegen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Dicke der Halbleiterkristallkeimschicht in einem Bereich von etwa 100 nm bis 1 µm etwa liegen.
Die Erfindung stellt des Weiteren Bauelemente bereit, die unter Verwendung der Verfahren der Erfindung gebildet werden. Ein integriertes Schaltkreisbauelement gemäß der Erfindung, das eine fin-förmige Halbleiterstruktur beinhaltet, kann eine Oxidschicht auf einem Substrat sowie eine Vertiefung in der Oxidschicht und dem Substrat beinhalten. Eine erste Tiefe der Vertiefung in dem Substrat kann mehr als drei Mal größer als eine zweite Tiefe der Vertiefung in der Oxidschicht sein. Das Bauelement kann außerdem eine epitaxial aufgewachsene Halbleiterstruktur in der Vertiefung beinhalten. Die epitaxial aufgewachsene Halbleiterstruktur kann sich an einer Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und dem Substrat in Kontakt mit einer Seitenwand des Substrats befinden und kann eine Oberseite eines Hohlraums in der Vertiefung in dem Substrat definieren. Ein oberer Teil der epitaxial aufgewachsenen Halbleiterstruktur kann durch die Oxidschicht freigelegt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat eine erste Halbleiterschicht und eine zweite Halbleiterschicht beinhalten, die sich zwischen der Oxidschicht und der ersten Halbleiterschicht erstreckt. Die zweite Halbleiterschicht kann Germanium (Ge), Siliciumgermanium (SiGe), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) oder eine Ill-V-Verbindung beinhalten, und die epitaxial aufgewachsene Halbleiterstruktur kann sich in Kontakt mit einer Seitenwand der zweiten Halbleiterschicht benachbart zu der Oxidschicht befinden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Dicke der zweiten Halbleiterschicht in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 1 µm liegen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Vertiefung einen unteren Teil der Vertiefung in dem Substrat mit einem Aspektverhältnis von größer als 3 beinhalten, so dass der Hohlraum die Seitenwand des Substrats freilegen kann.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Vertiefung einen oberen Teil der Vertiefung durch die Oxidschicht hindurch mit einem Aspektverhältnis von größer als 1 beinhalten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Bauelement des Weiteren einen Sauerstoff enthaltenden isolierenden Bereich unter der Vertiefung beinhalten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Teil der Vertiefung in dem Substrat benachbart zu der Oxidschicht eine Breite aufweisen, die größer als ein Teil der Vertiefung benachbart zu einem Boden der Vertiefung ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden beschrieben und sind in den Zeichnungen dargestellt, in denen:

1 bis 4 Querschnittansichten sind, die Zwischenstrukturen darstellen, die in Arbeitsgängen zum Bilden einer Halbleiterstruktur bereitgestellt werden,
5 eine Querschnittansicht ist, die eine Zwischenstruktur darstellt, die in Arbeitsgängen zum Bilden einer Halbleiterstruktur bereitgestellt wird,
6 bis 8 Querschnittansichten sind, die Zwischenstrukturen darstellen, die in Arbeitsgängen zum Bilden einer Halbleiterstruktur bereitgestellt werden,
9 und 10 Querschnittansichten sind, die Zwischenstrukturen darstellen, die in Arbeitsgängen zum Bilden einer Halbleiterschicht bereitgestellt werden,
11A und 11B Flussdiagramme sind, die Arbeitsgänge zum Bilden einer Halbleiterstruktur darstellen, und
12A und 12B Flussdiagramme sind, die Arbeitsgänge zum Bilden einer Halbleiterschicht darstellen.

Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen können die Abmessungen und die relativen Abmessungen von Schichten und Bereichen der Klarheit halber übertrieben dargestellt sein. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchweg auf gleichartige Elemente.
Die 1 bis 4 sind Querschnittansichten, die Zwischenstrukturen darstellen, die in Arbeitsgängen zum Bilden einer Halbleiterstruktur gemäß entsprechenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden.
Bezugnehmend auf 1 beinhalten Arbeitsvorgänge zum Bilden einer Halbleiterstruktur ein Bilden einer Oxidschicht 102 auf einem Substrat 100 sowie ein Bilden einer Vertiefung 104. Die Oxidschicht 102 kann zum Beispiel eine Siliciumoxidschicht sein, und das Substrat 100 kann ein Bulk-Siliciumsubstrat sein. Die Vertiefung 104 beinhaltet einen oberen Teil der Vertiefung 104a in der Oxidschicht 102 sowie einen unteren Teil der Vertiefung 104b in dem Substrat 100.
Gemäß 1 beinhalten die Arbeitsvorgänge ein Durchführen eines ersten epitaxialen Wachstumsprozesses, um Kristallkeimstrukturen 106, eine überhängende Kristallkeimstruktur 106a sowie eine untere Kristallkeimstruktur 106b zu bilden, die ein Halbleitermaterial beinhalten. Das Halbleitermaterial kann zum Beispiel Germanium, Siliciumgermanium, Indiumgalliumarsenid oder eine Ill-V-Verbindung sein. Es können auch andere Materialien verwendet werden.
Epitaxiale Wachstumsprozesse bilden Halbleiterstrukturen auf einer reaktiven Oberfläche, die freie Bindungen aufweist, bilden jedoch auf einer nicht reaktiven Oberfläche, die keine freien Bindungen aufweist, keine Halbleiterstrukturen. Demgemäß kann der erste epitaxiale Wachstumsprozess, wie in 1 dargestellt, die Kristallkeimstrukturen 106 selektiv auf einer Oberfläche des Substrats 100 in der Vertiefung 104 bilden, die reaktiv ist, und kann auf einer Oberfläche der Oxidschicht 102 in der Vertiefung 104, die nicht reaktiv ist, keine Halbleiterstrukturen bilden. Im Einzelnen kann die überhängende Kristallkeimstruktur 106a unter Verwendung einer Seitenwand der Vertiefung 104 in dem Substrat 100 an einer Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 102 und dem Substrat 100 als einer Kristallkeimschicht gebildet werden, und die untere Kristallkeimstruktur 106b kann unter Verwendung des Substrats 100 als einer Kristallkeimschicht gebildet werden. Es versteht sich, dass die Seitenwand des Substrats 100 an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der Oxidschicht 102 einen Teil der Seitenwand des Substrats 100 benachbart zu jener Grenzfläche beinhalten kann. Die überhängende Kristallkeimstruktur 106a kann sich an der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 102 und dem Substrat 100 in Kontakt mit der Seitenwand des Substrats 100 befinden.
Es versteht sich, dass eine Wachstumsrate einer Halbleiterstruktur, die unter Verwendung des ersten epitaxialen Wachstumsprozesses gebildet wird, entlang einer Richtung in die Tiefe des unteren Teils der Vertiefung 104b abnehmen kann, da die Menge an Reaktanden, die in den unteren Teil der Vertiefung 104b hinein diffundiert sind, entlang der Richtung in die Tiefe abnehmen kann. Demgemäß kann die überhängende Kristallkeimstruktur 106a, die an der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 102 und dem Substrat 100 gebildet wird, schnell wachsen und kann eine Diffusion von Reaktanden in den unteren Teil der Vertiefung 104b hinein verhindern, so dass in dem unteren Teil der Vertiefung 104b ein Hohlraum gebildet werden kann. Der Hohlraum kann die überhängende Kristallkeimstruktur 106a von der unteren Kristallkeimstruktur 106b entkoppeln und kann somit eine Seitenwand des unteren Teils der Vertiefung 104b wenigstens teilweise freiliegend belassen.
Weiterhin bezugnehmend auf 1 können die überhängende Kristallkeimstruktur 106a und die untere Kristallkeimstruktur 106b durch gerade Linien dargestellte Versetzungsdefekte beinhalten, die von Grenzflächen zwischen dem Substrat 100 und den Kristallkeimstrukturen 106 herrühren. Vertikale und horizontale gerade Linien stellen jeweilige vertikale und horizontale Versetzungsdefekte dar. Versetzungsdefekte können aufgrund der mechanischen Spannung erzeugt werden, die durch eine Gitterfehlanpassung an den Grenzflächen zwischen dem Substrat 100 und den Kristallkeimstrukturen 106 induziert wird.
Die untere Kristallkeimstruktur 106b kann Versetzungsdefekte mit verschiedenen Richtungen beinhalten, die von der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der unteren Kristallkeimstruktur 106b herrühren, einschließlich vertikaler Versetzungsdefekte. Die Versetzungsdefekte in der unteren Kristallkeimstruktur 106b können sich jedoch nicht in die überhängende Kristallkeimstruktur 106a hinein ausbreiten, da der Hohlraum in dem unteren Teil der Vertiefung 104b die überhängende Kristallkeimstruktur 106a und die untere Kristallkeimstruktur 106b entkoppeln kann. Mit anderen Worten gesagt, kann der Hohlraum eine Verbindung zwischen der überhängenden Kristallkeimstruktur 106a und der unteren Kristallkeimstruktur 106b reduzieren oder minimieren. Demgemäß kann die überhängende Kristallkeimstruktur 106a die Versetzungsdefekte nicht beinhalten, die von der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der unteren Kristallkeimstruktur 106b herrühren, und kann somit lediglich Versetzungsdefekte beinhalten, die von der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der überhängenden Kristallkeimstruktur 106a herrühren. Die überhängende Kristallkeimstruktur 106a kann horizontale Versetzungsdefekte beinhalten, kann jedoch aufgrund einer Orientierung der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der überhängenden Kristallkeimstruktur 106a keine vertikalen Versetzungsdefekte beinhalten.
Es versteht sich, dass Aspektverhältnisse des oberen und des unteren Teils der Vertiefung 104a und 104b eine Form und eine Position des Hohlraums beeinflussen können. Demgemäß können die Aspektverhältnisse des oberen und des unteren Teils der Vertiefung 104a und 104b (in Bezug zueinander) im Voraus festgelegt werden, um den Hohlraum zu bilden, der die überhängende Kristallkeimstruktur 106a von der unteren Kristallkeimstruktur 106b derart entkoppelt, dass eine Ausbreitung der Versetzungsdefekte in der unteren Kristallkeimstruktur 106b in die überhängende Kristallkeimstruktur 106a hinein reduziert oder minimiert werden kann.
In entsprechenden Ausführungsformen kann das Aspektverhältnis des oberen Teils der Vertiefung 104a größer als 1 sein, und das Aspektverhältnis des unteren Teils der Vertiefung 104b kann größer als 3 sein. In entsprechenden Ausführungsformen können der obere und der untere Teil der Vertiefung 104a und 104b im Wesentlichen die gleiche Breite aufweisen, und eine Tiefe des unteren Teils der Vertiefung 104b kann mehr als drei Mal größer als eine Tiefe des oberen Teils der Vertiefung 104a sein.
Nunmehr bezugnehmend auf 2 beinhalten die Arbeitsvorgänge ein Durchführen eines zweiten epitaxialen Wachstumsprozesses unter Verwendung der überhängenden Kristallkeimstruktur 106a als einer Kristallkeimschicht, um eine vorläufige Halbleiterstruktur 108 zu bilden. Wie in der 2 dargestellt, können sich horizontale Versetzungsdefekte in der überhängenden Kristallkeimstruktur 106a während des zweiten epi-taxialen Wachstumsprozesses in die vorläufige Halbleiterstruktur 108 hinein ausbreiten. Es versteht sich jedoch, dass ein Großteil der horizontalen Versetzungsdefekte in der Oxidschicht 102 eingefangen werden kann und somit ein oberer Teil der vorläufigen Halbleiterstruktur 108 möglicherweise keine horizontalen Versetzungsdefekte beinhaltet oder im Wesentlichen frei von diesen ist. Die Dicke der Oxidschicht 102 kann im Voraus festgelegt werden, um den oberen Teil der Vertiefung mit dem Aspektverhältnis von größer als 1 zu bilden, so dass im Wesentlichen sämtliche horizontalen Versetzungsdefekte durch die Oxidschicht 102 eingefangen werden können.
Des Weiteren kann der obere Teil der vorläufigen Halbleiterstruktur 108 keine vertikalen Versetzungsdefekte beinhalten, da die überhängende Kristallkeimstruktur 106a keine vertikalen Versetzungsdefekte beinhalten kann, wie unter Bezugnahme auf 1 erörtert. Demgemäß beinhaltet der obere Teil der vorläufigen Halbleiterstruktur 108 möglicherweise keine Versetzungsdefekte oder ist möglicherweise im Wesentlichen frei von diesen.
Der zweite epitaxiale Wachstumsprozess kann durchgeführt werden, bis die vorläufige Halbleiterstruktur 108 derart überwachsen ist, dass der obere Teil der vorläufigen Halbleiterstruktur 108 aus der Vertiefung 104 herausragt. Es versteht sich, dass der erste und der zweite epitaxiale Wachstumsprozess in einer Weise in-situ durchgeführt werden können, bei welcher der erste und der zweite epitaxiale Wachstumsprozess in der gleichen Prozesskammer durchgeführt werden.
Die Arbeitsvorgänge beinhalten ein Planarisieren des oberen Teils der vorläufigen Halbleiterstruktur 108, um in der Vertiefung 104 eine Halbleiterstruktur 108a (3) zu bilden. Für die Planarisierung kann zum Beispiel ein isotroper Ätzprozess oder ein chemisch-mechanischer Polier(CMP)-Prozess verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann ein oberer Teil der Oxidschicht 102 teilweise entfernt werden. Nach dem Planarisieren des oberen Teils der vorläufigen Halbleiterstruktur 108 können Oberseiten der Oxidschicht 102 und der Halbleiterstruktur 108a koplanar sein.
Die Arbeitsvorgänge können des Weiteren ein Vertiefen der Oxidschicht 102 beinhalten, um den oberen Teil der Halbleiterstruktur 108a (4) teilweise freizulegen. Die Oxidschicht 102 kann zum Beispiel unter Verwendung eines Ätzprozesses vertieft werden, der die Oxidschicht 102 selektiv in Bezug auf die Halbleiterstruktur 108a ätzt. Der Ätzprozess kann ein Trockenätzprozess, ein Nassätzprozess oder eine Kombination derselben sein. Es versteht sich, dass die Halbleiterstruktur 108a in einem integrierten Schaltkreisbauelement zum Beispiel als ein fin-förmiger Kanalbereich in einem Fin-FET (Feldeffekttransistor) verwendet werden kann.
Gemäß 4 beinhalten die Arbeitsvorgänge ein Implantieren von Sauerstoffionen in das Substrat, um unter der Vertiefung 104 einen isolierenden Bereich 110 zu bilden. Der isolierende Bereich kann in einem Bereich von etwa 50 nm bis etwa 100 nm von einer Oberseite des Substrats 100 beabstandet sein. Eine Dosis von Sauerstoffionen kann in einem Bereich von etwa 1 x 1017 Atome / cm2 bis etwa 1 x 1019 Atome / cm2 liegen.
5 ist eine Querschnittansicht, die eine Zwischenstruktur darstellt, die in Arbeitsvorgängen zum Bilden einer Halbleiterstruktur gemäß entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellt wird. Gemäß 5 beinhalten die Arbeitsvorgänge zusätzlich ein Verbreitern einer Öffnung des unteren Teils der Vertiefung 104b vor dem ersten epitaxialen Wachstumsprozess. Zum Beispiel kann ein isotroper Ätzprozess, der das Substrat selektiv in Bezug auf die Oxidschicht 102 entfernt, dazu verwendet werden, die Öffnung des unteren Teils der Vertiefung 104b zu verbreitern. Das Verbreitern der Öffnung des unteren Teils der Vertiefung 104b kann Teile einer Unterseite der Oxidschicht 102 freilegen. Wie in 5 dargestellt, können die Teile der Unterseite der Oxidschicht 102 zusätzlich Versetzungsdefekte einfangen, die von der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der überhängenden Kristallkeimstruktur 106a herrühren.
Die 6 bis 8 sind Querschnittansichten, die Zwischenstrukturen darstellen, die in Arbeitsvorgängen zum Bilden einer Halbleiterstruktur gemäß entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellt werden.
Bezugnehmend auf 6 beinhalten Arbeitsvorgänge zum Bilden einer Halbleiterstruktur ein sequentielles Bilden einer Halbleiterschicht 201 und einer Oxidschicht 102 auf einem Substrat 100. Das Substrat 100 kann ein Material beinhalten, das sich von demjenigen der Halbleiterschicht 201 unterscheidet. Das Substrat 100 kann zum Beispiel Silicium beinhalten, und die Halbleiterschicht 201 kann Germanium, Siliciumger-manium, Indiumgalliumarsenid oder eine Ill-V-Verbindung beinhalten. Entsprechend kann die Halbleiterschicht 201 aufgrund von mechanischer Spannung, die durch eine Gitterfehlanpassung an einer Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der Halbleiterschicht 201 induziert wird, verschiedene Versetzungsdefekte beinhalten, die in 6 durch gerade Linien dargestellt sind. Es versteht sich, dass die meisten vertikalen Versetzungsdefekte durch die Oxidschicht 102 eingefangen werden können und dass sich horizontale Versetzungsdefekte in später gebildete Halbleiterstrukturen hinein ausbreiten können. Eine Dicke der Halbleiterschicht 201 kann in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 1 µm liegen. Die Oxidschicht 102 kann zum Beispiel eine Siliciumoxidschicht sein.
Weiterhin bezugnehmend auf 6 beinhalten die Arbeitsvorgänge ein Bilden einer Vertiefung 204. Die Vertiefung 204 kann einen oberen Teil der Vertiefung 104a in der Oxidschicht 102 und einen unteren Teil der Vertiefung 204b in der Halbleiterschicht 201 und dem Substrat 100 beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann sich der untere Teil der Vertiefung 204b lediglich in der Halbleiterschicht 201 befinden und legt das Substrat 100 möglicherweise nicht frei.
Nunmehr bezugnehmend auf 7 beinhalten die Arbeitsvorgänge ein Durchführen eines ersten epitaxialen Wachstumsprozesses, um Kristallkeimstrukturen 206, eine überhängende Kristallkeimstruktur 206a sowie eine untere Kristallkeimstruktur 206b zu bilden, die ein Halbleitermaterial beinhalten. Die überhängende Kristallkeimstruktur 206a kann unter Verwendung einer Seitenwand der Halbleiterschicht 201 an einer Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 102 und der Halbleiterschicht 201 als einer Kristallkeimschicht gebildet werden, und die untere Kristallkeimstruktur 206b kann unter Verwendung des Substrats 100 als einer Kristallkeimschicht gebildet werden. Es versteht sich, dass die Seitenwand der Halbleiterschicht 201 an der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 102 und der Halbleiterschicht 201 einen Teil der Seitenwand der Halbleiterschicht 201 benachbart zu der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 102 und der Halbleiterschicht 201 beinhalten kann. Die überhängende Kristallkeimstruktur 206a kann sich in Kontakt mit der Seitenwand der Halbleiterschicht 201 befinden.
Wie unter Bezugnahme auf 1 erörtert, kann der erste epitaxiale Wachstumsprozess die Kristallkeimstrukturen 206 selektiv auf Oberflächen des Substrats 100 und der Halbleiterschicht 201 bilden, da beide reaktive Oberflächen aufweisen, und er kann keine Halbleiterstrukturen auf der Oxidschicht 102 bilden. Darüber hinaus kann der erste epitaxiale Wachstumsprozess die überhängende Kristallkeimstruktur 206a schnell aufwachsen lassen. Entsprechend kann der erste epitaxiale Wachstumsprozess in einem Hohlraum in dem unteren Teil der Vertiefung 204b unter der überhängenden Kristallkeimstruktur 206a resultieren. Der Hohlraum kann eine Seitenwand des unteren Teils der Vertiefung 204b wenigstens teilweise freilegen und kann somit die überhängende Kristallkeimstruktur 206a und die untere Kristallkeimstruktur 206b entkoppeln.
Gemäß 7 können die überhängende Kristallkeimstruktur 206a und die untere Kristallkeimstruktur 206b durch gerade Linien dargestellte Versetzungsdefekte beinhalten, die von Grenzflächen zwischen dem Substrat 100 und den Kristallkeimstrukturen 206 und Grenzflächen zwischen der Halbleiterschicht 201 und den Kristallkeimstrukturen 206 herrühren. Die überhängende Kristallkeimstruktur 206a kann horizontale Versetzungsdefekte beinhalten, kann jedoch aus Gründen, die später hierin erörtert werden, keine vertikalen Versetzungsdefekte beinhalten.
In entsprechenden Ausführungsformen können die Kristallkeimstrukturen 206 und die Halbleiterschicht 201 das gleiche Halbleitermaterial beinhalten. Demgemäß kann die überhängende Kristallkeimstruktur 206a auf einer gitterangepassten Oberfläche gebildet werden, so dass die überhängende Kristallkeimstruktur 206a keine Versetzungsdefekte beinhalten kann, die von einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht 201 und der überhängenden Kristallkeimstruktur 206a herrühren. Wie in 7 dargestellt, können sich einige horizontale Versetzungsdefekte, die von der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der Halbleiterschicht 201 herrühren, in die überhängende Kristallkeimstruktur 206a hinein ausbreiten. Es versteht sich jedoch, dass eine Wahrscheinlichkeit für Versetzungsdefekte, die in der überhängenden Kristallkeimstruktur 206a eingefangen werden, gering sein kann, da die Dicke der Halbleiterschicht 201 weniger als 100 nm beträgt und demgemäß eine Dicke der überhängenden Kristallkeimstruktur 206a weniger als 100 nm beträgt. Sowohl die Kristallkeimstruktur 206 als auch die Halbleiterschicht 201 können zum Beispiel Germanium, Siliciumgermanium, Indiumgalliumarsenid oder eine III-V-Verbindung beinhalten.
In entsprechenden Ausführungsformen können die Kristallkeimstrukturen 206 und die Halbleiterschicht 201 unterschiedliche Halbleitermaterialien beinhalten, und die überhängende Kristallkeimstruktur 206a kann somit aufgrund Gitterfehlanpassung an der Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht 201 und der überhängenden Kristallkeimstruktur 206a verspannt sein. Entsprechend kann die überhängende Kristallkeimstruktur 206a zusätzlich zu horizontalen Versetzungsdefekten, die von der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der Halbleiterschicht 201 herrühren, horizontale Versetzungsdefekte beinhalten, die von der Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht 201 und der überhängenden Kristallkeimstruktur 206a herrühren. Die Halbleiterschicht 201 kann zum Beispiel Siliciumgermanium beinhalten, und die überhängende Kristallkeimstruktur 206a kann Germanium beinhalten. Eine Germanium-Konzentration der überhängenden Kristallkeimstruktur 206a kann maßgeschneidert werden, um die überhängende Kristallkeimstruktur 206a zu bilden, die verspannt ist, kann jedoch nicht viele Versetzungsdefekte beinhalten, die von der Grenzfläche der überhängenden Kristallkeimstruktur 206a und der Halbleiterschicht 201 herrühren.
Die untere Kristallkeimstruktur 206b kann Versetzungsdefekte beinhalten, die verschiedene Richtungen aufweisen, einschließlich vertikaler Versetzungsdefekte. Es versteht sich, dass sich vertikale Versetzungsdefekte in der unteren Kristallkeimstruktur 206b nicht in die überhängende Kristallkeimstruktur 206a hinein ausbreiten können, da der Hohlraum die untere Kristallkeimstruktur 206b von der überhängenden Kristallkeimstruktur 206a entkoppelt. Demgemäß kann die überhängende Kristallkeimstruktur 206a keine vertikalen Versetzungsdefekte beinhalten oder kann im Wesentlichen frei von vertikalen Versetzungsdefekten sein.
Wie unter Bezugnahme auf 1 erörtert, versteht es sich, dass Aspektverhältnisse des oberen und des unteren Teils der Vertiefung 104a und 204b (in Bezug zueinander) im Voraus festgelegt werden können, um den Hohlraum zu bilden, der die überhängende Kristallkeimstruktur 206a von der unteren Kristallkeimstruktur 206b entkoppelt. In einigen Ausführungsformen kann das Aspektverhältnis des oberen Teils der Vertiefung 104a größer als 1 sein, und das Aspektverhältnis des unteren Teils der Vertiefung 204b kann größer als 3 sein. In einigen Ausführungsformen können der obere und der untere Teil der Vertiefung 104a und 204b im Wesentlichen die gleiche Breite aufweisen, und eine Tiefe des unteren Teils der Vertiefung 204b kann mehr als drei Mal größer als eine Tiefe des oberen Teils der Vertiefung 104a sein.
Der Arbeitsvorgang kann nach der Bildung der überhängenden Kristallkeimstruktur 206a zusätzlich einen Wärmebehandlungsprozess beinhalten. Der Wärmebehandlungsprozess kann als ein Prozess in-situ durchgeführt werden, der in der gleichen Prozesskammer durchgeführt wird, in welcher der erste epitaxiale Wachstumsprozess durchgeführt wird. Der Wärmebehandlungsprozess kann bei einer Temperatur durchgeführt werden, die höher als eine Reflow-Temperatur der überhängenden Kristallkeimstruktur 206a ist, um die überhängende Kristallkeimstruktur 206a zu bilden, die eine Öffnung des unteren Teils der Vertiefung 204b im Wesentlichen vollständig einschließt. In entsprechenden Ausführungsformen kann die überhängende Kristallkeimstruktur 206a Germanium beinhalten, und die Temperatur des Wärmebehandlungsprozesses kann in einem Bereich von etwa 500 °C bis etwa 800 °C liegen. Ein Gas für den Wärmebehandlungsprozess kann zum Beispiel Wasserstoff, Stickstoff oder irgendein inertes Gas beinhalten.
Nunmehr bezugnehmend auf 8 beinhalten die Arbeitsvorgänge ein Durchführen eines zweiten epitaxialen Wachstumsprozesses unter Verwendung der überhängenden Kristallkeimstruktur 206a als einer Kristallkeimschicht, um eine vorläufige Halbleiterstruktur 208 zu bilden. Wie in der 8 dargestellt, können sich horizontale Versetzungsdefekte in der überhängenden Kristallkeimstruktur 206a während des zweiten epi-taxialen Wachstumsprozesses in die vorläufige Halbleiterstruktur 208 hinein ausbreiten. Es versteht sich jedoch, dass ein Großteil der horizontalen Versetzungsdefekte in der Oxidschicht 102 eingefangen werden kann, da eine Dicke der Oxidschicht 102 im Voraus so festgelegt werden kann, dass sie den oberen Teil der Vertiefung 104a mit dem Aspektverhältnis von größer als 1 bildet.
Ein oberer Teil der vorläufigen Halbleiterstruktur 208 braucht somit keine horizontalen Versetzungsdefekte beinhalten. Des Weiteren braucht der obere Teil der vorläufigen Halbleiterstruktur 208 keine vertikalen Versetzungsdefekte beinhalten, da die überhängende Kristallkeimstruktur 206a keine vertikalen Versetzungsdefekte beinhaltet. Demgemäß braucht der obere Teil der vorläufigen Halbleiterstruktur 208 keine Versetzungsdefekte beinhalten oder kann im Wesentlichen frei von Versetzungsdefekten sein. Der zweite epitaxiale Wachstumsprozess kann durchgeführt werden, bis die vorläufige Halbleiterstruktur 208 derart überwachsen ist, dass der obere Teil der vorläufigen Halbleiterstruktur 208 aus der Vertiefung 204 herausragen kann.
Nach dem zweiten epitaxialen Wachstumsprozess können die Arbeitsvorgänge des Weiteren ein Planarisieren des oberen Teils der vorläufigen Halbleiterstruktur 208, um eine Halbleiterstruktur zu bilden, sowie ein Vertiefen der Oxidschicht 102 beinhalten, die ähnliche Prozesse wie die Prozesse sind, die unter Bezugnahme auf die 3 und 4 erörtert wurden. Es versteht sich, dass die Halbleiterstruktur in einem integrierten Schaltkreisbauelement zum Beispiel als ein fin-förmiger Kanalbereich in einem Fin-FET (Feldeffekttransistor) verwendet werden kann.
Des Weiteren versteht es sich, dass die Arbeitsvorgänge zusätzlich ein Verbreitern einer Öffnung des unteren Teils der Vertiefung 204b vor dem Durchführen des ersten epitaxialen Wachstumsprozesses beinhalten können, der ein ähnlicher Prozess wie der Prozess ist, der unter Bezugnahme auf 5 erörtert wurde.
Die 9 und 10 sind Querschnittansichten, die Zwischenstrukturen darstellen, die in Arbeitsgängen zum Bilden einer Halbleiterschicht gemäß entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellt werden.
Bezugnehmend auf 9 beinhalten Arbeitsvorgänge zum Bilden einer Halbleiterschicht ein sequentielles Bilden einer Halbleiterkristallkeimschicht 301 sowie einer Oxidschicht 302 auf einem Substrat 100. Das Substrat 100 kann ein Material beinhalten, das sich von demjenigen der Halbleiterkristallkeimschicht 301 unterscheidet. Das Substrat 100 kann zum Beispiel Silicium beinhalten, und die Halbleiterkristallkeimschicht 301 kann Germanium, Siliciumgermanium, Indiumgalliumarsenid oder eine III-V-Verbindung beinhalten. Demgemäß kann die Halbleiterkristallkeimschicht 301 verschiedene, durch gerade Linien dargestellte Versetzungsdefekte beinhalten, die von einer Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der Halbleiterkristallkeimschicht 301 herrühren.
Es versteht sich, dass sich lediglich einige der horizontalen Versetzungsdefekte, die von einer Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der Halbleiterkristallkeimschicht 301 herrühren, in später gebildete Halbleiterstrukturen hinein ausbreiten können, da die meisten vertikalen Versetzungsdefekte in der Halbleiterkristallkeimschicht 301 durch die Oxidschicht 302 eingefangen sein können. Eine Dicke der Halbleiterkristallkeimschicht 301 kann in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 1 µm liegen. Die Oxidschicht 302 kann zum Beispiel eine Siliciumoxidschicht sein.
Gemäß 9 beinhalten die Arbeitsvorgänge ein Bilden von Vertiefungen 304 in der Oxidschicht 302, der Halbleiterkristallkeimschicht 301 und dem Substrat 100. Jede der Vertiefungen 304 kann einen oberen Teil der Vertiefung 304a in der Oxidschicht 302 sowie einen unteren Teil der Vertiefung 304b in der Halbleiterkristallkeimschicht 301 und dem Substrat 100 beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann sich der untere Teil der Vertiefung 304b in der Halbleiterkristallkeimschicht 301 befinden und legt das Substrat 100 möglicherweise nicht frei.
Die Arbeitsvorgänge können ein Durchführen eines ersten epitaxialen Wachstumsprozesses beinhalten, der ein ähnlicher Prozess wie der unter Bezugnahme auf 7 erörterte Prozess ist, um in den jeweiligen Vertiefungen 304 Kristallkeimstrukturen 306 zu bilden, die ein Halbleitermaterial beinhalten. Jede der Kristallkeimstrukturen 306 kann eine überhängende Kristallkeimstruktur 306a sowie eine untere Kristallkeimstruktur 306b beinhalten. Die überhängende Kristallkeimstruktur 306a kann unter Verwendung einer Seitenwand der Halbleiterkristallkeimschicht 301 an einer Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 302 und der Halbleiterkristallkeimschicht 301 als einer Kristallkeimschicht gebildet werden, und die untere Kristallkeimstruktur 306b kann unter Verwendung des Substrats 100 als einer Kristallkeimschicht gebildet werden.
Der erste epitaxiale Wachstumsprozess kann in einem Hohlraum in dem unteren Teil der Vertiefung 304b unter der überhängenden Kristallkeimstruktur 306a resultieren, wie unter Bezugnahme auf 1 erörtert. Der Hohlraum kann eine Seitenwand des unteren Teils der Vertiefung 304b wenigstens teilweise freilegen und kann somit die überhängende Kristallkeimstruktur 306a von der unteren Kristallkeimstruktur 306b entkoppeln.
In entsprechenden Ausführungsformen können die Halbleiterkristallkeimschicht 301 und die überhängende Kristallkeimstruktur 306a ein Halbleitermaterial beinhalten, zum Beispiel Germanium, Siliciumgermanium, Indiumgalliumarsenid oder eine Ill-V-Verbindung. In entsprechenden Ausführungsformen können die Halbleiterkristallkeimschicht 301 und die überhängende Kristallkeimstruktur 306a unterschiedliche Halbleitermaterialien beinhalten. Die Halbleiterkristallkeimschicht 301 kann zum Beispiel Siliciumgermanium beinhalten, und die überhängende Kristallkeimstruktur 306a kann Germanium beinhalten.
Die überhängende Kristallkeimstruktur 306a kann horizontale Versetzungsdefekte beinhalten, die von der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der Halbleiterkristallkeimschicht 301 herrühren. In entsprechenden Ausführungsformen kann die überhängende Kristallkeimstruktur 306a zusätzlich horizontale Versetzungsdefekte beinhalten, die von der Grenzfläche zwischen der Halbleiterkristallkeimschicht 301 und der überhängenden Kristallkeimstruktur 306a herrühren, wenn die Halbleiterkristallkeimschicht 301 und die überhängende Kristallkeimstruktur 306a unterschiedliche Halbleitermaterialien beinhalten.
Die untere Kristallkeimstruktur 306b kann Versetzungsdefekte mit verschiedenen Richtungen beinhalten, die von dem Substrat 100 und der unteren Kristallkeimstruktur 306b herrühren, einschließlich vertikaler Versetzungsdefekte. Es versteht sich, dass sich vertikale Versetzungsdefekte in der unteren Kristallkeimstruktur 306b nicht in die überhängende Kristallkeimstruktur 206a hinein ausbreiten, da der Hohlraum die untere Kristallkeimstruktur 306b und die überhängende Kristallkeimstruktur 306a entkoppelt. Demgemäß beinhaltet die überhängende Kristallkeimstruktur 306a keine vertikalen Versetzungsdefekte oder ist im Wesentlichen frei von vertikalen Versetzungsdefekten.
Aspektverhältnisse des oberen und des unteren Teils der Vertiefung 304a und 304b (in Bezug zueinander) können im Voraus festgelegt werden, um den Hohlraum zu bilden, der die überhängende Kristallkeimstruktur 306a von der unteren Kristallkeimstruktur 306b entkoppelt. In entsprechenden Ausführungsformen kann das Aspektverhältnis des oberen Teils der Vertiefung 304a größer als 1 sein, und das Aspektverhältnis des unteren Teils der Vertiefung 304b kann größer als 3 sein. In entsprechenden Ausführungsformen können der obere und der untere Teil der Vertiefung 304a und 304b im Wesentlichen die gleiche Breite aufweisen, und eine Tiefe des unteren Teils der Vertiefung 304b kann mehr als drei Mal größer als eine Tiefe des oberen Teils der Vertiefung 304a sein.
Es versteht sich, dass vor dem ersten epitaxialen Wachstumsprozess zusätzlich ein Wärmebehandlungsprozess durchgeführt werden kann, um die überhängende Kristallkeimstruktur 306a auf einer im Wesentlichen vollständig gitterangepassten Oberfläche zu bilden. Eine Temperatur des Wärmebehandlungsprozesses kann höher als eine Reflow-Temperatur der Halbleiterkristallkeimschicht 301 sein. Die Halbleiterkristallkeimschicht 301 kann zum Beispiel eine Germaniumschicht sein, und die Temperatur kann in einem Bereich von etwa 500 °C bis etwa 800 °C liegen. Ein Gas des Wärmebehandlungsprozesses kann zum Beispiel Wasserstoff, Stickstoff oder irgendein inertes Gas beinhalten.
Des Weiteren können die Arbeitsvorgänge nach dem ersten epitaxialen Wachstumsprozess einen Wärmebehandlungsprozess beinhalten. Der Wärmebehandlungsprozess kann als ein Prozess in-situ in Bezug auf den ersten epitaxialen Wachstumsprozess durchgeführt werden, und eine Temperatur des Wärmebehandlungsprozesses kann höher als eine Reflow-Temperatur der überhängenden Kristallkeimstruktur 306a sein, um die überhängende Kristallkeimstruktur 306a zu bilden, die eine Öffnung des unteren Teils der Vertiefung 304b im Wesentlichen vollständig einschließt. In entsprechenden Ausführungsformen kann die überhängende Kristallkeimstruktur 306a Germanium beinhalten, und die Temperatur des Wärmebehandlungsprozesses kann somit in einem Bereich von etwa 500 °C bis etwa 800 °C liegen. Ein Gas des Wärmebehandlungsprozesses kann zum Beispiel Wasserstoff, Stickstoff oder irgendein inertes Gas beinhalten.
Gemäß 9 können die Arbeitsvorgänge des Weiteren ein Durchführen eines zweiten epitaxialen Wachstumsprozesses beinhalten, um Halbleiterstrukturen 308 in der jeweiligen Vertiefung 304 zu bilden. Es versteht sich, dass ein Großteil der horizontalen Versetzungsdefekte in der überhängenden Kristallkeimstruktur 306a während des zweiten epi-taxialen Wachstumsprozesses in der Oxidschicht 302 eingefangen werden kann und somit obere Teile der Halbleiterstrukturen 308 keine horizontalen Versetzungsdefekte beinhalten. Des Weiteren brauchen die oberen Teile der Halbleiterstrukturen 308 keine vertikalen Versetzungsdefekte beinhalten, da die überhängenden Kristallkeimstrukturen 306a keine vertikalen Versetzungsdefekte beinhalten brauchen. Demgemäß brauchen die oberen Teile der Halbleiterstrukturen keine Versetzungsdefekte beinhalten oder können im Wesentlichen frei von Versetzungsdefekten sein. Der zweite epitaxiale Wachstumsprozess kann durchgeführt werden, bis die Halbleiterstrukturen 308 derart überwachsen sind, dass die oberen Teile der Halbleiterstrukturen 308 aus der Vertiefung 304 herausragen.
Es versteht sich, dass die Arbeitsvorgänge zusätzlich ein Verbreitern einer Öffnung des unteren Teils der Vertiefung 304b beinhalten können, bevor der erste epitaxiale Wachstumsprozess durchgeführt wird, der ein ähnlicher Prozess wie der unter Bezugnahme auf 5 erörterte Prozess ist.
Nach dem zweiten epitaxialen Wachstumsprozess können die Arbeitsvorgänge des Weiteren einen dritten epitaxialen Wachstumsprozess beinhalten, um eine Halbleiterschicht 310 zu bilden, die sich auf der Oxidschicht 102 erstreckt, wobei die Mehrzahl von vorläufigen Halbleiterstrukturen 308 als Kristallkeimschichten verwendet wird (10). Die Mehrzahl von vorläufigen Halbleiterstrukturen 308 kann lateral wachsen, bis benachbarte der Mehrzahl von vorläufigen Halbleiterstrukturen 308 in Kontakt zueinander kommen. Es versteht sich, dass die Halbleiterschicht 310 ein Teil eines Donator-Wafers sein kann, der beim Herstellen eines Halbleiter-auf-Isolator-Bauelements verwendet wird, zum Beispiel Silicium-auf-Isolator (SOI), Germanium-auf-Isolator (GeOI) oder III-V-Verbindung-auf-Isolator (IIIVOI).
In entsprechenden Ausführungsformen können die Arbeitsvorgänge nach dem dritten epitaxialen Wachstumsprozess zusätzlich einen Wärmebehandlungsprozess beinhalten, um Korngrenzen in der Halbleiterschicht 310 zu reduzieren. Eine Wärmebehandlungstemperatur kann höher als eine Reflow-Temperatur der Halbleiterschicht 310 sein. Die Halbleiterschicht 310 kann zum Beispiel eine Germaniumschicht sein, und die Wärmebehandlungstemperatur kann in einem Bereich von etwa 500 °C bis etwa 800 °C liegen. Ein Gas des Wärmebehandlungsprozesses kann zum Beispiel Wasserstoff, Stickstoff oder irgendein inertes Gas beinhalten.
Des Weiteren kann eine Schutzschicht auf der Halbleiterschicht 310 gebildet werden. Die Schutzschicht kann eine Siliciumoxidschicht sein. Es versteht sich, dass vor dem Bilden der Schutzschicht zusätzlich ein CMP-Prozess auf der Halbleiterschicht 310 durchgeführt werden kann.
Die 11A und 11B sind Flussdiagramme, die Arbeitsvorgänge zum Bilden einer Halbleiterstruktur gemäß entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Gemäß 11A beinhalten die Arbeitsvorgänge ein Bilden einer Oxidschicht auf einem Substrat (Block 1102). In entsprechenden Ausführungsformen beinhaltet das Substrat zwei Halbleiterschichten. Eine untere Schicht des Substrats kann zum Beispiel Silicium beinhalten, und eine obere Schicht, die sich zwischen der unteren Schicht und der Oxidschicht erstreckt, kann Germanium, Siliciumgermanium, Indiumgalliumarsenid oder eine Ill-V-Verbindung beinhalten. Die Arbeitsvorgänge können ein Bilden einer Vertiefung in der Oxidschicht und dem Substrat beinhalten (Block 1104). Die Vertiefung kann unter Verwendung von Photolithographie- und Ätzprozessen gebildet werden. Der Ätzprozess kann ein anisotroper Ätzprozess sein und kann ein Nassätzprozess, ein Trockenätzprozess oder eine Kombination derselben sein. Darüber hinaus können die Arbeitsvorgänge zusätzlich ein Bilden einer epitaxial aufgewachsenen Halbleiterstruktur in der Vertiefung beinhalten, die eine Oberseite eines Hohlraums definieren kann (Block 1106).
Wie unter Bezugnahme auf 1 erörtert, kann die Vertiefung ein Aspektverhältnis aufweisen, das ausreichend hoch ist, so dass der Hohlraum in der Vertiefung unter der epitaxial aufgewachsenen Halbleiterstruktur gebildet wird. Das Aspektverhältnis der Vertiefung kann größer als 4 sein.
Gemäß 11B kann das Bilden der epitaxial aufgewachsenen Halbleiterstruktur in Block 1106 ein Durchführen eines ersten epitaxialen Wachstumsprozesses beinhalten, um eine überhängende Kristallkeimstruktur zu bilden (Block 1106-1). Wie unter Bezugnahme auf 1 erörtert, kann der erste epitaxiale Wachstumsprozess die überhängende Kristallkeimstruktur 106a unter Verwendung der Seitenwand des Substrats 100 an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der Oxidschicht 102 als einer Kristallkeimschicht bilden, und die überhängende Kristallkeimstruktur 106a kann die Oberseite des Hohlraums definieren, der in dem unteren Teil der Vertiefung 104b angeordnet ist. Die überhängende Kristallkeimstruktur 106a kann sich in Kontakt mit dem Teil der Seitenwand des Substrats 100 an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der Oxidschicht 102 befinden. Es versteht sich, dass die Seitenwand des Substrats 100 an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der Oxidschicht 102 einen Teil der Seitenwand des Substrats 100 benachbart zu der Grenzfläche zwischen dem Substrat 100 und der Oxidschicht 102 beinhalten kann.
Darüber hinaus kann das Bilden der epitaxial aufgewachsenen Halbleiterstruktur in Block 1106 ein Durchführen eines zweiten epitaxialen Wachstumsprozesses unter Verwendung der überhängenden Kristallkeimstruktur als einer Kristallkeimschicht beinhalten, um eine vorläufige Halbleiterstruktur in der Vertiefung zu bilden (Block 1106-2). Der zweite epitaxiale Wachstumsprozess kann durchgeführt werden, bis die vorläufige Halbleiterstruktur derart überwachsen ist, dass ein oberer Teil der vorläufigen Halbleiterstruktur aus der Vertiefung herausragen kann. Es versteht sich, dass der obere Teil der vorläufigen Halbleiterstruktur aus Gründen, die unter Bezugnahme auf 1 erörtert wurden, keine Versetzungsdefekte, vertikale und horizontale Versetzungsdefekte beinhalten kann.
Die Arbeitsvorgänge können ein Planarisieren des oberen Teils der vorläufigen Halbleiterstruktur beinhalten, um die Halbleiterstruktur zu bilden (Block 1106-3). Nach der Planarisierung können Oberseiten der Halbleiterstruktur und der Oxidschicht koplanar sein.
Die 12A und 12B sind Flussdiagramme, die Arbeitsvorgänge zum Bilden einer Halbleiterschicht gemäß entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Gemäß 12A beinhalten die Arbeitsvorgänge ein Bilden einer Halbleiterkristallkeimschicht und einer Oxidschicht auf einem Substrat (Block 1202). Die Halbleiterkristallkeimschicht und das Substrat können unterschiedliche Halbleitermaterialien beinhalten, und die Halbleiterkristallkeimschicht kann zum Beispiel Germanium beinhalten, und das Substrat kann Silicium beinhalten. Die Oxidschicht kann zum Beispiel Siliciumoxid sein.
Die Arbeitsvorgänge können ein Bilden von Vertiefungen in der Oxidschicht und der Halbleiterkristallkeimschicht beinhalten (Block 1204). In entsprechenden Ausführungsformen kann sich jede der Vertiefungen in der Halbleiterkristallkeimschicht ebenso wie in dem Substrat befinden. In einigen Ausführungsformen legt jede der Vertiefungen das Substrat möglicherweise nicht frei. Jede der Vertiefungen kann ein hohes Aspektverhältnis aufweisen, das größer als 4 sein kann.
Die Arbeitsvorgänge können ein epitaxiales Aufwachsen von Halbleiterstrukturen in den jeweiligen Vertiefungen beinhalten, die Oberseiten von Hohlräumen in den jeweiligen Vertiefungen definieren, wie zum Beispiel in 9 dargestellt (Block 1206). Zusätzlich kann ein epitaxiales Aufwachsen einer Halbleiterschicht, die sich auf der Oxidschicht erstreckt, aus den Halbleiterstrukturen durchgeführt werden (Block 1208).
Nunmehr bezugnehmend auf 12B kann das epitaxiale Aufwachsen der Halbleiterstrukturen ein epitaxiales Aufwachsen von überhängenden Kristallkeimstrukturen in den jeweiligen Vertiefungen unter Verwendung der Halbleiterkristallkeimschicht beinhalten (Block 1206-1). Die überhängenden Kristallkeimstrukturen können sich an einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterkristallkeimschicht und dem Substrat in Kontakt mit einer Seitenwand der Halbleiterkristallkeimschicht befinden und können die Oberseiten von jeweiligen Hohlräumen in den Vertiefungen definieren. Des Weiteren kann das epitaxiale Aufwachsen der Halbleiterstrukturen unter Verwendung der überhängenden Kristallkeimstrukturen als Kristallkeimschichten durchgeführt werden (Block 1206-2). Die Halbleiterstrukturen können derart überwachsen werden, dass obere Teile der Halbleiterstrukturen aus der Vertiefung herausragen.

Claims

Verfahren zum Bilden einer Halbleiterstruktur, wobei das Verfahren aufweist: - Bilden einer Oxidschicht (102) auf einem Substrat (100, 201); - Bilden einer Vertiefung (104, 204) in der Oxidschicht und dem Substrat; und - Bilden einer epitaxial aufgewachsenen unteren Halbleiterstruktur (106, 206) in der Vertiefung selektiv auf einer Oberfläche des Substrats und nicht auf einer Oberfläche der Oxidschicht derart, dass sich die untere Halbleiterstruktur an einer Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und dem Substrat in Kontakt mit einer Seitenwand des Substrats befindet und eine Oberseite eines Hohlraums in der Vertiefung in dem Substrat definiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei - zum epitaxialen Aufwachsen der unteren Halbleiterstruktur die Seitenwand des Substrats an der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und dem Substrat und nicht die Oxidschicht als eine erste Kristallkeimschicht verwendet wird; und - eine obere Halbleiterstruktur (108, 208) in der Vertiefung epitaxial aufgewachsen wird, wobei die untere Halbleiterstruktur und nicht die Oxidschicht als eine zweite Kristallkeimschicht verwendet wird und die untere und obere Halbleiterstruktur eine epitaxial aufgewachsene Halbleiterstruktur bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hohlraum die Seitenwand des Substrats freilegt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei - die untere Halbleiterstruktur ein Material aufweist, das sich von demjenigen der oberen Halbleiterstruktur unterscheidet, und/oder - die untere Halbleiterstruktur Siliciumgermanium (SiGe) beinhaltet und die obere Halbleiterstruktur Germanium (Ge) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei - das Substrat eine erste Halbleiterschicht (100) und eine zweite Halbleiterschicht (201) aufweist, die sich zwischen der Oxidschicht und der ersten Halbleiterschicht erstreckt; - die zweite Halbleiterschicht Germanium (Ge), Siliciumgermanium (SiGe), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) oder eine III-V-Verbindung beinhaltet; und - sich die epitaxial aufgewachsene untere Halbleiterstruktur (206) in Kontakt mit einer Seitenwand der zweiten Halbleiterschicht befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Bilden der Vertiefung aufweist: - Bilden eines unteren Teils der Vertiefung in dem Substrat, der ein Aspektverhältnis von größer als 3 aufweist, so dass der Hohlraum die Seitenwand des Substrats freilegt, und/oder - Bilden eines oberen Teils der Vertiefung durch die Oxidschicht hindurch, der ein Aspektverhältnis von größer als 1 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren aufweist: - Implantieren von Sauerstoffionen in das Substrat hinein, um unter der Vertiefung einen isolierenden Bereich zu bilden, und/oder - Verbreitern eines Teils der Vertiefung in dem Substrat an der Grenzfläche des Substrats und der Oxidschicht, um einen Hinterschneidungsbereich zu bilden.
Verfahren zum Bilden einer fin-förmigen Halbleiterstruktur, wobei das Verfahren aufweist: - Bilden einer Oxidschicht (102) auf einem Substrat (100, 201); - Bilden einer Vertiefung (104, 204) durch die Oxidschicht hindurch und in dem Substrat; - Durchführen eines ersten epitaxialen Wachstumsprozesses, um eine überhängende Kristallkeimschicht (106a) selektiv auf einer Oberfläche des Substrats und nicht auf einer Oberfläche der Oxidschicht in der Vertiefung zu bilden, wobei eine Seitenwand des Substrats an einer Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und dem Substrat und nicht die Oxidschicht als eine erste Kristallkeimschicht verwendet wird, wobei die überhängende Kristallkeimschicht eine Oberseite eines Hohlraums in der Vertiefung definiert; - Durchführen eines zweiten epitaxialen Wachstumsprozesses, um eine Halbleiterstruktur (108) in der Vertiefung zu bilden, wobei die überhängende Kristallkeimschicht und nicht die Oxidschicht als eine zweite Kristallkeimschicht verwendet wird; und - Vertiefen der Oxidschicht, um mittels Freilegen eines oberen Teils der Halbleiterstruktur eine fin-förmige Halbleiterstruktur (108a) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei - das Durchführen des ersten epitaxialen Wachstumsprozesses des Weiteren ein Bilden einer unteren Kristallkeimstruktur (106b, 206b) auf einem Boden der Vertiefung beinhaltet; und - die überhängende Kristallkeimschicht von der unteren Kristallkeimstruktur isoliert ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei - das Substrat eine erste Halbleiterschicht (100) und eine zweite Halbleiterschicht (201) aufweist, die sich zwischen der Oxidschicht und der ersten Halbleiterschicht erstreckt, wobei die zweite Halbleiterschicht Germanium (Ge), Siliciumgermanium (SiGe), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) oder eine III-V-Verbindung beinhaltet; und - die Vertiefung eine Seitenwand der zweiten Halbleiterschicht freilegt, welche die erste Kristallkeimschicht beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei eine Dicke der zweiten Halbleiterschicht in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 1 µm liegt.
Verfahren zum Bilden einer Halbleiterschicht (310), wobei das Verfahren aufweist: - sequentielles Bilden einer Halbleiterkristallkeimschicht (301) und einer Oxidschicht (302) auf einem Substrat (100, 301); - Bilden einer Mehrzahl von Vertiefungen (304) in der Oxidschicht und der Halbleiterkristallkeimschicht; - epitaxiales Aufwachsen einer Mehrzahl von Halbleiterstrukturen (306a, 308) in der jeweiligen Mehrzahl von Vertiefungen selektiv auf einer Oberfläche des Substrats und nicht auf einer Oberfläche der Oxidschicht, wobei Teile von Seitenwänden der Halbleiterkristallkeimschicht an einer Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und der Halbleiterkristallkeimschicht und nicht die Oxidschicht als Kristallkeimschichten verwendet werden, bis obere Teile der Mehrzahl von Halbleiterstrukturen aus der jeweiligen Mehrzahl von Vertiefungen herausragen, wobei die Mehrzahl von Halbleiterstrukturen Oberseiten einer Mehrzahl von Hohlräumen in der jeweiligen Mehrzahl von Vertiefungen definiert; und - epitaxiales Aufwachsen der Halbleiterschicht, die sich auf der Oxidschicht erstreckt, wobei die Mehrzahl von Halbleiterstrukturen als Kristallkeimschichten verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das epitaxiale Aufwachsen der Mehrzahl von Halbleiterstrukturen aufweist: - epitaxiales Aufwachsen einer Mehrzahl von unteren Halbleiterstrukturen (306a), welche die Oberseiten der jeweiligen Mehrzahl von Hohlräumen definieren, wobei die Teile von Seitenwänden der Halbleiterkristallkeimschicht an der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und der Halbleiterkristallkeimschicht und nicht die Oxidschicht als die Kristallkeimschichten verwendet werden; und - epitaxiales Aufwachsen einer Mehrzahl von oberen Halbleiterstrukturen (308) in der jeweiligen Mehrzahl von Vertiefungen aus der jeweiligen Mehrzahl von unteren Halbleiterstrukturen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei - das epitaxiale Aufwachsen der Mehrzahl von oberen Halbleiterstrukturen ein Aufwachsen der Mehrzahl von oberen Halbleiterstrukturen beinhaltet, die aus der jeweiligen Mehrzahl von Vertiefungen herausragen; und - das epitaxiale Aufwachsen der Halbleiterschicht ein laterales Wachsen der Mehrzahl von oberen Halbleiterstrukturen beinhaltet, bis benachbarte der Mehrzahl von oberen Halbleiterstrukturen miteinander in Kontakt kommen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei - das Bilden der Mehrzahl von Vertiefungen ein Bilden von unteren Teilen (304b) der Mehrzahl von Vertiefungen in der Halbleiterkristallkeimschicht beinhaltet; und - jeder der unteren Teile der Mehrzahl von Vertiefungen ein Aspektverhältnis von größer als 3 aufweist, so dass jeder der Mehrzahl von Hohlräumen die Seitenwände der Halbleiterkristallkeimschicht freilegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei eine Dicke der Halbleiterkristallkeimschicht in einem Bereich von etwa 100 nm bis etwa 1 µm liegt.