[发明专利]通过超快退火非晶材料外延硅碳替位固溶体

说明书

背景技术

硅碳晶体合金(单独或可能具有其它元素)例如，Si_1-yC_y，y<0.1，其 中碳存在为替位固溶体(即，在晶格位置上)，对于半导体器件应用而言 是非常有用的材料。为了方便，在本说明书中将这些合金(优选包含附加 的元素)称为“SC3S”材料。例如，在半导体器件中SC3S可用于局部应 变设计。SC3S还可以用于带隙设计。在应变设计应用中，将SC3S的岛和 /或层集成(优选外延)到不同的晶体材料中以有利于改变该不同的晶体材 料的应变，从而提高各种半导体器件的性能。

对于亚100nm尺度(纳米范围)的先进CMOS集成电路，使用晶格 失配晶体应力源(stressor)的局部应变设计技术尤其有用。为了提高CMOS 的性能，对于SC3S结构的不同的几何设置存在大量的提议，例如 US6891192、US20050082616、US20050104131、US20050130358以及Ernst 等等的VLSI Symp.，2002，P92；这里引用这些公开的整个内容作为参考。 这些结构的公共几何特征是SC3S物体的局部化，例如，SC3S的岛和/或 层。除CMOS集成电路之外，SC3S还存在许多其它应用，例如，其它类 型的集成电路和/或除集成电路领域之外的其它应用。这些其它的应用包括 除上述的之外的其它几何结构。

不管应用如何，特别是集成电路器件方面，更具体而言CMOS集成电 路器件方面，SC3S的挑战在于其制造。尤其是在外延SC3S方面的挑战更 明显。在晶体Si中C的替位固溶度极低。因此，使用常规外延(epi)生 长技术生长具有高替位C浓度的SC3S非常困难。制造SC3S的该困难是 其基本性质所导致的，因为Si-Si和Si-C键之间在键能和键长存在较大的 差异。进入Si晶格的替位C原子将极大地扭曲晶格，造成局部吉布斯 (Gibbs)自由能增加，从而限制在热力学平衡状态下将替位碳并入到Si 晶格中。

采用非晶硅层的固相外延(SPE)以及“电激活”(替位地设置到硅 晶格中)注入的掺杂剂例如B、As、P。通过在500℃到1300℃的温度的 炉中退火20分钟到几小时或在约600℃到1200℃的快速热处理器(RTP) 中处理1秒到180秒以退火掺杂的非晶层，来进行这样的SPE。使用这些 技术难以形成SC3S。例如，通过基于炉的SPE(例如，650℃，30分钟) 制造SC3S的尝试会导致差的结晶度，并且很少量的C在替位晶格位置。 在通过基于RTP的SPE(例如，1050℃，5秒)来制造SC3S的尝试的情 况下，仅有约0.2％的替位碳并入到晶格中。在本领域中，通常认为在高温 下仅有有限数量(小于约1％)的替位碳可以被并入到硅晶格中。

在低温范围(T_外延<700℃)，常规低温非局域外延SC3S是非常困难 的，其中在非平衡状态下小于2％的替位碳可以被并入到硅晶格中。非选 择性(普通)外延方法，在整个衬底表面上淀积晶体、多晶、或非晶材料 基本上阻止了通过SC3S产生局域结构。

因此，持续需要适宜于制造SC3S的局域结构的技术。因此，非常需 要适宜于制造这样的局域SC3S结构的晶体生长技术，该局域SC3S结构 具有超过0.5％原子百分比并优选1到4原子百分比范围的替位C浓度。

发明内容

本发明利用非晶的包含硅和碳的材料的超快退火技术，以便将所述材 料优选地暴露于这样的温度相对短的时长，所述温度为重结晶温度或高于 重结晶温度但却低于所述材料的熔点。以该方式，可以根据电子制造的需 要在各种结构配置中产生SC3S材料制或用于其它目的。

一方面，本发明包括一种形成SC3S结构的方法，所述方法包括：

(a)提供具有包含硅和碳原子的非晶区域的衬底，以及

(b)超快退火所述非晶区域以结晶化所述区域，由此在所述区域中产 生的晶体材料中使所述碳原子的至少一部分占据晶格位置。