具有逆碳分布的低缺陷碳替代单晶硅层

技术领域

本发明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)。

背景技术

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(3.5×10¹⁷/cm³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7.0×10²⁰/cm³(原子浓度1.4％)的较高亚稳态溶解度极限，其根据Strane等人所提出的“Carbon incorporation into Si at highconcentrations 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％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。

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。

发明内容

为了解决上述需求，通过硅基板表面附近的逆碳浓度分布，本发明提供一种外延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1.0×10⁹/cm²的低缺陷密度。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100KeV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公开在S.Wolf与R.N.Tauber“SiliconProcessing for the VLSI Era，Vol.1-Process Technology(超大规模集成电路时代的硅处理，第1卷—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，本发明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，根据本发明，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1.0×10²⁰/cm³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发明所明确说明的范围外产生一些益处，但是为了准确说明本发明并且致使本发明的实施以得到完全益处，就决定“在体中”与“表面附近”碳浓度的方法而言，在此设定了明确的准则。同样地，碳分布的倒逆程度与在所得的Si:C层中的缺陷密度水平亦被量化，以描述与定义本发明。

为了说明本发明，可假定部分的硅基板具有注入的碳于硅基板顶层内。明显的是，通过外延沉积硅在此结构上，可以形成应变的硅层，且在此所说明的结构可以变成这样一较大结构的一部分，以实现稍早所说明的装置的益处。或者，如果部分的硅基板以外延嵌入晶体管结构，邻近的硅材料由于晶格参数差异而受到应力。

微量的碳存在于大部分的半导体基板中，且理论上来说，在硅晶锭生长期间内可引入高达7ppm或3.5×10¹⁷/cm³的碳溶解度极限的碳。任何在此以上的碳浓度则必须经由稍后的碳注入或扩散引入到基板内。为了此原因，从硅基板顶表面到碳浓度变成3.5×10¹⁷/cm³的所测到的硅材料深度可以被定义为碳注入硅层的厚度，如果这样的深度存在的话。因为碳浓度在一定深度下指数地降低，所以注入碳硅层的厚度为在体硅基板中明确定义的尺寸。

在非半导体层直接置于注入碳的硅层下的其他半导体基板中，比如绝缘层上硅基板的埋式氧化物层，碳浓度变成3.5×10¹⁷/cm³的硅材料的深度可能或可能不存在于硅层中。换句话说，注入碳原子的投射范围可能超过在此结构中非半导体层上的硅层厚度。如果注入的碳原子的投射范围超过非半导体层上硅层厚度，硅层本身的厚度则是注入碳硅层的厚度。在此情形中，存在于体硅基板中的所有注入碳硅层中，无任何或仅仅部分碳浓度随深度呈指数地减少存在于碳浓度的垂直分布中。

为了说明本发明，注入碳硅层的第一体积意指距注入碳硅层顶表面的距离小于注入碳硅层本身厚度2％的部分注入碳硅层。根据本发明的“表面碳浓度”意指在注入碳硅层第二体积内的平均碳浓度。注入碳硅层的第二体积意指距注入碳硅层顶表面的距离是在注入碳硅层本身厚度30％与60％之间的部分注入碳硅层。由于在碳注入以后，尖峰碳浓度，或者更经常的是，平线水平(plateau level)碳浓度在几乎所有碳浓度分布中被发现在注入碳硅层大约中间部分，所以第一体积中的平均碳浓度会代表注入碳硅层的总体碳浓度水平，并充当在注入碳硅层中全部碳含量的良好指示。根据本发明的“体碳浓度”意指在注入碳硅层的第一体积内的平均碳浓度。

Si:C层特性的关键性度量为晶体结构中的缺陷密度。一般而言，在晶体管的关闭状态期间内，晶体结构中的高缺陷密度会造成电流的漏电路径，增加芯片功率消耗。同样地，它会提供应力释放机制，以减少在该层中与周围的应力，以及当做载流子的散射中心，以减少载流子迁移率。因此，需要限制Si:C层中的缺陷密度，以制造高性能的半导体电路。对于制造高性能半导体电路典型可考虑接受比约1.0×10¹⁹/cm²更小的缺陷密度。根据现有技术，Si:C层中的这样低缺陷密度仅可在通过固相外延而生长的具有达到约1.0×10²⁰/cm³低碳浓度的Si:C层中被观察到。为了说明本发明，缺陷密度小于大约1.0×10¹⁹/cm²的Si:C层用作区别具有经由现有技术所致能的相对高碳浓度的不良品质Si:C层以及本发明于相似高体碳浓度所致能的高品质Si:C层的阈值。

在引领至本发明的研究期间，具有2％或更高碳浓度的Si:C层可经由使用现有技术方法(包括碳注入与固相外延)而成功制造。然而，在由此制造出的Si:C层顶表面可观察出存在着大量缺陷，包括位错、层错与微孪晶(microtwins)。碳浓度越高，缺陷密度越高。经由上述讨论的机制，这些缺陷的存在会使晶体管性能降低。

在固相外延期间有关缺陷产生形成的常规理论假定在生长前(growthfront)的缺陷成核。在固相外延开始时的最初生长表面，为在底层晶体硅与通过非晶化注入所形成的非晶化材料之间的界面。一旦将缺陷成核产生，随着生长表面在固相外延期间移动，它们朝具有生长表面的顶表面延伸。本理论的含意为缺陷会群聚在预非晶化注入的范围末端附近。而且，根据本理论，碳注入于绝缘层上硅(SOI)基板内以使预非晶化注入的范围末端在埋式氧化物层内，将会消除大部分的缺陷。

然而，导致本发明的研究显示出在范围末端深度在埋式氧化物层内的预非晶化注入以后，注入碳于绝缘层上硅基板内并不消除高碳浓度膜中的大部分缺陷。反而，在所有高碳浓度的Si:C层中将观察到表面附近的高浓度缺陷。

从这些实验可断定表面碳浓度而不是体碳浓度为Si:C层中缺陷密度的决定因子。通过在碳浓度中产生主动逆分布，对于原子浓度1％-3％的体碳浓度，会稳定地产生缺陷密度小于约1.0×10⁹/cm²的Si:C层。在任何现有技术中，不可能的同时制造具有如此高体碳浓度与如此低缺陷密度的Si:C层。

因此，根据本发明的第一实施例，通过具有主动逆分布的碳注入，接着经由固相外延将注入碳硅层再生长于Si:C层内，而形成Si:C层于半导体基板内。主动逆分布具有等于或小于体碳浓度25％的表面碳浓度。优选地，主动逆分布具有等于或小于体碳浓度15％的表面碳浓度。最优选地，主动逆分布具有等于或小于约1.0×10²⁰/cm³或约0.2％原子浓度的表面碳浓度。而且，优选地，从注入碳硅层顶表面起测量，从注入碳硅层厚度30％的深度到注入碳硅层厚度2％的深度，碳浓度单调(montonically)减少。

在碳注入以后，注入碳硅层会经由固相外延而转换成碳替代单晶硅(Si:C)。被引入于非晶硅结构内的碳原子会在固相外延工艺期间内被放入单晶硅结构内的替代位置。目前多种固相外延方法皆可使用，其包括传统炉内退火、快速热退火、快闪退火与激光退火。一般而言，硅的固相外延需要超过650℃的温度。完成固相外延所需要的时间长度取决于温度和注入碳硅层的厚度，但一般却与注入碳硅层的厚度成比例，并随着温度增加而变短。

因此重新生长的Si:C层为一连续膜，其作为沉积应变硅于其上的外延模板。应变硅的沉积优选通过硅外延来进行。因为在外延生长面内，应变硅具有较小的晶格参数，所以双轴压应力会存在于该层内。此应变硅层具有提高的空穴迁移率，可用来制造具有提高的开启电流的PFET。其他半导体装置亦可利用在根据本发明的第一实施例的结构顶部的外延生长硅膜上的双轴压应力。

根据本发明的第二实施例，通过具有主动逆分布的碳注入，接着经由固相外延将注入碳硅层再生长入Si:C层内，那么会有至少一Si:C层形成在半导体装置内，优选地在晶体管的源极与漏极区域内。更优选地，晶体管为NFET晶体管。主动逆分布具有等于或小于体碳浓度25％的表面碳浓度。优选地，主动逆分布具有等于或小于体碳浓度15％的表面碳浓度。最优选地，主动逆分布具有等于或小于约1.0×10²⁰/cm³或约0.2％原子浓度的表面碳浓度。而且，优选地，从注入碳硅层顶表面起测量，从注入碳硅层厚度30％的深度到注入碳硅层厚度2％的深度，碳浓度单调减少。

因为碳浓度的垂直分布不能在碳注入区域周边与外面周围被良好界定，在那里碳原子任何存在起因于注入碳原子的侧向蔓延，所以与Si:C层的量化有关的所有参数会在碳注入区域内测量出来。

本发明的第二实施例可利用固相外延的相同的方法，其包括传统炉内退火、快速热退火、快闪退火与激光退火。该些工艺条件亦相同。

优选地，因而再生长的Si:C层嵌入于晶体管的源极与漏极区域内。在此晶体管中，晶体管的体包含硅晶。具有延伸与晕注入(halo implants)的一些电掺杂亦可存在。然而，假如不是全部的话，每一源极与漏极的显著部分均包含一Si:C层，其具有根据本发明的第二实施例的Si:C层的结构限制。因为此些晶体管的源极与漏极区域的晶格常数比无应力的硅层更小，所以源极与漏极区域则会在电流方向施加单轴拉应力于晶体管沟道上。这造成沟道中的电子迁移率的增加。因此，根据本发明的第二实施例，制造因提高电子迁移率使具有较高开启电流的NFET。

附图说明

图1显示根据现有技术的Si:C层碳浓度的第一深度分布136的第一图100。

图2显示根据现有技术的Si:C层碳浓度的第二深度分布236的第二图200。

图3显示根据现有技术的不具有主动逆分布的Si:C层的第一透射电子显微镜图片(TEM)300。

图4显示根据本发明的具有介于注入碳硅层436不同部分之间的边界的体基板的示意截面图。

图5显示根据本发明的具有介于注入碳硅层536不同部分之间的边界的绝缘层上硅(SOI)基板的示意截面图。

图6显示根据本发明的具有主动逆分布的Si:C层碳浓度的第三深度分布636的第三图600。

图7显示根据本发明的第一实施例的具有主动逆分布的Si:C层的第二透射电子显微图片700。

图8显示根据本发明的第二实施例的晶体管的示意截面图。

具体实施方式

在详细说明本发明以前，就制造高碳浓度Si:C的能力而言，将先讨论现有技术极限。本讨论的目的为对照现有技术中的极限以清楚界定本发明新的致能特征。

用于制造Si:C层的传统碳注入，一般会利用具有一或多重注入能量设定的碳注入。所得的碳的深度分布，包含Strane等人的如图7所示的表面附近的小程度倒逆。在Strane等人的图7表面附近碳浓度的尖峰是假的，并且非常可能是该样品表面附近的二次离子质谱(secondaryion mass spectroscopy，SIMS)加工品。在Strane的图7中，值得注意的是，该膜表面附近大约0.4％的碳浓度是0.6％的尖峰碳浓度的大约67％。明显地，该表面附近的此薄膜的碳浓度大于尖峰碳浓度的25％，更不必说定义于以上的体碳浓度在整个距离范围取平均值。

图1的第一图100显示根据现有技术的碳浓度深度分布136的实例，其具有Strane等人所见的弱逆分布。因为图1中的第一图100的垂直轴具有对数标尺，所以在表面附近的深度分布136中只可见到和缓的斜坡。在大多数现有技术方法，在增加Si:C层应力的努力中，引入尽可能多的碳，以产生类似的碳浓度深度分布。亦可在第一图100中见到超过第一深度A1的碳浓度的指数减少。在碳浓度3.5×10¹⁷/cm³标记的注入碳硅层厚度的第二深度A2亦显示于图1。

图2显示了Si:C层中的碳浓度的第二深度分布236的第二图200，其不具有利用导致本发明的研究的逆分布。在此研究期间内，具有第二深度分布236的Si:C层制造于绝缘层上硅(SOI)基板上。选择第三深度B1，在该深度下，碳浓度呈指数地减少，以使第三深度大于在埋式氧化物层上的硅层厚度。换句话说，在硅层中的碳浓度实质平坦。选择注入碳的剂量，以使在整个顶部硅层的碳浓度为约1.0×10²⁰/cm³或约0.2％原子浓度。在此Si:C层中，碳浓度的第二深度分布236的平坦性故意被实现以试图将最大量碳放于硅层内中。选择预非晶化注入(preamorphization implant)的能量，以使非晶化注入的范围末端落在埋式氧化物层内，以避免固相外延后在Si:C层中产生范围末端缺陷。第三深度B1和碳浓度达到3.5×10¹⁷/cm³的第四深度B2两者均在顶部硅层与埋式氧化物层之间的界面以下。

图3显示固相外延后的Si:C层的第一透射电子显微图片(TEM)300。TEM300显示在埋式氧化物(BOX)320下的底层硅基板310、碳替代单晶硅(Si:C)层330、晶体缺陷349以及用以覆盖Si:C层的铬层360。设定预非晶化注入的能量，使得预非晶化注入的范围末端在埋式氧化物层320内，避免范围末端缺陷。碳替代单晶硅层330的厚度为大约70纳米。2keV、6keV与8keV的离子注入能量设置可用来传送大约4.0×10¹⁵/cm²的总剂量到基板内。此种碳注入的组合会产生图2所示的碳浓度的深度分布236。在此注入以后的体碳浓度为大约5.0×10²⁰/cm³。表面碳浓度几乎等于5.0×10²⁰/cm³的体碳浓度。虽然没有范围末端缺陷，但是如由于预非晶化注入能量的选择所预期的，高密度缺陷349的存在会在TEM300中清楚可见。该类型的缺陷包括位错、层错与微孪晶。进一步的实验则确认，根据该方法，缺陷密度会随着Si:C层中碳浓度的增加而增加。

根据本发明的第一实施例，提供硅基板，在该硅基板总通过离子注入注入碳原子。硅基板可为体基板或绝缘层上硅基板。图4显示体硅基板400，体硅基板400具有注入碳硅层436以及实际上没有碳注入的底层硅层410。注入碳硅层436与底层硅层410间的边界由碳浓度为3.5×10¹⁷/cm³的深度或在硅熔化温度上的碳溶解度所决定。注入碳硅层436的厚度为注入碳硅层436与底层硅层410间的边界的深度。

在体硅晶片的情形，注入碳硅层436被分成四个体积，其边界由图4中的四条虚线所代表。图4中最顶部虚线(或2％线)对应从硅基板顶表面起算的注入碳硅层436的2％厚度的距离。图4中自顶部起的第二虚线(或30％线)对应从硅基板顶表面起算的注入碳硅层436的30％厚度的距离。图4中，自顶部起的第三虚线(或60％线)对应从硅基板顶表面起算的注入碳硅层436的60％厚度的距离。图4中，最底部虚线(或边界线)对应从硅基板顶表面起算的注入碳硅层436厚度。第一体积435定义为硅表面与2％线之间注入碳硅层436的体积。第二体积433定义为30％线与60％线之间注入碳硅层436的体积。第三体积434定义为2％线与30％线之间注入碳硅层436的体积。第四体积432定义为60％线与边界线之间注入碳硅层436的体积。

图5显示具有上层硅层536、埋式氧化物层520与底层硅层510的绝缘层上硅基板500。根据本发明的第一实施例，碳注入可仅局限于上层硅层536内或者可延伸入埋式氧化物层。如果碳注入仅局限于上层硅层内，碳浓度变成3.5×10¹⁷/cm³的深度则是注入碳硅层的厚度。第一至第四体积则以体硅晶片中依据注入碳硅层的厚度定义的相似的方式来定义。

如果碳注入延伸到埋式氧化物层520内，上层硅层536被分成四个体积，注入碳硅层的厚度则被定义为图5所示的上层硅层536的厚度。换句话说，如果碳注入进入埋式氧化物层520内且因此在上层硅层536内的所有深度，碳浓度均超过3.5×10¹⁷/cm³，注入碳硅层则确实与上层硅层536相同。在图5中，最顶部虚线(或2％线)对应从硅基板表面起算的上层硅层536的厚度2％的距离。在图5中，自顶部起的第二虚线(或30％线)对应从硅基板表面起算的上层硅层536的厚度30％的距离。在图5中，自顶部起的第三虚线(或60％线)对应从硅基板表面起算的上层硅层536的厚度60％的距离。第一体积535定义为硅表面与2％线之间注入碳硅层536的体积。第二体积533定义为30％线与60％线之间注入碳硅层536的体积。第三体积534定义为2％线与30％线之间注入碳硅层536的体积。第四体积532定义为60％线与边界线之间上层硅层536的体积。

根据本发明，图6中的曲线图600显示碳浓度的第三深度分布636。第三深度分布636不仅应用于本发明的第一实施例，而且也应用在第二实施例。第三深度分布636由注入碳硅层厚度的分数所决定的距离而分成许多部分。第一深度D1对应注入碳硅层的厚度2％的深度。第二深度D2为对应注入碳硅层的厚度30％的深度。第三深度D3为对应注入碳硅层的厚度60％的深度。第四深度D4为对应注入碳硅层的厚度的深度。

在体硅晶片中，在第四深度D4的碳浓度是3.5×10¹⁷/cm³。在绝缘层上硅(SOI)晶片中，第四深度可对应至碳浓度是3.5×10¹⁷/cm³的深度且小于上层硅层的厚度，或者第四深度与上层硅层的厚度可以相同，且在整个上层硅层的碳浓度皆超过3.5×10¹⁷/cm³。于是，第三深度分布636分成许多部分，其包括对应定义于上的第一体积的第一部分635、对应定义于上的第二体积的第二部分633、对应定义于上的第三体积的第三部分634、以及对应定义于上的第四体积的第四部分632。

根据本发明的第一实施例，在深度分布636的第一部分635中的平均碳浓度等于或小于在深度分布636的第二部分633中平均碳浓度的25％。优选地，如果深度分布636的第二部分633的平均碳浓度超过2％原子浓度，在深度分布636的第一部分635中的平均碳浓度等于或小于在深度分布636的第二部分633中平均碳浓度的15％。最优选地，在深度分布636的第一部分635中的平均碳浓度等于或小于大约1.0×10²⁰/cm³或大约0.2％原子浓度。在此段落中的限制与优选也应用在呈现如下的本发明的第二实施例。

根据本发明的第一实施例，深度分布636的第二部分633的碳浓度等于或小于5.0％原子浓度。优选地，深度分布636的第二部分633的平均碳浓度系等于或大于0.2％原子浓度且等于或小于5％原子浓度。更优选地，深度分布636的第二部分633的平均碳浓度等于或大于0.5％原子浓度且等于或小于4％原子浓度。最优选地，深度分布636的第二部分633的平均碳浓度等于或大于0.8％原子浓度且等于或小于3％原子浓度。还优选地是在深度分布636的第二部分633内具有一平坦的碳分布。在此段落中的限制与优选也可应用在呈现如下的本发明的第二实施例。

根据本发明的第一实施例，深度分布636第二部分633包含碳浓度分布600中的实质平坦部分。换句话说，第二部分633包含碳浓度分布600中的平线区(plateau)。平线区的存在反映出最大化引入在注入碳硅层436或上层硅层536中的全部碳的企图。在深度分布的第二部分633中的碳浓度的范围优选地具有第二部分633的平均碳浓度的50％与150％的范围，更优选地在75％与125％的范围内，且最优选地在87.5％与112.5％的范围内。

在绝缘层上硅(SOI)基板上实施本发明时，碳注入可仅局限于上层硅层536内，或可延伸到埋式氧化物层520内。在碳注入延伸到埋式氧化物层内的情形中，在离半导体基板表面的总厚度60％与100％之间的第四体积的平均碳浓度，优选地在第二部分633的平均碳浓度的50％与150％之间的范围内，更优选地系在75％与125％的范围内，且最优选地在87.5％与112.5％的范围内。

根据本发明的第一实施例，亦优选地是在深度分布636的第三部分634中具有单调变化的碳浓度。因为在深度分布636的第二部分633中的平均碳浓度比在第一部分635的平均碳浓度更高，故碳浓度从在碳替代单硅层厚度30％的深度到在碳替代单硅层厚度2％的深度会单调减少。在此段落中的优选也应用到呈现如下的本发明的第二实施例。

随后注入碳硅层经历退火，以有利于在该层内的固相外延工艺。为了本发明的第一实施例，可利用固相外延的各种方法。这包括传统的炉内退火、快速热退火、快闪退火与激光退火。虽然退火机制受到热支配，特定退火方法的选择通常对于退火方法的温度范围设置了限制。退火工艺的典型温度范围是：就经由炉内退火的固相外延而言，从约650℃至约1000℃；就经由快速热退火的固相外延而言，从约650℃至约1200℃；以及就经由激光退火的固相外延而言，从约700℃至约1428℃。随着注入碳硅层的厚度增加，退火时间也增加。因为固相外延的工艺机制主要取决于温度，所以退火时间则大部分由对于层的给定厚度和给定碳密度分布的温度所决定。通常，在低温极限附近，退火时间在1小时范围内，且在较高温度极限附近，退火时间则接近数秒或甚至微秒。经由固相外延工艺，注入碳硅层会再生长入碳替代单晶硅中。在整个工艺期间内，碳浓度的深度分布不明显改变。

根据本发明的第一实施例的具有一定表面碳浓度水平的碳替代单晶硅的缺陷密度，可相较于具有可比较体碳浓度的现有技术碳替代单晶硅的缺陷密度。只有当碳浓度小于或约1.0×10²⁰/cm³时，该现有技术会产生具有小于约1.0×10⁹/cm²的低缺陷密度的碳替代单晶硅层。结果，现有技术碳替代单晶硅所可能的最大体碳浓度大约是2.0×10²⁰/cm³或0.4％原子浓度。虽然类似限制可应用在根据本发明的第一实施例的碳替代单晶硅层的表面浓度的，但是体浓度并不会受到此限制。事实上，体浓度至少比表面浓度大四倍。因此，根据本发明的第一实施例的碳替代单晶硅可以实现小于约1.0×10⁹/cm²的低缺陷密度与大于约2.0×10²⁰/cm³体状碳浓度的碳浓度，而现有技术则仅可以实现在碳替代单晶硅中小于约1.0×10⁹/cm²的低缺陷密度或大于约2.0×10²⁰/cm³体状碳浓度的碳浓度，而非两者的组合。在此段落中的限制与优选也应用在呈现如下的本发明的第二实施例。

图7显示根据本发明的第一实施例的形成在绝缘层上硅基板上的碳替代单晶硅层730的TEM 700。也显示了底层硅层710、埋式氧化物层720与沉积在碳替代单晶硅层730上的铬层760。设定预非晶化注入的能量，使得预非晶化注入的范围末端在埋式氧化物层720内，避免范围末端缺陷。碳替代单晶硅层730的厚度为大约70纳米。6keV与8keV的离子注入能量设置则可用来传送约3.5×10¹⁵/cm²的总剂量到基板内。在此注入以后的体碳浓度为约5.0×10²⁰/cm³。表面碳浓度则小于约1.0×10²⁰/cm³。根据本发明，低表面浓度通过故意消除2keV碳注入以产生逆分布来实现。该缺陷密度小于约1.0×10⁹/cm²，因为在TEM样品长度0.4微米范围内的TEM 700中没有缺陷存在。根据本发明的第一实施例的TEM 700与根据现有技术的TEM 300比较，虽然两TEM样品具有相同体碳浓度水平以及在绝缘层上硅(SOI)基板中不同层的相同尺寸，但是根据现有技术的TEM 300在碳替代单晶硅层330表面附近显示出许多晶体缺陷，然而根据本发明的第一实施例的TEM 700则没有在碳替代单晶硅层730表面附近显示出任何缺陷。

根据本发明的第二实施例，在图8中显示了将主动碳浓度逆分布引入于Si:C层中的晶体管结构800。晶体管结构800包括底层硅层810、埋式氧化物层820、晶体管主体830、栅极介电质842、栅极导体堆叠844、场效晶体管(FET)延伸部832、第一间隙壁852、第二间隙壁854、不具有源极/漏极电掺杂的嵌入Si:C层834、以及具有源极/漏极电掺杂的嵌入Si:C层836。两碳替代单晶硅层的每层均包括不具有源极/漏极电掺杂的嵌入Si:C层834以及具有源极/漏极电掺杂的嵌入Si:C层836两者。虽然将Si:C层仅引入于源极内或仅于漏极内在原理上是可能的，优选地是将源极与漏极两者分别引入Si:C层。

在晶体管结构800内，Si:C层的垂直尺寸的厚度与所有其他参数均可在注入碳区域838内或者在碳原子注入通过的部分注入碳硅层内测量出。换句话说，在仅经由注入碳原子的侧向蔓延或“投射蔓延”所形成的周边的部分注入碳硅层不用来量化任何垂直尺寸参数，其原因明显在于碳浓度垂直分布依据自直接暴露于碳注入的区域边缘起的距离而改变。

根据本发明的第二实施例，在图6中的曲线图600的深度分布636可应用在注入碳区域838内。本发明的第二实施例的特别参考的碳浓度的所有限制与优选均应用在本发明的第二实施例。本发明的第一实施例与第二实施例之间的实质差别在于，根据第一实施例，Si:C层以连续膜制造，然而根据第二实施例，Si:C层制造为晶体管的源极及/或漏极内的嵌入膜。

在将碳注入于晶体管的源极与漏极内以后，退火晶体管结构800，以有利于所嵌入注入碳硅层的固相外延。可如本发明第一实施例使用固相外延的相同退火工艺，亦即传统炉内退火、快速热退火与激光退火。比如退火温度与退火时间的工艺条件可依据所嵌入Si:C层的碳浓度与厚度而被最佳化。

在根据本发明的第二实施例的晶体管结构800的源极与漏极中的缺陷密度远小于具有根据现有技术的源极与漏极中相比较的体碳浓度的相似晶体管结构的缺陷密度。在特别参考本发明第二实施例所提及的缺陷密度上的所有限制与优选则应用在本发明第二实施例。

本领域的技术人员将立即理解到，在源极与漏极中的电掺杂深度不一定会小于图8所描述的注入碳硅层的厚度。如果电掺杂的深度与注入碳硅层的厚度相同，则如在绝缘层上硅基板上可能发生的，其中两注入延伸到埋式氧化物层内，则不具有图8中源极/漏极电掺杂的嵌入Si:C层834则会从结构消失。再者，在电掺杂深度超过注入碳硅层厚度的某些情形中，一部分的源极或漏极可能不具有碳掺杂，且Si:C层仅仅会占据部分的源极与漏极。本发明则包含这些明显变化。

本发明的关键特征为相较于体碳浓度，表面碳浓度的减少。没有任何现有技术建议在注入碳硅层表面附近减少碳浓度。再者，使硅表面附近的碳浓度减少到体中平均碳浓度水平25％以下，与增加Si:C层中碳浓度的一般目的相反。相反地，使相邻硅结构中应力增加，需要将总碳含量最大化，并建议将尽可能多的碳引入于全部的Si:C层。同样地，在本发明以前可得的关于缺陷的理论，没有预测表面在产生缺陷的作用。

本发明结合高体碳浓度与相当低表面碳浓度，从而能够合并在碳替代单晶硅层中总体更高的总碳量与低缺陷密度。根据现有技术的具有超过2.0×10²⁰/cm³体碳浓度的Si:C层不能避免高于1.0×10⁹/cm²的缺陷密度，而根据本发明的具有相同引入碳总量与相同厚度的Si:C层则可以达到比大约1.0×10⁹/cm²更低的缺陷密度，如果体碳浓度不过度高，例如超过5％。通过在碳注入期间内，使注入碳硅层厚度30％与2％之间的碳浓度深度分布逆分布，则根据本发明可得到具有高碳浓度与低缺陷密度两者的碳替代单晶硅层。

虽然在本发明根据特定实施例来说明，但是有鉴于以上说明，显然对于本领域的技术人员，各种替代、改变或变化是明显的。于是，本发明旨在包括落在本发明的范围和精神以及所附权利要求范围内的所有这样的替代、改变或变化。

工业应用性

本发明在半导体结构的制造中找到了工业应用性，且更具体地，在能够实现在VLSI芯片中形成具有压应力和低缺陷密度的半导体结构的碳替代单晶硅层的制造中找到了工业应用性。