專利名稱：混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)、方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)及其制作方法，屬微 電子學(xué)領(lǐng)域。
技術(shù)背景隨著大規(guī)模集成電路制造工藝的發(fā)展，其器件的特征尺寸也不斷縮小。2006年起，英特爾公司、德州儀器、韓國三星、日本東芝65納米生產(chǎn)線相 繼進入批量生產(chǎn)階段，32納米和22納米CMOS技術(shù)正處在研發(fā)階段。集 成電路發(fā)展到目前的極大規(guī)模時代，現(xiàn)有的體硅材料和工藝正接近它的物理 極限，要進一步提高電路速度與器件性能，必須在材料和工藝上有新的突破， 才能在未來CMOS電路發(fā)展中保持摩爾定律，為此，業(yè)界普遍采用高遷移率 材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的體硅材料，如在在90納米節(jié)點引入應(yīng)變硅材料等。目前， 隨著高介電常數(shù)材料的引入，使得絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)(GeOI)作為32納米以 下的候選材料倍受人們重視(Q.T. Nguyen, J.F. Damlencourt, B. Vincent, et al, Solid State Electronics, 51(2007), 20)。絕緣體上鍺材料結(jié)構(gòu)(GeOI)將成為納 米時代的高端襯底材料，這主要因為鍺比硅具有更高的電子和空穴遷移率， 體鍺中電子遷移率3900 cm々v.s,空穴遷移率達1900 cm2/v。根據(jù)國際半導(dǎo)體 工業(yè)協(xié)會2005年提出的發(fā)展規(guī)劃，45納米節(jié)點以內(nèi)的工藝制備出的鍺晶體 管其驅(qū)動電流可超過2000iLiA/^im。如今，新一代的高介電常數(shù)介質(zhì)淀積技術(shù) 有效解決了鍺上制備柵氧的問題，使得鍺材料可以用于MOS器件制備。然 而我們同時需要注意到，鍺材料在地殼中含量較低，高質(zhì)量單晶鍺的獲得比 硅困難。而且Ge材料禁帶寬度較小(室溫下約0.67eV)，導(dǎo)致其p-n結(jié)存 在較大的漏電流，因此單獨的SOI或者GeOI往往不能同時滿足器件或電路 制備需求，為此我們提出一種新的結(jié)構(gòu)即混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié) 構(gòu)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于提出一種混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)及制備方 法，其特征在于提供的結(jié)構(gòu)中包括有源層和絕緣埋層，有源層由單晶鍺和單晶硅構(gòu)成。而且單晶硅的晶向可以由襯底硅決定，可按照不同應(yīng)用選擇(ioo),(llO)或者(lll)。頂層單晶鍺的厚度為0.2 — 1.5,，由硼氫離子注入能量決定 的。圖形化單晶硅可與常規(guī)CMOS工藝的兼容，絕緣層上鍺又可用于制備高 速光電探測器或者外延GaAs等光電材料，因此利用這一襯底，可以在同一 芯片上集成高速光電電路，高速光電探測器及太陽能電池等，應(yīng)用前景十分 廣闊。通過離子注入手段在鍺材料內(nèi)注入硼離子和氫離子，與表面生長有二 氧化硅，氮化硅、氮化鋁或氧化鋁薄膜的硅襯底支撐片進行等離子體室溫鍵 合，低溫熱處理后剝離形成絕緣體上鍺結(jié)構(gòu)，化學(xué)機械拋光這一結(jié)構(gòu)后再進 行圖形化光刻，刻蝕掉頂層局部鍺和埋層后，從裸露的襯底硅上外延單晶硅， 最終形成頂層的鍺硅混合結(jié)構(gòu)。同樣，本發(fā)明中的GeOI結(jié)構(gòu)也可以通過等 離子體低溫鍵合后，對鍺進行背面減薄來制備。本發(fā)明擬提出的一種混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)，絕緣層上鍺 (GeOI)結(jié)合了 Ge與SOI的共同優(yōu)點，其有源層與襯底通過氧化硅隔離， 可有效降低鍺器件的漏電流；頂層單晶鍺可以有效提高器件工作速度，并且 由于晶格常數(shù)與III-V族晶格匹配，所以這種襯底可以用于GaAs外延，實現(xiàn) 與m-V族半導(dǎo)體的集成，從而在半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域發(fā)揮出GeOI更大的優(yōu)勢。 頂層圖形化單晶硅的存在，使得可以利用目前常規(guī)CMOS工藝制備電路與器 件，這將極大的促進單芯片上的光電集成。然而由于鍺和氧化硅之間熱膨脹系數(shù)差異較大，而鍺材料又非常脆，因此 鍺和氧化硅的鍵合片在退火過程中非常容易碎裂，為了解決這個問題，必須 降低熱預(yù)算，降低整個制程溫度，這包括剝離溫度以及能實現(xiàn)完整剝離所需 的鍵合溫度等。離子體低溫鍵合可以在低溫退火下提高鍵合能，Dragoi等人 的研究結(jié)果表明，經(jīng)過等離子體處理的晶圓鍵合經(jīng)低于400°C退火可達到飽 和鍵合強度(V. Dragoi， S. Farrens, and P. Lindner, Proc. SPIE, 179(2005),5836, 179)。使用硼氫共注入可以在300°C以下實現(xiàn)SOI制備(Xiaobo Ma, Weili Liu, Chao Chen, et al, Semiconductor Science and Technology, 21(2006), 959)，這些 研究工作為低溫鍺薄膜轉(zhuǎn)移提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本發(fā)明中提出的混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)材料，具體制備方法 為1、在單晶鍺材料，或者表面淀積有薄二氧化硅的單晶鍺材料中注入硼離子和氫離子，在半導(dǎo)體層內(nèi)形成硼氫共注層，硼離子劑量為lxl015cm—2 lxl016cm—2Cm-2，氫離子劑量為(1 9) xl016cm-2，選擇注入能量使得硼引入 缺陷濃度峰值在氫濃度峰值之上約10 20nm，這樣可以發(fā)揮硼的吸附作用， 使得注氫缺陷層在更低溫度下產(chǎn)生氣泡層并剝離。2、將硼離子、氫離子共注 入過的上述半導(dǎo)體材料與表面生長有二氧化硅、氮化硅、氮化鋁或氧化鋁薄 膜的硅片，清洗去除表面粘污，通過等離子體活化后，在室溫下進行面對面 鍵合。等離子體活化離子為氮離子、氧離子、氦離子或氫離子中的任一種， 或由它們組成的混合離子。建議活化離子為氧離子或者氮離子，活化氣壓為 0.2 0.8mbar，功率為50 100W，時間20 40s。 3、鍵合后的圓片在高純氮 氣保護下進行熱處理，溫度為100 300°C，加熱時間為1一3小時，使鍺材 料從硼氫注入層形成的缺陷層處產(chǎn)生大量氣泡，實現(xiàn)頂層單晶鍺材料的剝離， 從而可以從缺陷層裂開，實現(xiàn)單晶鍺半導(dǎo)體薄膜層轉(zhuǎn)移到絕緣基片上，鍺薄 膜厚度由氫離子注入能量決定；典型值為0.2 —1.5,;高純氮為氮的質(zhì)量百 分數(shù)大于99.99%的氮氣4、用化學(xué)機械拋光方法將獲得的絕緣層上鍺材料 (GeOI)表面拋光，去除表面雜質(zhì)，改善表面鍺晶體質(zhì)量。5、利用繪制好 的掩模板進行光刻，在需要制備體硅器件的區(qū)域刻蝕去除頂層鍺、埋層并露 出底部襯底硅，利用超高真空化學(xué)氣相淀積(UHVCVD)外延單晶硅，外延 單晶的晶向由底部襯底晶向決定?？梢愿鶕?jù)需要獲得不同結(jié)構(gòu)的單晶硅，外 延真空度為l(T9mbar，外延速率及外延層厚度可以根據(jù)頂層鍺和埋層的厚度 決定的；6、利用化學(xué)機械拋光去除頂層鍺上的多余的外延硅(詳見附圖和實 施例)。值得一提的是利用掩膜對絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)進行圖形化刻蝕時，在刻蝕前可 以淀積一層二氧化硅或氮化硅，作為后續(xù)刻蝕和外延中頂層鍺的保護層。剝 離后的鍵合片具有高的結(jié)合能無需其它高溫退火來增強鍵合強度。綜上所述，本發(fā)明由等離子體低溫鍵合和低溫剝離的工藝，將單晶鍺薄膜 轉(zhuǎn)移到絕緣層上，并在此絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)選擇性刻蝕，外延單晶硅，最終可 以得到一種混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的這種結(jié)構(gòu)材 料，其中單晶鍺部分可以用于PMOS器件制備，也可以應(yīng)用于III-V族化合 物半導(dǎo)體如砷化鎵(GaAs)的外延與集成(因為鍺材料與GaAs具有非常接近的晶格常數(shù))，而砷化鎵(GaAs)又是半導(dǎo)體激光器最常用的襯底材料；另外， 單晶硅部分可以應(yīng)用常規(guī)的CMOS工藝制備NMOS器件，或者用于制備 MEMS器件。因此，絕緣體上鍺與硅二者的結(jié)合，可以讓芯片上高速MOS 電路驅(qū)動集成的光電器件，光電探測器或者MEMS器件。在高速高性能 CMOS器件、光電集成電路、高速光探測器方面有重要的應(yīng)用前景。


圖1是以二氧化硅為絕緣埋層的混合圖形化單晶硅的GeOI材料流程圖。(a) 是使用一次光刻制備的混合圖形化單晶硅的GeOI結(jié)構(gòu)；(b) 是使用兩次光刻制備的混合圖形化單晶硅的GeOI結(jié)構(gòu)，其中單晶硅 材料部分處于絕緣層上；其中，IO是硼離子氫離子共注入鍺片后引起的缺陷層 20是硅片上的二氧化硅薄膜，將作為絕緣埋層 ll是頂層鍺薄膜，是10層經(jīng)過熱處理后剝離得到 21是外延單晶硅圖2是采用硼離子氫離子共注入鍺片后退火引起的缺陷層掃描電鏡圖。
具體實施方式
以下實施例將有助于理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。 實施例1:低溫GeOI結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法。步驟如圖l所示1. 硼離子，氫離子注入首先在鍺片上先注入劑量為5X10"cm's的硼 離子，再注入5X1016 cm^氫離子，IO是硼離子氫離子共注入鍺片后引起的 缺陷層。2. 等離子體鍵合對覆蓋有二氧化硅薄膜的硅片和注入過硼氫離子的鍺片進行化學(xué)清洗，去除表面粘污，甩干后進行表面低溫氮等離子體活化。氮等離子體活化條件是氣壓0.4毫巴，等離子體功率為100W，高純氮氣流量 為80sccm。活化后進行去離子水沖洗6秒，兆聲水清洗6秒后甩干，再將兩 片在室溫下面對面鍵合，在背面中心處施加壓力15N，時間10秒。3. 低溫退火剝離將鍵合片先在高純氮氣氣氛下，100。C退火l小時， 勻速緩慢升溫至200度后保持1 2小時，再300°C下退火5 15分鐘，鍵合 片在注氫缺陷層處剝離。4.化學(xué)機械拋光用化學(xué)機械拋光技術(shù)將剝離后粗糙的表面拋平。 實施例2:混合圖形化單晶硅的GeOI結(jié)構(gòu)制備方法。1. 將實施例1獲得的絕緣層上鍺(GeOI)薄膜按照需求進行圖形化光 刻，使用同一窗口掩?？涛g頂層鍺與下面氧化層。利用反應(yīng)離子刻蝕或濕法 刻蝕，去除頂層鍺與其下的二氧化硅絕緣埋層，露出圖形化底部襯底(100) 硅。2. 利用超高真空化學(xué)氣相淀積(UHVCVD)在刻蝕出的窗口進行單晶 硅外延，，得到含有圖形化硅的GeOI結(jié)構(gòu)，其中單晶硅為(100)晶向。3. 使用CMP將頂層鍺上多余的外延硅與二氧化硅保護層去除，表面拋 平，最終得到如圖l(a)所示。實施例3:不同絕緣埋層的GeOI結(jié)構(gòu)及不同晶向、圖形化絕緣層上硅的 制備。1. 實施例1中，可以選擇淀積不同絕緣埋層的襯底硅片，如氮化硅、氮 化鋁，氧化鋁或類金剛石的一種，或是由它們組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)以提高埋層導(dǎo) 熱性能。襯底硅片晶向決定外延硅晶向，可以為(110)或(100)。圖形化 硅上若制備電子型工作器件可以選擇(100)襯底，空穴型工作器件可以選擇(110)襯底。2. 類似實施例2方法，將實施例1獲得的絕緣層上鍺(GeOI)薄膜按 照需求進行圖形化光刻，將外延單晶硅的窗口分兩次刻蝕，最終可以得到如 圖1 (b)所示結(jié)構(gòu)。利用這種結(jié)構(gòu)，我們獲得的外延單晶硅是部分處于絕緣 層上的，我們可以把MOS器件的源漏制造在埋層上的單晶硅上，溝道處于 沒有埋層的外延硅上，這樣可以有效的解決SOI襯底的浮體效應(yīng)，提高器件 工作穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)，包括有源層和絕緣埋層，其特征在于有源層由單晶鍺和單晶硅構(gòu)成，且單晶硅的晶向由襯底硅決定。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)，其特 征在于頂層單晶鍺的厚度為0.2—1.5pm。
3. 制備如權(quán)利要求1所述的一種混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)的 方法，包括離子注入，等離子體低溫晶圓鍵合，反應(yīng)離子刻蝕及超高真空化 學(xué)氣相淀積工藝。其特征在于將等離子體低溫鍵合和低溫剝離工藝相結(jié)合， 將單晶鍺薄膜轉(zhuǎn)移到絕緣層上；并在絕緣層上結(jié)構(gòu)選擇性刻蝕，外延單晶硅 最終制成一種混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)。
4. 如權(quán)利要求3所述的混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)的制備方法， 其特征在于制備步驟為(a) 室溫下向單晶鍺材料或者表面淀積有薄二氧化硅的單晶鍺材料注入 硼離子和氫離子，在半導(dǎo)體層內(nèi)形成硼氫共注層；(b) 將步驟a的硼氫共注入后的半導(dǎo)體材料與表面生長有二氧化硅、氮化 硅、氮化鋁或氧化鋁薄膜的硅片，經(jīng)清洗去除表面粘污并通過等離子體活化 后，室溫下面對面進行鍵合；(c) 鍵合后的圓片在高純氮氣保護下進行熱處理，使鍺材料從硼氫注入層 形成的氣泡層裂開，實現(xiàn)頂層單晶鍺材料的剝離，從而將單晶鍺半導(dǎo)體層轉(zhuǎn) 移到絕緣基片上；(d) 用化學(xué)機械拋光方法將獲得的絕緣層上鍺材料表面拋平，去除表面雜 質(zhì)，利用掩膜板進行光刻，在需要外延硅的區(qū)域刻蝕去除頂層鍺，埋層并露 出底部稱底硅；(e) 利用超高真空化學(xué)氣相淀積從襯底硅上外延單晶硅；(f) 用化學(xué)機械拋光方法去除頂層鍺上外延硅。
5. 如權(quán)利要求4所述的混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)的制作方法, 其特征在于硼氫共注入層引入缺陷層，硼離子劑量為lxl015cm—2 lxl016Cm—2Cm-2，氫離子劑量為lxl016Cnf2 9xl016Cm—2，選擇注入能量使得硼 引入峰值濃度在氫濃度峰值之上約10 20nm。
6. 如權(quán)利要求4所述的混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)的制作方法， 其特征在于等離子體活化中使用的離子為氮離子，氧離子，氦離子或者氫離 子的一種，或是由它們組成的混合氣體離子。
7. 如權(quán)利要求4或6所述的混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)的制作 方法，其特征在于等離子體活化中使用的是氧離子或氮離子；活化氣壓為0.2 —0.8mbar，時間20—40s。
8. 如權(quán)利要求4所述的混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)制作方法， 其特征在于頂層單晶鍺材料剝離的方法為熱處理，在氮氣保護下，熱處理溫 度100—300。C，加熱時間為1 3小時。
9. 如權(quán)利要求4所述的混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)的制作方法， 其特征在于利用掩模對絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)進行圖形化刻蝕，刻蝕前淀積一層二 氧化硅或氮化硅，作為后續(xù)刻蝕和外延中頂層鍺的保護層。
10. 如權(quán)利要求1所述的混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其 特征在于用于砷化鎵外延，實現(xiàn)與III-V族半導(dǎo)體的集成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)及其制作方法，特征在于有源層由單晶鍺和單晶硅構(gòu)成，且單晶硅的晶向由襯底硅決定。制備該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是能夠制作出絕緣層上鍺單晶薄膜，本發(fā)明利用等離子體低溫鍵合和低溫剝離的工藝，將單晶鍺薄膜轉(zhuǎn)移到絕緣層上，并在此單晶鍺薄膜上選擇性刻蝕、外延單晶硅，從而制備出混合有圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)襯底。本發(fā)明可用于砷化鎵外延，實現(xiàn)與III-V族半導(dǎo)體的集成。同時存在的圖形化單晶硅材料可以進行常規(guī)CMOS工藝加工，制備常規(guī)器件與電路，有效解決氧化埋層的自加熱效應(yīng)。這種新型混合圖形化單晶硅的絕緣層上鍺結(jié)構(gòu)，在高速高性能CMOS器件，光電集成電路，高速光探測器等方面有重要的應(yīng)用前景。
文檔編號H01L21/02GK101325154SQ20081004064
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者劉衛(wèi)麗, 宋志棠, 煒 李, 林成魯, 馬小波 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所;上海新傲科技有限公司