一種絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：S1：提供一sSOI襯底，在張應(yīng)變頂層硅表面外延生長(zhǎng)一預(yù)設(shè)Ge組分的單晶SiGe薄膜；所述張應(yīng)變頂層硅的晶格長(zhǎng)度與所述單晶SiGe薄膜的晶格長(zhǎng)度相等；S2：在所述單晶SiGe薄膜表面形成一Si帽層；S3：將步驟S2獲得的結(jié)構(gòu)進(jìn)行鍺濃縮，形成自下而上依次包含有背襯底、埋氧層、含鍺薄膜及SiO2層的疊層結(jié)構(gòu)；S4：腐蝕掉所述疊層結(jié)構(gòu)表面的SiO2層以得到絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過(guò)選擇合適張應(yīng)變頂層硅及相應(yīng)含鍺組分的單晶SiGe薄膜，使得張應(yīng)變頂層硅與其上的單晶SiGe薄膜的晶格匹配，從而降低缺陷來(lái)源，能夠獲得高質(zhì)量的SGOI或GOI材料。
【專利說(shuō)明】一種絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，涉及一種絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]SOI (Silicon-On-1nsulator,絕緣襯底上的娃)技術(shù)是在頂層娃和背襯底之間引入了一層埋氧化層。通過(guò)在絕緣體上形成半導(dǎo)體薄膜，SOI材料具有了體硅所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn):可以實(shí)現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)隔離，徹底消除了體硅CMOS電路中的寄生閂鎖效應(yīng)；采用這種材料制成的集成電路還具有寄生電容小、集成密度高、速度快、工藝簡(jiǎn)單、短溝道效應(yīng)小及特別適用于低壓低功耗電路等優(yōu)勢(shì)，因此可以說(shuō)SOI將有可能成為深亞微米的低壓、低功耗集成電路的主流技術(shù)。但是，根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)圖(ITRS2009)的規(guī)劃，集成電路已經(jīng)逐步從微電子時(shí)代發(fā)展到了微納米電子時(shí)代，現(xiàn)有的體硅材料和工藝正接近它們的物理極限，遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
[0003]從材料角度來(lái)說(shuō)，我們需要從傳統(tǒng)的單晶硅材料拓展到新一代硅基材料。SiGe材料由于其高遷移率和可以作為其他材料的虛擬襯底而受到廣泛關(guān)注。SGOI (SiliconGermanium On Insulater,絕緣層上鍺娃)結(jié)合了 SiGe和SOI的優(yōu)點(diǎn)，為研發(fā)新型的超高速、低功耗、抗輻射、高集成度硅基器件和芯片提供一種新的解決方案，在光電集成、系統(tǒng)級(jí)芯片等方面也有著重要的應(yīng)用前景。而絕緣體上鍺(GOI)是高端硅基襯底材料領(lǐng)域的一項(xiàng)最新開發(fā)成果，它對(duì)高性能CMOS IC以及光電探測(cè)器和太陽(yáng)能電池都具有十分重要的意義。能用作光電探測(cè)器GOI (鍺吸收850nm波長(zhǎng)的光的效率是硅的70倍)，而且也能用來(lái)制作高速晶體管?；阪N材料的晶體管的轉(zhuǎn)換速度能比硅的大3到4倍。由于鍺金屬能提高材料的電子遷移率，在未來(lái)的高速邏輯IC應(yīng)用上，鍺材料遠(yuǎn)景看好。GOI用作制造高速光電探測(cè)器(運(yùn)行在30GHz),這使其理論上適用于探測(cè)速度大于50Gb/sec的信號(hào)，使芯片上的光互連更接近現(xiàn)實(shí)。
[0004]在傳統(tǒng)鍺濃縮工藝制備SGOI或GOI的過(guò)程中，應(yīng)力釋放主要發(fā)生在SOI頂層Si和外延SiGe的界面，導(dǎo)致穿透位錯(cuò)密度很高，嚴(yán)重影響了最終SGOI或GOI的質(zhì)量和后期器件的性能。從穿透位錯(cuò)的形成機(jī)理上來(lái)講，是由于濃縮開始時(shí)SiGe/Si界面的失配位錯(cuò)下降到SG0I/B0X界面，進(jìn)一步濃縮，失配位錯(cuò)向上穿透形成了穿透位錯(cuò)。
[0005]因此，提供一種新的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法以獲得高質(zhì)量的SGOI結(jié)構(gòu)或GOI結(jié)構(gòu)實(shí)屬必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中制備的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法中穿透位錯(cuò)密度高、質(zhì)量不好的問(wèn)題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，至少包括以下步驟:[0008]S1:提供一自下而上依次包括背襯底、埋氧層及預(yù)設(shè)應(yīng)變程度的張應(yīng)變頂層硅的sSOI襯底，在所述張應(yīng)變頂層硅表面外延生長(zhǎng)一預(yù)設(shè)Ge組分的單晶SiGe薄膜；所述張應(yīng)變頂層硅的晶格長(zhǎng)度與所述單晶SiGe薄膜的晶格長(zhǎng)度相等；
[0009]S2:在所述單晶SiGe薄膜表面形成一 Si帽層；
[0010]S3:將步驟S2獲得的結(jié)構(gòu)進(jìn)行鍺濃縮，形成自下而上依次包含有背襯底、埋氧層、含鍺薄膜及SiO2層的疊層結(jié)構(gòu)；
[0011]S4:腐蝕掉所述疊層結(jié)構(gòu)表面的SiO2層以得到絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)。
[0012]可選地，所述含鍺薄膜為Ge組分大于50%的SiGe薄膜或純鍺薄膜。
[0013]可選地，于所述步驟SI中，所述單晶SiGe薄膜中Ge的組分小于40%。
[0014]可選地，于所述步驟SI中，所述張應(yīng)變頂層硅為0.8%張應(yīng)變硅，所述單晶SiGe薄膜為Sia83Geai7薄膜。
[0015]可選地,于所述步驟SI中，所述單晶SiGe薄膜的厚度范圍是50?200nm。
[0016]可選地，于所述步驟S3中，鍺濃縮的步驟包括:
[0017]S3-1:將步驟S2獲得的結(jié)構(gòu)首先在第一預(yù)設(shè)溫度的含氧氣氛下中氧化第一預(yù)設(shè)時(shí)間，然后在第一預(yù)設(shè)溫度的氮?dú)鈿夥罩斜３值诙A(yù)設(shè)時(shí)間；
[0018]S3-2:重復(fù)步驟S3-1若干次直至所述單晶SiGe薄膜中的Ge組分達(dá)到55?65% ；
[0019]S3-3:將溫度下降至第二預(yù)設(shè)溫度，并將步驟S3-2獲得的結(jié)構(gòu)首先在所述第二預(yù)設(shè)溫度的含氧氣氛下氧化第三預(yù)設(shè)時(shí)間，然后在所述第二預(yù)設(shè)溫度的氮?dú)鈿夥罩斜３值谒念A(yù)設(shè)時(shí)間；
[0020]S3-4:重復(fù)步驟S3-3若干次直至完成鍺濃縮，得到所述疊層結(jié)構(gòu)。
[0021]可選地，所述第一預(yù)設(shè)溫度為1050°C，第二預(yù)設(shè)溫度為900°C;所述第一預(yù)設(shè)時(shí)間、第二預(yù)設(shè)時(shí)間、第三預(yù)設(shè)時(shí)間及第四預(yù)設(shè)時(shí)間均為30min。
[0022]可選地，通過(guò)調(diào)整所述第一預(yù)設(shè)時(shí)間、第二預(yù)設(shè)時(shí)間、第三預(yù)設(shè)時(shí)間及第四預(yù)設(shè)時(shí)間的長(zhǎng)短以使得到的所述絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)為絕緣體上應(yīng)變鍺娃或絕緣體上應(yīng)變鍺。
[0023]可選地,所述絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)中,所述含鍺薄膜的厚度范圍是15?lOOnm。
[0024]可選地，所述張應(yīng)變頂層硅的厚度范圍是30?lOOnm。
[0025]如上所述，本發(fā)明的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，具有以下有益效果:本發(fā)明利用對(duì)晶格匹配的兩薄膜進(jìn)行濃縮制備絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)。通過(guò)選擇合適張應(yīng)變頂層硅及相應(yīng)含鍺組分的單晶SiGe薄膜，使得張應(yīng)變頂層硅與其上的單晶SiGe薄膜的晶格長(zhǎng)度一樣，不存在晶格失配，從而降低缺陷來(lái)源，能夠獲得高質(zhì)量的絕緣體上鍺硅材料或絕緣體上鍺材料。本發(fā)明的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法還可以通過(guò)調(diào)整濃縮過(guò)程中的退火循環(huán)次數(shù)得到需要濃度的絕緣體上鍺硅；同時(shí)還可以通過(guò)調(diào)整濃縮工藝參數(shù)使得到的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)為絕緣體上應(yīng)變鍺硅或絕緣體上應(yīng)變鍺，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1顯示為本發(fā)明的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法中在張應(yīng)變頂層硅表面外延生長(zhǎng)預(yù)設(shè)Ge組分的單晶SiGe薄膜的示意圖。
[0027]圖2顯示為本發(fā)明的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法中在單晶SiGe薄膜表面形成Si帽層的示意圖。[0028]圖3顯示為本發(fā)明的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法中進(jìn)行鍺濃縮形成疊層結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0029]圖4顯示為本發(fā)明的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法中去除疊層結(jié)構(gòu)表面的SiO2層得到絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0030]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，至少包括以下步驟: 51:提供一自下而上依次包括背襯底、埋氧層及預(yù)設(shè)應(yīng)變程度的張應(yīng)變頂層硅的SSOI襯底，在所述張應(yīng)變頂層硅表面外延生長(zhǎng)一預(yù)設(shè)Ge組分的單晶SiGe薄膜；所述張應(yīng)變頂層硅的晶格長(zhǎng)度與所述單晶SiGe薄膜的晶格長(zhǎng)度相等； 52:在所述單晶SiGe薄膜表面形成一 Si帽層； 53:將步驟S2獲得的結(jié)構(gòu)進(jìn)行鍺濃縮，形成自下而上依次包含有背襯底、埋氧層、含鍺薄膜及SiO2層的疊層結(jié)構(gòu)； 54:腐蝕掉所述疊層結(jié)構(gòu)表面的SiO2層以得到絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:所述含鍺薄膜為Ge組分大于50%的SiGe薄膜或純鍺薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:于所述步驟SI中，所述單晶SiGe薄膜中Ge的組分小于40%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:于所述步驟SI中，所述張應(yīng)變頂層硅為0.8%張應(yīng)變硅，所述單晶SiGe薄膜為Sia83Geai7薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:于所述步驟SI中，所述單晶SiGe薄膜的厚度范圍是50?200nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:于所述步驟S3中，鍺濃縮的步驟包括: S3-1:將步驟S2獲得的結(jié)構(gòu)首先在第一預(yù)設(shè)溫度的含氧氣氛下中氧化第一預(yù)設(shè)時(shí)間，然后在第一預(yù)設(shè)溫度的氮?dú)鈿夥罩斜３值诙A(yù)設(shè)時(shí)間； S3-2:重復(fù)步驟S3-1若干次直至所述單晶SiGe薄膜中的Ge組分達(dá)到55?65% ； S3-3:將溫度下降至第二預(yù)設(shè)溫度，并將步驟S3-2獲得的結(jié)構(gòu)首先在所述第二預(yù)設(shè)溫度的含氧氣氛下氧化第三預(yù)設(shè)時(shí)間，然后在所述第二預(yù)設(shè)溫度的氮?dú)鈿夥罩斜３值谒念A(yù)設(shè)時(shí)間； S3-4:重復(fù)步驟S3-3若干次直至完成鍺濃縮，得到所述疊層結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:所述第一預(yù)設(shè)溫度為1050°C，第二預(yù)設(shè)溫度為900°C;所述第一預(yù)設(shè)時(shí)間、第二預(yù)設(shè)時(shí)間、第三預(yù)設(shè)時(shí)間及第四預(yù)設(shè)時(shí)間均為30min。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:通過(guò)調(diào)整所述第一預(yù)設(shè)時(shí)間、第二預(yù)設(shè)時(shí)間、第三預(yù)設(shè)時(shí)間及第四預(yù)設(shè)時(shí)間的長(zhǎng)短以使得到的所述絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)為絕緣體上應(yīng)變鍺硅或絕緣體上應(yīng)變鍺。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:所述絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)中，所述含鍺薄膜的厚度范圍是15?lOOnm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣體上含鍺薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:所述張應(yīng)變頂層硅的厚度范圍是30?lOOnm。
【文檔編號(hào)】H01L21/02GK103646853SQ201310724004
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】張苗, 陳達(dá), 狄增峰, 葉林, 王剛, 郭慶磊, 母志強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所