CN102201364A

CN102201364A - 一种绝缘体上锗衬底的制备方法

Info

Publication number: CN102201364A
Application number: CN2011101386706A
Authority: CN
Inventors: 黄如; 林猛; 郭岳; 安霞; 张兴
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2011-09-28

Abstract

本发明公开了一种GeOI衬底制备方法，该方法在制备GeOI衬底过程中同步实现了对背界面的钝化处理，具体步骤为：分别提供半导体锗衬底和硅衬底，对锗衬底和硅衬底进行清洗，去除锗衬底和硅衬底表面的自然氧化层；随后，在硅衬底上生长一层SiO₂；在SiO₂上淀积一层Si_xN_y；在Si_xN_y上淀积用于键合的SiO₂，在锗衬底上淀积用于键合的氟化SiO₂(FSG)；对Si_xN_y的SiO₂和锗衬底上的氟化SiO₂(FSG)做表面激活处理，随后沿激活表面对准键合；键合后退火；减薄。本发明可提高GeOI衬底的背界面质量。

Description

一种绝缘体上锗衬底的制备方法

技术领域

本发明属于新型半导体材料器件领域，具体涉及一种绝缘体上锗(GeOI)衬底制备方法。

背景技术

集成电路技术遵循着摩尔定律已发展了40多年，通过减小器件几何尺寸提高工作速度的方法正面临晶体管尺寸物理极限的考验。为了继续提高器件的工作速度，需要寻找新的材料和结构。锗材料由于其高的载流子迁移率，被认为是实现下一代高速MOSFET的优选材料。常温(300K)下，锗材料的电子迁移率是硅的2.4倍，空穴迁移率是硅的4倍。目前利用锗材料作为沟道的衬底有：体锗衬底、绝缘体上锗(GeOI)衬底和硅上外延锗衬底等。其中绝缘体上锗(GeOI)衬底既具有锗沟道高载流子迁移率的优点，又具备SOI结构有效抑制短沟道效应的优势，适合于制作高速小尺寸MOSFET。

目前制作GeOI衬底的方法主要有两种：智能剥离(Smart Cut^TM)的方法和锗富集(Ge condensation)的方法。但不论是智能剥离还是锗富集制备的GeOI衬底，都有一个共同的缺点，就是上层的锗膜与埋氧(BOX)层的界面(背界面)质量太差，存在大量的悬挂键，界面态密度很高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种GeOI衬底制备方法，该方法在制备GeOI衬底过程中同步实现了对背界面的钝化处理，有效地改善了背界面质量。

本发明提供的GeOI衬底制备方法如图1所示，包括如下步骤：

1)分别对锗衬底和硅衬底进行必要的清洗；

2)去除锗衬底和硅衬底表面的自然氧化层；

3)在硅衬底上生长一层SiO₂，在SiO₂上淀积一层Si_xN_y；

4)在Si_xN_y上淀积用于键合的SiO₂层，在锗衬底上淀积用于键合的氟化SiO₂层；

5)对用于键合的Si_xN_y上的SiO₂层和锗衬底上的氟化SiO₂(FSG)层做表面激活处理，随后对准键合；

6)键合后退火；

7)减薄。

所述步骤1)中对锗衬底的清洗步骤可以为有机清洗、盐酸清洗等，目的是对锗衬底上的有机和无机污染物、金属颗粒等进行去除，但不局限于上述清洗方法；对硅衬底的清洗步骤为1号标准清洗液清洗，2号标准清洗液清洗，以去除硅衬底上的颗粒、有机物和金属等污染物，但不局限于上述清洗方法；

所述步骤2)中去除锗自然氧化层可以采用HF、HCl溶液浸泡的方法，亦可采用高温真空退火的方法，但并不局限于上述去除锗自然氧化层的方法；对于去除硅衬底表面的自然氧化物，可以采用HF、BOE溶液浸泡的方法，但并不局限于上述去除硅自然氧化层的方法；

所述步骤3)中生长SiO₂的方法有热氧化、LPCVD和PECVD等，但不局限于上述生长SiO₂的方法；Si_xN_y可以通过PECVD、LPCVD和溅射等方法淀积，但不局限于上述淀积Si_xN_y的方法，这层Si_xN_y用于阻挡氟向下扩散。

所述步骤4)中除在Si_xN_y上淀积SiO₂和在锗衬底上淀积氟化SiO₂(FSG)的情况外，可以用以下三种情况之一加以替代：1.在Si_xN_y上淀积氟化SiO₂(FSG)，在锗衬底上淀积SiO₂；2.在上Si_xN_y上淀积氟化SiO₂(FSG)，在锗衬底上淀积氟化SiO₂(FSG)；3.只在上Si_xN_y上淀积氟化SiO₂(FSG)，而将锗衬底直接做为键合层。且淀积SiO₂的方法有LPCVD、PECVD和APCVD等，但不局限于上述淀积SiO₂的方法；淀积氟化SiO₂(FSG)的方法有PECVD、PEALD等，但不局限于上述淀积氟化SiO₂(FSG)的方法；

所述步骤5)中表面激活处理可以是亲水处理，也可以是N₂或H₂的等离子体激活处理，但不局限于上述表面激活处理的方法；键合的方法有直接键合、场助键合，但不局限于上述键合的方法；

所述步骤6)中的退火可以在N₂、H₂、NH₃等气氛中进行，但不局限于上述退火气氛，退火的目的是使SiO₂键合得更牢固，并且使氟化SiO₂(FSG)中的氟向上扩散到锗衬底与埋氧层的界面处，以钝化背界面悬挂键，减少界面态密度，提高背界面质量；

所述步骤7)中的减薄可以通过化学机械抛光(CMP)的方法，也可以通过先进行智能剥离，再对进行化学机械抛光的方法。若是要先进行智能剥离，就要在键合前向锗衬底中注入H⁺，并且需要在键合后进行剥离。

本发明的优点与技术效果：

与传统的智能剥离或者锗富集制备的GeOI衬底相比，本发明在制备GeOI衬底的过程中就实现了锗与埋氧层界面的钝化处理，减少界面态密度，提高GeOI衬底的背界面质量。这是由于在制备完氟化SiO₂(FSG)的后续高温工艺中，氟化SiO₂(FSG)中的氟会扩散到锗与埋氧层的界面处，实现对背界面悬挂键的钝化。并且制备本发明的GeOI衬底所需的工艺步骤与传统的体硅工艺兼容，保证了本发明的可实施性。

附图说明

图1为本发明制备方法的流程图：

图2为本发明实施例的步骤示意图。

其中：1-锗衬底；2-硅衬底；3-硅衬底上生长的SiO₂层；4-在SiO₂上淀积的Si_xN_y层；5-在Si_xN_y上淀积的SiO₂层；6-锗衬底上淀积的氟化SiO₂；7-减薄后的硅衬底。

具体实施方式

下面用实施例阐明本发明，但是这些实施例不应被解释为对本发明的限制。

步骤1、选择半导体锗衬底和硅衬底，如图2(a)所示；对锗衬底和硅衬底进行清洗。首先对锗衬底进行有机清洗，依次用丙酮和乙醇浸泡清洗，再用DI水冲洗干净，去除锗衬底上的油污和有机污染物。再用盐酸清洗，在稀盐酸中加热煮沸，随后用DI水冲洗干净，去除无机污染物、金属颗粒等；先用1号清洗液(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶5～1∶2∶7)对硅衬底进行清洗，然后用去离子水清洗干净，去除衬底上的颗粒和有机物质。再用2号清洗液(HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶6～1∶2∶8)清洗，之后再用去离子水清洗干净，去除衬底上的金属污染；

步骤2、去除锗衬底和硅衬底表面的自然氧化物。对于去除锗衬底表面的自然氧化物可以采用HF、HCl溶液浸泡的方法，亦可采用高温真空退火的方法。本实施优选例为的HF溶液浸泡的方法。具体过程如下：先用稀释的HF(HF∶H₂O＝1∶5～1∶60)溶液浸泡10～50秒，再用DI水冲洗10～50秒，如此循环5～10次；对于去除硅衬底表面的自然氧化物可以采用HF、BOE溶液浸泡的方法，本实施优选例为HF溶液浸泡的方法。用稀释的HF(HF∶H₂O＝1∶5～1∶60)溶液浸泡10～50秒，再用DI水冲洗10～50秒，如此循环5～10次；

步骤3、在清洗过的硅衬底上生长一层SiO₂。生长SiO₂的方法有热氧化、LPCVD和PECVD等，本实施优选例为热氧化的方法。热氧化生长50nm～1um的SiO₂，本实施优选例为200nm，如图2(b)所示；

步骤4、在SiO₂上淀积一层Si_xN_y，淀积Si_xN_y的方法有PECVD、LPCVD和溅射等，本实施优选例为PECVD。在250～500℃下，用PECVD的方法在SiO₂上淀积5～500nm的Si_xN_y，本实施优选例为50nm，如图2(c)所示；

步骤5、在Si_xN_y上淀积用于键合的SiO₂，在锗衬底上淀积用于键合的氟化SiO₂(FSG)。但是在Si_xN_y上淀积SiO₂和在锗衬底上淀积氟化SiO₂(FSG)的情况，可以用以下三种情况之一加以替代：1.在Si_xN_y上淀积氟化SiO₂(FSG)，在锗衬底上淀积SiO₂；2.在上Si_xN_y上淀积氟化SiO₂(FSG)，在锗衬底上淀积氟化SiO₂(FSG)；3.在上Si_xN_y上淀积氟化SiO₂(FSG)。且淀积SiO₂的方法有LPCVD PECVD和APCVD等；淀积氟化SiO₂(FSG)的方法有PECVD、PEALD等。本实施优选例为：用LPCVD的方法在Si_xN_y上淀积SiO₂；用PECVD的方法在锗衬底上淀积氟化SiO₂(FSG)。在200～400℃下，利用LPCVD淀积一层5～500nm的SiO₂，本实施优选例为50nm，在250～500℃下，利用SiH₄、N₂O和CF₄的等离子体反应，在锗衬底上淀积50～500nm氟化SiO₂(FSG)，本实施优选例为100nm，如图2(d)所示；

步骤6、室温下，对Si_xN_y上的SiO₂和锗衬底上的氟化SiO₂(FSG)做表面激活处理，激活的方法有亲水处理，N₂或H₂的等离子体处理，本实施优选例为N₂的等离子体处理，用氮的等离子体处理10～30s；将硅衬底上的SiO₂和锗衬底上的氟化SiO₂(FSG)键合，键合的方法有直接键合、场助键合，本实施优选例为直接键合，在300～700℃的真空中键合5～20h，如图2(e)所示；

步骤7、键合后退火。在N₂、H₂、NH₃等气氛中退火，但不局限于上述退火气氛。本实施优选例为H₂气氛，在400℃～700℃的H₂气氛中退火10min～200min，使氟化SiO₂(FSG)中的氟扩散到锗与埋氧层的界面处，实现对背界面悬挂键的钝化，改善背界面质量，如图2(f)所示；

步骤8、减薄。减薄可以通过化学机械抛光(CMP)的方法，也可以通过先进行智能剥离，再对进行化学机械抛光的方法。若是要先进行智能剥离，就要在键合前向锗衬底中注入H⁺，并且需要在键合后进行剥离。本实施优选例为直接用CMP减薄的方法，最终获得的锗的厚度为20nm～1um，本实施优选例为400nm，如图2(g)所示。

以上通过优选实施例详细描述了本发明所提出的一种绝缘体上锗衬底的制备方法，本领域的技术人员应当理解，以上所述仅为本发明的优选实施例，在不脱离本发明实质的范围内，可以使用其它反应材料实现本发明的绝缘体上锗(GeOI)衬底，例如对于氟化SiO₂(FSG)，也可以采用TEOS、O₂和C₂F₆混合气体等离子反应获得，其制备方法也不限于实施例中所公开的内容，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种GeOI衬底制备方法，其步骤包括：

1)分别对锗衬底和硅衬底进行清洗；

2)去除锗衬底和硅衬底表面的自然氧化层；

3)在硅衬底上生长一层SiO₂，在SiO₂上淀积一层Si_xN_y；

4)在Si_xN_y上淀积用于键合的SiO₂层，在锗衬底上淀积用于键合的氟化SiO₂层；或者在Si_xN_y上淀积用于键合的氟化SiO₂层，在锗衬底上淀积用于键合的SiO₂层；或者在Si_xN_y和锗衬底上都淀积用于键合的氟化SiO₂层；或只在Si_xN_y上淀积用于键合的氟化SiO₂层，锗衬底直接做为键合层；

5)对上述键合层做表面激活处理，随后对准键合；

6)键合后退火；

7)减薄。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中对锗衬底的清洗为有机清洗、盐酸清洗等；对硅衬底的清洗为1号标准清洗液清洗和2号标准清洗液清洗。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中去除锗自然氧化层采用HF、HCl溶液浸泡的方法，亦可采用高温真空退火的方法；对于去除硅衬底表面的自然氧化物，采用HF、BOE溶液浸泡的方法。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中生长SiO₂的方法有热氧化、LPCVD和PECVD，淀积Si_xN_y是通过PECVD、LPCVD和溅射方法。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中在Si_xN_y或锗衬底上淀积SiO₂的方法有LPCVD、PECVD和APCVD；在Si_xN_y或锗衬底上淀积氟化SiO₂的方法有PECVD和PEALD。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中表面激活处理的方式是：亲水处理，或是N₂或H₂的等离子体激活处理。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤7)中的退火在N₂、H₂、NH₃等气氛中进行。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤8)中的减薄是通过化学机械抛光的方法，或通过先进行智能剥离，再对进行化学机械抛光的方法，其中智能剥离是，在键合前向锗衬底中注入H⁺，在键合后进行剥离。