CN102347267A - 一种利用超晶格结构材料制备的高质量sgoi及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI及其制备方法，首先在一衬底上按周期交替生长Ge层（Si层）与Si1-xGex层形成超晶格结构，然后再低温生长Si1-mGem材料，控制此外延层的厚度，使其小于临界厚度。紧接着对样品进行退火或离子注入加退火处理，使顶层的Si1-mGem材料弛豫。最后采用智能剥离的方法将顶层的Si1-mGem及超晶格结构转移到SiO2/Si结构的支撑材料上，形成多层材料。使用研磨或CMP的方法制备高质量的SGOI。由此，利用超晶格结构材料，我们制备出高质量、低成本、低缺陷、厚度可控的SGOI。

Description

一种利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI及其制备方法。
背景技术
SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，因此可以说SOI将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。但是，根据国际半导体产业发展蓝图(ITRS2009)的规划，集成电路已经逐步从微电子时代发展到了微纳米电子时代，现有的体硅材料和工艺正接近它们的物理极限，遇到了严峻的挑战。
从材料角度来说，我们需要从传统的单晶硅材料拓展到新一代硅基材料。SiGe材料由于其高迁移率和可以作为其他材料的虚拟衬底而受到广泛关注，目前制备低缺陷密度的高质量弛豫锗硅主要采用锗浓度梯度递增生长方法，但是通常几个微米的生长厚度，不但增加了生产成本，而且会由于锗硅的较差的热导性影响器件性能；离子注入和键合是一种有效的层转移方法，但是较高的注入剂量，增加了生产时间和成本。因此，需求一种低成本、低缺陷、厚度可控的SiGe材料有着十分重大的意义。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI及其制备方法，用于解决现有技术中锗硅材料生长厚度过大，生产成本高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI的制备方法，至少包括以下步骤：1)提供第一衬底，在所述第一衬底上按周期交替形成Ge层与Si1-xGex层，或按周期交替形成Si层与Si1-xGex层，其中，0＜x＜1，且各该Si1-xGex层中Ge组分依据x的取值递增而递增，直至形成一顶Si1-yGey层，其中，x＜y＜1，以获得SiGe超晶格结构；2)在所述顶Si1-yGey层上形成Si1-mGem层，其中，m＜y，然后对所得结构进行退火处理或离子注入加退火处理，以使所述Si1-mGem层产生弛豫；3)提供具有绝缘层的第二衬底，键合所述绝缘层与Si1-mGem层；4)对所述第一衬底或SiGe超晶格结构的预设界面进行剥离，并对剥离表面进行抛光，以去除所述第一衬底及SiGe超晶格结构，以完成SGOI的制备。
在本发明的制备方法中，所述Ge层或Si层与各该Si1-xGex层的厚度均为5nm～15nm。
在本发明的制备方法中，在650～700℃下形成所述Ge层或Si层与Si1-xGex层，在500～550℃下形成所述Si1-mGem层。
在本发明的制备方法中，所述步骤2)中的退火温度为800～900℃。
优选地，所述顶Si1-yGey层中Ge组分y为0.4＜y＜0.5。
在本发明的制备方法中，所述Si1-mGem层中Ge组分m为0.2＜m＜0.3，所述Si1-mGem层厚度为100～150nm。
在本发明的制备方法中，所述步骤4)中采用智能剥离技术对对所述第一衬底或SiGe超晶格结构的预设界面进行剥离。
优选地，所述步骤4)还包括腐蚀步骤，以去除所述第一衬底及SiGe超晶格结构。
本发明还提供一种利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI，包括具有绝缘层的衬底，其特征在于，所述绝缘层的表面键合有Si1-mGem层，其中，Si1-mGem层中Ge组分m为0＜m＜1。
在本发明的利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI中，所述Si1-mGem层的厚度为100～150nm，所述Si1-mGem层中Ge组分m为0.2＜m＜0.3，所述Si1-mGem层为完全弛豫的薄层。
如上所述，本发明的利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI及其制备方法，首先在一衬底上按周期交替生长Ge层(或Si层)与Si1-xGex层形成超晶格结构，然后再低温生长Si1-mGem材料，控制此外延层的厚度，使其小于临界厚度。紧接着对样品进行退火或离子注入加退火处理，使顶层的Si1-mGem材料弛豫。最后采用智能剥离的方法将顶层的Si1-mGem及超晶格结构转移到SiO2/Si结构的支撑材料上，形成多层材料。使用研磨或CMP的方法制备高质量的SGOI。即利用超晶格结构材料的生长制备出高质量、低成本、低缺陷、厚度可控的SGOI的材料。
附图说明
图1～6显示为本发明制备方法中各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
11第一衬底
12SiGe超晶格结构
13Si1-mGem层
14绝缘层
15第二衬底
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1～图6，如图所示，本发明提供一种利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI的制备方法，至少包括以下步骤：
请参阅图1～图2b，如图所示，首先进行步骤1)，提供第一衬底11，在本实施例中，所述第一衬底11为Si衬底，在所述第一衬底11上按周期交替形成Ge层121与Si1-xGex层122，或按周期交替形成Si层121与Si1-xGex层122，其中，0＜x＜1，且各该Si1-xGex层中Ge组分依据x的取值递增而递增，直至形成一顶Si1-yGey层126，其中，x＜y＜1，即所述顶Si1-yGey层123为所有Si1-xGex层中Ge组分含量最高的一层，以获得SiGe超晶格结构12。
需要特别说明的是，为了便于理解，在本实施例中，具体的实施过程均选用重复周期为3次为例进行简化说明，但并非将所述的重复周期局限于本实施例中的3次，x分别取为x1、x2、y，其中，x1可取0.1，x2可取0.3，y可取0.5，当然，也可以是x1取0.15，x2取0.3，y取0.45，还有各种方式在这不一一列举，如图2所示，采用化学气相沉积法在650～700℃下在所述第一衬底表面上生长按周期交替生长第一Ge层(或Si层)121与Si1-x1Gex1层122，在所述Si1-x1Gex1层122上生长第二Ge层(或Si层)123，在所述第二Ge层(或Si层)123上生长Si1-x2Gex2层124，在所述Si1-x2Gex2层124上生长第三Ge层(或Si层)125，最后在所述第三Ge层(或Si层)125上生长顶Si1-yGey层126，所述第一、第二、第三Ge层(或Si层)121、123及125与所有Si1-xGex层122、124、126的生长厚度均为5～10nm，其中，y取值为0.4＜y＜0.5最佳。当然，实际上，交替生长的次数往往不止3次，也可以为5次，10次，20次或者更多，如图2b所示的SiGe超晶格结构12为n个周期交替生长的Ge层与Si1-xGex层或Si层与Si1-xGex层，具体实施过程中，根据不同的需求可以采用不同的方案。需要说明的是，所述SiGe超晶格结构可以减少由于Si与Ge晶格常数的差异造成的晶格失配，有效的逐渐增大材料的晶格常数并减少由于晶格失配所造成的缺陷；
请参阅图3a～图3b，其中，图3a显示为选用Ge层(或Si层)与Si1-xGex层周期交替3次为例，图3b为Ge层(或Si层)与Si1-xGex层周期交替n次为例，如图所示，然后进行步骤2)，在所述顶Si1-yGey层126上形成Si1-mGem层13，其中，m＜y，在本实施例中，采用化学气相沉积法在500～550℃下生成所述Si1-mGem层13，其中，所述Si1-mGem层13中Ge组分m的范围为0.2＜m＜0.3，所述Si1-mGem层13厚度为100～150nm，然后对所得结构，即所述第一衬底11、SiGe超晶格结构以及Si1-mGem层13进行退火，在本实施例中的退火温度为800～900℃，以使所述Si1-mGem层产生弛豫，需要说明的是，由于所述Si1-mGem层13中Ge组分m小于所述顶Si1-yGey层126中Ge组分y，这就意味着Si1-mGem的晶格常数小于Si1-yGey的晶格常数，退火时由于两层材料中晶格常数的差异就会使Si1-mGem层产生弛豫。需要进一步说明的是，所述Si1-mGem层13厚度为接近其临界厚度以下，一般来说，晶体薄膜只要生长在与其晶格不匹配(晶格常数或者热膨胀系数不同)的衬底上面时，如果保持外延薄膜平行于生长平面的晶格参数与衬底的相同，其中就一定存在应变；随着生长薄膜厚度的增大，外延薄膜中积累的应力也增大，当大到一定的程度就会产生晶面的滑移而产生位错(失配位错)，同时释放出应力，外延薄膜也就变成了原子排列完全规则的晶体薄膜。因此，为了保存外延薄膜中的应变，不致因产生失配位错而得到释放，薄膜的厚度就应当小于某一个临界值，这个临界值就是临界厚度。外延薄膜的组分不同，下面的衬底种类不同，薄膜的应变也都将相应有所不同，从而其临界厚度也就不一样。
请参阅图4～图5b，其中，图5a显示为选用Ge层(或Si层)与Si1-xGex层周期交替3次为例，图5b为Ge层(或Si层)与Si1-xGex层周期交替n次为例，如图所述，接着进行步骤3)，提供具有绝缘层14的第二衬底15，所述绝缘层14为SiO2，所述第二衬底15为Si衬底，键合所述绝缘层14与Si1-mGem层13；
请参阅图5a～图6，其中，图5a显示为选用Ge层(或Si层)与Si1-xGex层周期交替3次为例，图5b为Ge层(或Si层)与Si1-xGex层周期交替n次为例，对所述第一衬底11或SiGe超晶格结构12的预设界面进行剥离，并对剥离表面进行抛光，以去除所述第一衬底11及SiGe超晶格结构12，以完成SGOI的制备，在具体的实施过程中，采用智能剥离技术，以特定的能量及角度向所述第一衬底11或SiGe超晶格结构12注入H离子，以把所述的H离子控制在所述第一衬底11或SiGe超晶格结构12结构内的一个界面或薄层内，然后在550～650℃对以上结构进行退火，H离子会在高温下成核并形成气泡，气泡急剧膨胀就会使以上结构从所述界面或者薄层剥离，其中，所述特定角度一般为离子注入方向与离子注入平面成83°夹角。需要说明的是，所述抛光方法采用机械化学抛光法，除了抛光以外还可能包括对剥离表面进行干法或湿法腐蚀的步骤，以去除所述第一衬底11及SiGe超晶格结构12，获得光洁的Si1-mGem层13表面，以完成所述SGOI的制备。
请参阅图6，如图所示，本发明还提供一种利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI，包括具有绝缘层14的衬底15，其中，所述衬底15为Si衬底，所述绝缘层14为SiO2层，所述绝缘层14的表面键合有Si1-mGem层13，其中，Si1-mGem层13中Ge组分m的范围为0＜m＜1。需要说明的是，所述Si1-mGem层13的厚度为100～150nm。其中，作为一个更优的方案，所述Si1-mGem层13中Ge组分m的范围为0.2＜m＜0.3。在本实施例中，所述Si1-mGem层13为完全弛豫的薄层。
综上所述，本发明的利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI及其制备方法，首先在一衬底上按周期交替生长Ge层(或Si层)与Si1-xGex层形成超晶格结构，然后再低温生长Si1-mGem材料，控制此外延层的厚度，使其小于临界厚度。紧接着对样品进行退火处理或离子注入加退火处理，使顶层的Si1-mGem材料弛豫。最后采用智能剥离的方法将顶层的Si1-mGem及超晶格结构转移到SiO2/Si结构的支撑材料上，形成多层材料。使用研磨或CMP的方法制备高质量的SGOI。即利用超晶格结构材料的生长制备出高质量、低成本、低缺陷、厚度可控的SGOI的材料。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
1)提供第一衬底，在所述第一衬底上按周期交替形成Ge层与Si1-xGex层，或按周期交替形成Si层与Si1-xGex层，其中，0＜x＜1，且各该Si1-xGex层中Ge组分x随周期数的增加而递增，直至形成一顶Si1-yGey层，其中，x＜y＜1，以获得SiGe超晶格结构；
2)在所述顶Si1-yGey层上形成Si1-mGem层，其中，m＜y，然后对所得结构进行退火处理或离子注入加退火处理，以使所述Si1-mGem层产生弛豫；
3)提供具有绝缘层的第二衬底，键合所述绝缘层与Si1-mGem层；
4)对所述第一衬底或SiGe超晶格结构的预设界面进行剥离，并对剥离表面进行抛光，以去除所述第一衬底及SiGe超晶格结构，以完成SGOI的制备。
2.根据权利要求1所述的利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI的制备方法，其特征在于：所述Ge层或Si层与各该Si1-xGex层的厚度均为5nm～15nm。
3.根据权利要求1所述的利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI的制备方法，其特征在于：在650～700℃下形成所述Ge层或Si层与Si1-xGex层，在500～550℃下形成所述Si1-mGem层。
4.根据权利要求1所述的利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的退火温度为800～900℃。
5.根据权利要求1所述的利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI的制备方法，其特征在于：所述顶Si1-yGey层中Ge组分y为0.4＜y＜0.5。
6.根据权利要求1所述的利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI的制备方法，其特征在于：所述Si1-mGem层中Ge组分m为0.2＜m＜0.3，所述Si1-mGem层厚度为100～150nm。
7.根据权利要求1所述的利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中采用智能剥离技术对对所述第一衬底或SiGe超晶格结构的预设界面进行剥离。
8.根据权利要求1所述的利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI的制备方法，其特征在于：所述步骤4)还包括腐蚀步骤，以去除所述第一衬底及SiGe超晶格结构。
9.一种利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI，包括具有绝缘层的衬底，其特征在于，所述绝缘层的表面键合有Si1-mGem层，其中，Si1-mGem层中Ge组分m为0＜m＜1。
10.根据权利要求9所述的利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI，其特征在于，所述Si1-mGem层的厚度为100～150nm。
11.根据权利要求9所述的利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI，其特征在于，所述Si1-mGem层中Ge组分m为0.2＜m＜0.3。
12.根据权利要求9所述的利用超晶格结构材料制备的高质量SGOI，其特征在于，所述Si1-mGem层为完全弛豫的薄层。
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