CN102593005A - 绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，包括：在GeOI材料的Ge面涂上光刻胶，并进行光刻；光刻之后进行坚膜，然后刻蚀掉部分Ge及对应的绝缘层；去除光刻胶，然后外延生长一层Si膜；去除Ge表面生长的Si膜；后续处理，得到绝缘体上锗硅混合型衬底。利用本发明，能够制备出高质量的锗硅混合型衬底，利于发挥出Ge基pMOS和{001}Si基nMOS各自载流子迁移率高、晶体管性能好的优势；同时利于新型材料结构集成，利于新型器件电路集成。

Description

绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法

技术领域

本发明涉及新型半导体材料器件技术领域，具体涉及一种绝缘体上锗硅(Ge/Si)混合型衬底的制备方法。

背景技术

当今半导体技术迅猛发展，器件尺寸越来越小，电路的集成的越来越高，Si(硅)基的MOS器件由于受到自身材料性能的约束，在当下的微电子技术发展中已经显现出了很大的局限性，随着集成电路特征尺寸逐步缩小至45nm，甚至22nm，体硅MOS器件在器件理论、器件结构以及制作工艺等各个方面出现了一系列的新问题，使得其功耗、可靠性以及性价比等受到极大影响。

锗(Ge)与Si同族，也是良好的半导体材料，更早而被学者发现，世界上最早的晶体管就是基于Ge材料。由于Ge氧化物极不稳定无法形成良好的MOS界面，因此无法和Si/SiO₂天然良好界面进行竞争。目前随着半导体工艺技术、材料技术、器件结构技术和高K技术的迅速发展以及寻求新型材料的迫切需求，Ge材料由于其高载流子迁移率(常温下，电子迁移率2倍于Si，空穴迁移率4倍于Si)再次引起学术界和产业界的极大兴趣，被认作延续摩尔定律和制备下一代集成电路的优良材料结构，具有良好的前景。

目前文献报道的Ge基pMOSFETs(Metal Oxide Semiconductor FieldElectron Transistors)相对于Si基pMOSTFTs在性能上有巨大的提升，虽然Ge基的nMOSFETs技术还不够成熟，因此Ge基CMOS技术还能够产生实质应用，成为主流技术。利用Ge基pMOSFETs和Si基nMOSFET集成技术能够很好的体现Ge的材料性能。采用绝缘体上Ge/Si混合型衬底材料，能够有效的抑制各种负面效应等，同时能够还能有效避免由于Ge禁带宽度小带来的大的漏电。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，以解决目前Si材料载流子迁移率不足以及Ge基nMos技术不成熟的问题，同时兼容成熟的SiCMOS技术，提高器件和电路的性能。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，包括：步骤1：在GeOI材料的Ge面涂上光刻胶，并进行光刻；步骤2：光刻之后进行坚膜，然后刻蚀掉部分Ge及对应的绝缘层；步骤3：去除光刻胶，然后外延生长一层Si膜；步骤4：去除Ge表面生长的Si膜；步骤5：后续处理，得到绝缘体上锗硅混合型衬底。

上述方案中，步骤1中所述GeOI材料，衬底采用晶向为{001}的Si衬底，中间绝缘层采用厚度为3nm-50nm的SiO₂，上层采用厚度为30nm-500nm的Ge层。所述在GeOI材料的Ge面涂的光刻胶为正胶，厚度为0.8μm-3μm。

上述方案中，步骤2中所述坚膜，温度为80℃-150℃，时间为30秒-5分钟。所述刻蚀采用的方法为ICP或RIE刻蚀。所述刻蚀采用的方法为ICP或RIE刻蚀时，刻蚀Ge氛围为BCl₃、C₂F₆+NF₃或SF₆+O₂，刻蚀SiO氛围为C₂H₄+CHF₃。

上述方案中，步骤3中所述去除光刻胶，采用丙酮超声浸泡的方法，时间为3分钟-10分钟。所述生长Si膜的厚度与Ge层表面齐平，该Si膜的厚度等于Ge层厚度加SiO₂厚度，范围为33nm-555nm。

上述方案中，步骤4中所述去除Ge表面的Si膜采用的方法为研磨抛光或干法刻蚀。

上述方案中，步骤5中所述后续处理包括温度处理和化学机械抛光处理。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，利于发挥出Ge基pMOS和{001}Si基nMOS各自载流子迁移率高，性能上的优势。

2、本发明提供绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，形成锗硅混合衬底，利于新型材料结构集成。

3、本发明提供绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，工艺简单，与传统CMOS硅工艺向兼容。

附图说明

图1为本发明绝缘体上锗硅混合衬底制备方法流程图；

图2为本发明绝缘体上锗硅混合衬底的结构示意图；

图3(a)至图3(f)为本发明绝缘体上锗硅混合衬底的工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明绝缘体上锗硅混合衬底制备方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1：在GeOI(Gemanium-on-Insulator)材料的Ge面涂上光刻胶，对进行光刻；

步骤2：光刻之后进行坚膜，然后刻蚀掉部分Ge及对应的绝缘层；

步骤3：去除光刻胶，然后外延生长一层Si膜；

步骤4：去除Ge表面生长的Si膜，

步骤5：后续处理，得到绝缘体上锗硅混合型衬底。

图2示出了依照本发明方法制备的绝缘体上锗硅混合衬底的结构示意图，其中包括半导体Ge层1，绝缘层SiO₂层2，以及半导体Si层3。

图3为本发明制作绝缘体上锗硅混合衬底的各步骤工艺流程图，该方法包括以下步骤：

步骤10：在图3(a)所示的GeOI结构上涂上光刻胶4，如图3(b)所示，并光刻出如图3(c)所示图形。在本步骤中，如图3(a)和图3(b)所示，采用的GeOI结构低层3为Si，中间绝缘层2为SiO₂，厚度一般为3nm-50nm，本实施例为30nm；上层1为Ge层，厚度为30nm-500nm，本实施例为200nm；光刻胶4为正胶，厚度为0.8μm-3μm，本实施例为2μm。

步骤20：对剩余光刻胶进行坚膜处理，然后将暴露的Ge层及下面的中间绝缘层刻蚀掉，如图3(d)所示。在本步骤中，采用加温的方法进行坚膜，温度一般为80℃-150℃，本实施例为100℃；时间为30秒-5分钟，本实施例为3分钟。在将暴露的Ge层及下面的中间绝缘层刻蚀掉时可以采用ICP-RIE刻蚀的方法在BCl₃或C₂F₆+NF₃或SF₆+O₂氛围刻中蚀掉Ge层，本实施例采用的是C₂F₆+NF₃；刻蚀时间为1分钟-10分钟，优选为5分钟；接着在CHF₃+C₂H₄气氛中刻蚀SiO₂，刻蚀时间约为10秒-1分钟，优选为30秒。

步骤30：去除光刻胶，外延一层Si，如图3(e)所示。去除光刻胶采用丙酮超声浸泡的方法，浸泡时间为3分钟-10分钟，优选为5分钟。用外延生长Si层厚度直至与未曾刻蚀掉的Ge层齐平，优选为230nm。

步骤40：去除Ge层上的Si层，如图3(f)所示。采用干法刻蚀、机械研磨的方法去除Si层，本实施例为化学机械抛光。

步骤50：继续化学机械抛光(CMP)及相关后续处理，如温度处理，得到绝缘体上锗硅混合型衬底。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1：在GeOI材料的Ge面涂上光刻胶，并进行光刻；

步骤2：光刻之后进行坚膜，然后刻蚀掉部分Ge及对应的绝缘层；

步骤3：去除光刻胶，然后外延生长一层Si膜；

步骤4：去除Ge表面生长的Si膜；

步骤5：后续处理，得到绝缘体上锗硅混合型衬底。

2.根据权利要求1所述的绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，其特征在于，步骤1中所述GeOI材料，衬底采用晶向为{001}的Si衬底，中间绝缘层采用厚度为3nm-50nm的SiO₂，上层采用厚度为30nm-500nm的Ge层。

3.根据权利要求1所述的绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，其特征在于，步骤1中所述在GeOI材料的Ge面涂的光刻胶为正胶，厚度为0.8μm-3μm。

4.根据权利要求1所述的绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，其特征在于，步骤2中所述坚膜，温度为80℃-150℃，时间为30秒-5分钟。

5.根据权利要求1所述的绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，其特征在于，步骤2中所述刻蚀采用的方法为ICP或RIE刻蚀。

6.根据权利要求5所述的绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，其特征在于，所述刻蚀采用的方法为ICP或RIE刻蚀时，刻蚀Ge氛围为BCl₃、C₂F₆+NF₃或SF₆+O₂，刻蚀SiO氛围为C₂H₄+CHF₃。

7.根据权利要求1所述的绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，其特征在于，步骤3中所述去除光刻胶，采用丙酮超声浸泡的方法，时间为3分钟-10分钟。

8.根据权利要求1所述的绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，其特征在于，步骤3中所述生长Si膜的厚度与Ge层表面齐平，该Si膜的厚度等于Ge层厚度加SiO₂厚度，范围为33nm-555nm。

9.根据权利要求1所述的绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，其特征在于，步骤4中所述去除Ge表面的Si膜采用的方法为研磨抛光或干法刻蚀。

10.根据权利要求1所述的绝缘体上锗硅混合型衬底的制备方法，其特征在于，步骤5中所述后续处理包括温度处理和化学机械抛光处理。

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