CN102610553A

CN102610553A - 一种绝缘体上锗衬底的制备方法

Info

Publication number: CN102610553A
Application number: CN2012100744489A
Authority: CN
Inventors: 黄如; 林猛; 安霞; 张兴
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明公开了一种绝缘体上锗衬底的制备方法，属于半导体器件领域。该方法在制备GeOI衬底的过程中实现了上层锗膜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。本发明有效降低理氧层(BOX)的介电常数，有利于抑制基于绝缘体上锗(GeOI)衬底制备的MOSFET的短沟道效应。

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领域，具体涉及一种绝缘体上锗衬底的制备方法。

背景技术

随着传统体硅MOS器件特征尺寸缩小到纳米尺度，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和工艺极限的双重考验。为了继续提高器件的工作速度，需要寻找新的材料和采用新的器件结构。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的候选材料之一。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。同样，随着器件几何尺寸的缩小，短沟道效应引起的器件性能退化也越来越严重，一种有效抑制短沟道效应的方法是采用SOI结构。所以结合锗材料高载流子迁移率与SOI结构有效抑制短沟道效应优势的绝缘体上锗(GeOI)衬底被认为是实现下一代高速小尺寸MOSFET的候选结构之一。

目前制备绝缘体上锗(GeOI)衬底的方法主要有两种：智能剥离(Smart CutTM)和锗富集(Ge condensation)的方法。但是这两种制备绝缘体上锗(GeOI)衬底的工艺技术都不成熟，制备出的绝缘体上锗(GeOI)衬底存在一个共同的缺点，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，严重影响基于绝缘体上锗(GeOI)衬底制备的MOS器件性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种绝缘体上锗(GeOI)衬底制备方法，该制备绝缘体上锗(GeOI)衬底方法可降低背界面态密度，有效地改善了背界面质量。

本发明提供的绝缘体上锗(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)在锗衬底上淀积一层SiO₂，在硅衬底上生长一层SiO₂；

4)对锗衬底上的SiO₂做含氟碳氢化合物气体的等离子体处理；

5)在等离子体处理过的SiO₂上淀积一层Si_xN_y；

6)退火；

7)在Si_xN_y上淀积一层用于键合SiO₂；

8)对Si_xN_y上和硅衬底上的SiO₂层做表面活化处理，随后将二者对准键合；

9)键合后退火；

10)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，目的是去除锗衬底上的有机和无机污染物、金属颗粒等污染物，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)中去除锗衬底表面自然氧化层可以采用HF、HCl或HBr溶液浸泡的方法，亦可采用高温真空退火或高温氢气退火的方法，但并不局限于上述去除锗衬底表面自然氧化层的方法；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)中淀积SiO₂的方法有PVD、PLD、LPCVD、APCVD、PECVD和ALD等，但不局限于上述淀积SiO₂的方法；生长SiO₂的方法有热氧化、PVD、PLD、LPCVD、APCVD、PECVD和ALD等，但不局限于上述生长SiO₂的方法；

所述步骤4)中含氟碳氢化合物气体可以是CHF₃、CH₂F₂和CH₃F等；等离子体处理的方法有RIE、ICP、PECVD、PEALD和ECR等，但不局限于上述等离子体处理的方法；

所述步骤5)中Si_xN_y可以通过溅射、LPCVD、APCVD、PECVD和ALD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用于阻挡热工艺过程中锗衬底上SiO₂中氟的外扩散；

所述步骤6)中的退火可以在Ar、N₂等气氛中进行，退火使SiO₂中的部分氟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；留在SiO₂中的氟使部分SiO₂转变成SiOF(介电常数比SiO₂小)，能够降低埋氧层的介电常数；在SiO₂表面(位于SiO₂与Si_xN_y间)及表面附近的的CF聚合物，由于其介电常数亦比SiO₂小，相当于在埋氧层中插入一层介电常数比SiO₂小的介质，能降低整体埋氧层综合的介电常数。

所述步骤7)中淀积SiO₂的方法有PVD、PLD、LPCVD、APCVD、PECVD和ALD等，但不局限于上述淀积SiO₂的方法；

所述步骤8)中表面活化处理可以是亲水处理，也可以是N₂或H₂的等离子体活化处理，但不局限于上述表面活化处理的方法；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9)中的退火可以在N₂、H₂、Ar、NH₃等气氛中进行，但不局限于上述退火气氛，退火的目的是增强两层SiO₂的键合强度；

所述步骤10)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衬底的过程中实现了上层锗膜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。在等离子体处理后的与锗膜接触的埋氧层(SiO₂)中的部分氟会在随后的退火工艺中扩散到锗膜与埋氧层的界面处，实现对背界面悬挂键的钝化。另外留在埋氧层中的CF聚合物与氟能降低埋氧层的介电常数，有利于抑制基于绝缘体上锗(GeOI)衬底制备的MOSFET的短沟道效应。

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-锗衬底上淀积的SiO₂层；4-硅衬底上生长的SiO₂层；5-等离子体处理过的锗衬底上SiO₂层；6-等离子体处理过的SiO₂上的Si_xN_y层；7-Si_xN_y上的SiO₂层；8-键合后的SiO₂层；9-减薄后的锗衬底。

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，以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或HBr溶液浸泡的方法，亦可采用高温真空退火或高温氢气退火的方法。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、在锗衬底上淀积一层SiO₂，淀积SiO₂的方法有PVD、PLD、LPCVD、APCVD、PECVD和ALD等，本实施优选例为ALD。在90～400℃下，用ALD的方法在锗衬底上淀积一层5～30nm的SiO₂，本实施优选例为15nm；在清洗过的硅衬底上生长一层SiO₂。生长SiO₂的方法有热氧化、PVD、PLD、LPCVD、APCVD、PECVD和ALD等，本实施优选例为热氧化的方法。热氧化生长30nm～500nm的SiO₂，本实施优选例为100nm，如图2(b)所示；

步骤4、对锗衬底上的SiO₂做含氟碳氢化合物气体的等离子体处理。含氟碳氢化合物气体可以是CHF₃、CH₂F₂和CH₃F等；等离子体处理的方法有RIE、ICP、PECVD、PEALD和ECR等。本实施优选为用CHF₃对锗衬底上的SiO₂进行ICP等离子体处理。ICP等离子体处理的功率(P)，CHF₃的流量(Flow)与反应室气压(Pre)依次为20～200W，30～200sccm，30～300mTorr。本实施优选例为：P＝100W，Flow＝100sccm，Pre＝100mTorr，如图2(c)所示；

步骤5、在等离子处理过的SiO₂上淀积一层Si_xN_y，Si_xN_y可以通过溅射、LPCVD、APCVD、PECVD和ALD等方法淀积，本实施优选例为ALD。在90～400℃下，用ALD的方法在SiO₂上淀积5～50nm的Si_xN_y，本实施优选例为15nm，如图2(d)所示；

步骤6、退火。退火可以在Ar、N₂等气氛中进行，退火温度(T)与时间(t)分别为300～700℃，30s～5min，本实施优选例为：N₂气氛，T＝500℃，t＝3min；

步骤7、在Si_xN_y上淀积一层SiO₂。淀积SiO₂的方法有PVD、PLD、LPCVD、APCVD、PECVD和ALD等；本实施优选例为：用ALD的方法在Si_xN_y上淀积SiO₂。在90～400℃下，用ALD的方法在Si_xN_y上淀积一层5～150nm的SiO₂，本实施优选例为20nm，如图2(e)所示；

步骤8、室温下，对Si_xN_y上和硅衬底上的SiO₂做表面活化处理，表面活化处理的方法有亲水处理，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N₂的等离子体处理10～30s；将硅衬底上的SiO₂和锗衬底上的SiO₂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(f)所示；

步骤9、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；

步骤10、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5nm～200nm，本实施优选例为80nm，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，例如可以用CH₂F₂代替CHF₃对锗衬底上的SiO₂做等离子体处理，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

1.一种绝缘体上锗衬底的制备方法，其工艺实现方法如下：

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)在锗衬底上淀积一层SiO₂，在硅衬底上生长一层SiO₂；

5)在等离子体处理过的SiO₂上淀积一层Si_xN_y；

6)退火；

7)在Si_xN_y上淀积一层SiO₂；

8)分别对Si_xN_y上的SiO₂和硅衬底上的SiO₂做表面活化处理，随后将二者对准键合；

9)键合后退火；

10)减薄。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中对锗衬底的清洗步骤为有机清洗或盐酸清洗；对硅衬底的清洗步骤为1号标准清洗液清洗或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)中去除锗衬底表面自然氧化层采用HF、HCl或HBr溶液浸泡的方法，或采用高温真空退火或高温氢气退火的方法；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)中在锗衬底上淀积一层5～30nm的SiO₂，淀积方法有PVD、PLD、LPCVD、APCVD、PECVD或ALD。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中在硅衬底上生长30nm～500nm的SiO₂，生长方法有热氧化、PVD、PLD、LPCVD、APCVD、PECVD或ALD。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中，含氟碳氢化合物气体是CHF₃、CH₂F₂或CH₃F；等离子体处理的方法有RIE、ICP、PECVD、PEALD或ECR。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中淀积5～50nm的Si_xN_y，淀积通过溅射、LPCVD、APCVD、PECVD或ALD方法实现。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6)中退火在Ar、N₂气氛中进行，退火温度为300～700℃，退火时间为30s～5min。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤7)中在Si_xN_y上淀积一层5～150nm的SiO₂。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤10)中减薄是通过化学机械抛光的方法，或者通过先进行智能剥离，再对进行化学机械抛光的方法，减薄后的锗的厚度范围为5nm～200nm。