CN102820209A - 一种高k介质埋层的绝缘体上材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，通过在沉积态的高K介质材料上沉积金属材料并结合退火工艺，使高K介质材料的微观结构由沉积态转变为单晶，从而使高K介质材料有了更好的取向，并通过选择性腐蚀的方法彻底去除不需要的金属材料，沉积半导体材料，最终可得到高质量的绝缘体上材料。采用本发明方法所形成的绝缘体上材料,由于具有高质量的超薄高K介质材料作为埋层,可以更好的控制器件的短沟道效应，为下一代的CMOS器件提供候选的衬底材料。

Description

一种高K介质埋层的绝缘体上材料制备方法
技术领域
本发明涉及一种半导体衬底材料的制备方法，尤其涉及一种高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，属于微电子与固体电子学技术领域。
背景技术
随着器件特征尺寸缩短到纳米范围，短沟道效应给器件性能带来了重要影响。短沟道效应会造成器件阈值电压下降，从而使亚阈值电流呈指数倍增加。SOI(Silicon On Insulator)是指绝缘体上硅技术，采用该技术在两层硅材料之间插入绝缘埋层，可以把其上的硅膜层与体硅衬底层分隔开来，因此大面积的p-n结将被介电隔离(dielectric isolation)取代，可减小源漏的寄生电容，SOI电路的速度相对传统体硅电路的速度有显著的提高，同时SOI还具有短沟道效应小，很好的抗闭锁性，工艺简单等一系列优点，因此SOI技术已逐渐成为制造高速、低功耗、高集成度和高可靠超大规模硅集成电路的主流技术。
传统的SOI衬底材料通常由以下三层构成：薄的单晶硅顶层，在其上形成蚀刻电路；相当薄的埋层氧化层(BOX，buried oxide)，即二氧化硅(SiO2)绝缘埋层；非常厚的体硅衬底层，其主要作用是为上面的两层提供机械支撑。这种传统SOI衬底中的绝缘埋层采用SiO2材料，通过注入氧离子然后高温退火等工艺制作，或者通过注入氧离子结合剥离等工艺制作，制作方法较为简单。然而，当器件特征尺寸进一步缩小，以SiO2作为绝缘埋层的SOI材料将面临挑战。为了更好的控制器件的短沟道效应，本发明将提出一种制备以超薄高K介质为绝缘埋层的绝缘体上材料的方法，为下一代的CMOS器件提供候选的衬底材料。其中，高K介质材料通常是指介电常数在20-50的介质材料，包括HfO2，LaLuO3等氧化物，铁电材料，氮化物材料等。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、提供一层衬底，在所述衬底上沉积一层高K介质材料；
步骤二、在所述高K介质材料上沉积一层金属材料；
步骤三、进行退火工艺，使所述高K介质材料的微观结构由沉积态转变为单晶形态；
步骤四、采用选择性腐蚀方法去除所述金属材料；
步骤五、在去除所述金属材料的高K介质材料表面沉积半导体材料，从而形成以高K介质材料为埋层的绝缘体上材料。
作为本发明的优选方案，步骤一所述衬底为玻璃片、单晶Si片等。
作为本发明的优选方案，步骤一采用电子束蒸发、分子束沉积或者原子层沉积的方法在所述衬底上沉积高K介质材料。
作为本发明的优选方案，步骤一所述高K介质材料为HfO2，LaLuO3等。
作为本发明的优选方案，步骤一所述高K介质材料的厚度为5-30nm。
作为本发明的优选方案，步骤二所述的金属材料为Al，Ni，Ag，Au，Pt等。
作为本发明的优选方案，步骤二所述的金属材料的厚度为1-20nm。
作为本发明的优选方案，步骤三退火工艺的退火温度为300-800℃，时间为30秒-2小时。
作为本发明的优选方案，步骤五所述半导体材料为Si、Ge等。
作为本发明的优选方案，步骤五所述半导体材料的厚度为5-30nm。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种制备超薄高K介质埋层的绝缘体上材料的方法，通过在沉积态的高K介质材料上沉积金属材料并结合退火工艺，使高K介质材料的微观结构由沉积态的多晶或非晶转变为单晶，从而使高K介质材料有了更好的取向，并通过选择性腐蚀的方法彻底去除不需要的金属材料，沉积半导体材料，最终可得到高质量的绝缘体上材料。采用本发明方法所形成的绝缘体上材料，由于具有高质量的超薄高K介质材料作为埋层，可以更好的控制器件的短沟道效应，为下一代的CMOS器件提供候选的衬底材料。
附图说明
图1-5为本发明方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。
实施例一
请参见图1-5，本实施例提供一种高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、如图1所示，提供一层衬底11，在所述衬底11上沉积一层高K介质材料12。其中，所述衬底11可以采用玻璃片、单晶Si片等，所述高K介质材料12可以选用HfO2，LaLuO3等材料，沉积高K介质材料12的方法优选为电子束蒸发、分子束沉积或者原子层沉积等方法，生长厚度为5-30nm。本实施例采用的高K介质材料12为HfO2，厚度为5nm。
步骤二、如图2所示，在所述高K介质材料12上沉积一层金属材料22。其中，所述的金属材料22优选为Al，Ni，Ag，Au，Pt等，厚度优选为1-20nm。本实施例采用的金属材料22为Al，厚度为1nm。
步骤三、如图3所示，进行退火工艺，使所述高K介质材料12的微观结构由沉积态转变为单晶形态。其中，沉积态的高K介质材料12通常为多晶或者非晶，而利用金属可导致非晶以及多晶材料变成单晶的原理(metal induced lateral crystal)，可以使沉积的多晶或者非晶高K介质材料变成单晶的材料，从而有很好的取向。该退火工艺的退火温度优选为300-800℃，时间优选为30秒-2小时。此时，可以根据根据金属材料22的不同，选择不同的温度，如本实施例采用Al，可选择400℃，使温度不超过其熔点，退火时间为30秒。
步骤四、如图4所示，采用选择性腐蚀方法，如化学腐蚀方法，去除所述金属材料22。针对不同的金属材料22可以采用不同的腐蚀试剂及工艺参数，此为本领域技术人员习知的，故不再赘述。
步骤五、如图5所示，在去除所述金属材料22的高K介质材料12表面沉积半导体材料33，从而形成以高K介质材料12为埋层的绝缘体上材料。其中，所述半导体材料33优选为Si、Ge等，其厚度可为5-30nm。
实施例二
采用与实施例一相类似的工艺步骤，不同之处在于：
步骤一中采用的高K介质材料为LaLuO3，厚度为20nm；步骤二中采用的金属材料为Ni，厚度为10nm；步骤三中可根据选取的金属材料为Ni选取退火温度为300℃，时间为2小时。
实施例三
采用与实施例一相类似的工艺步骤，不同之处在于：
步骤一中采用的高K介质材料为HfO2，厚度为10nm；步骤二中采用的金属材料为Ag，厚度为20nm；步骤三中可根据选取的金属材料为Ag选取退火温度为800℃，时间为60分钟。
实施例四
采用与实施例一相类似的工艺步骤，不同之处在于：
步骤一中采用的高K介质材料为LaLuO3，厚度为30nm；步骤二中采用的金属材料为Au，厚度为10nm；步骤三中可根据选取的金属材料为Ni选取退火温度为600℃，时间为1.5小时。
实施例五
采用与实施例一相类似的工艺步骤，不同之处在于：
步骤一中采用的高K介质材料为LaLuO3，厚度为30nm；步骤二中采用的金属材料为Pt，厚度为5nm；步骤三中可根据选取的金属材料为Ag选取退火温度为500℃，时间为2小时。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、提供一层衬底，在所述衬底上沉积一层高K介质材料；
步骤二、在所述高K介质材料上沉积一层金属材料；
步骤三、进行退火工艺，使所述高K介质材料的微观结构由沉积态转变为单晶形态；
步骤四、采用选择性腐蚀方法去除所述金属材料；
步骤五、在去除所述金属材料的高K介质材料表面沉积半导体材料，从而形成以高K介质材料为埋层的绝缘体上材料。
2.根据权利要求1所述的高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，其特征在于：步骤一所述衬底为玻璃片、单晶Si片。
3.根据权利要求1所述的高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，其特征在于：步骤一采用电子束蒸发、分子束沉积或者原子层沉积的方法在所述衬底上沉积高K介质材料。
4.根据权利要求1所述的高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，其特征在于：步骤一所述高K介质材料为HfO2，LaLuO3。
5.根据权利要求1所述的高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，其特征在于：步骤一所述高K介质材料的厚度为5-30nm。
6.根据权利要求1所述的高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，其特征在于：步骤二所述的金属材料为Al，Ni，Ag，Au，Pt。
7.根据权利要求1所述的高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，其特征在于：步骤二所述的金属材料的厚度为1-20nm。
8.根据权利要求1所述的高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，其特征在于：步骤三退火工艺的退火温度为300-800℃，时间为30秒-2小时。
9.根据权利要求1所述的高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，其特征在于：步骤五所述半导体材料为Si、Ge。
10.根据权利要求1所述的高K介质埋层的绝缘体上材料的制备方法，其特征在于：步骤五所述半导体材料的厚度为5-30nm。
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