CN103065931A

CN103065931A - 一种制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法

Info

Publication number: CN103065931A
Application number: CN2011103245878A
Authority: CN
Inventors: 张苗; 刘林杰; 卞建涛; 陈达; 姜海涛; 薛忠营; 狄增峰
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2031-10-24
Also published as: CN103065931B

Abstract

本发明提供一种制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，首先在Si衬底上依次外延生长中间薄层、Si外延层、及顶Si_1-xGe_x层，其中Ge组分x为0﹤x≤0.5，并使Si_1-xGe_x层的厚度不超过其生长在Si外延层上的临界厚度；然后对样品进行氦离子注入及氢离子，并使离子的峰值分布在中间薄层，经退火后使顶Si_1-xGe_x层弛豫；最后将样品与支撑衬底键合，并依次进行预键合、剥离、以及加强键合作业，最后经选择性腐蚀去除残余的中间薄层及Si外延层，实现材料的层转移，本发明由于两次注入的离子都分布在薄层处，形成氢氦共注，有效降低剥离所需注入剂量，进而达到了提高生产效率和降低生产成本的目的。

Description

一种制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法

技术领域

本发明涉及本专利涉及的弛豫SiGe及应变Si的应用领域，特别是涉及一种制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法。

背景技术

近年来，随着半导体器件尺寸的缩小，传统的体硅材料正接近其物理极限，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，应变SiGe和应变Si以其相对于体Si的诸多优点，成为遵循摩尔定律发展的新材料技术。由于SiGe与衬底之间存在较大的晶格失配，所以异质外延得到的薄膜往往具有很高的位错密度，这些位错极大地限制了器件的性能和可靠性。为了更好的降低和控制穿透位错密度，对硅基应变与弛豫材料缺陷机理及表征方法的研究显得尤为重要。

在现有的技术中，制备低缺陷密度的高质量弛豫锗硅主要是采用锗浓度梯度递增生长方法，但是，通常需要几个微米的生长厚度，如此一来，不但增加了生产的成本，而且会由于锗硅的较差的热导性影响器件性能；另外，离子注入和键合也是一种有效的层转移方法，但是，由于需要较高的注入剂量，同样增加了生产时间和成本。

因而，如何提供一种低成本的制备高质量弛豫材料以实现应力释放和层转移的方法，实已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。

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制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，用于解决现有技术中制备的半导体弛豫、应变材料实现应力释放和层转移作业中低效率高成本的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：1)提供一Si衬底，在所述Si衬底上依次外延生长中间薄层、Si外延层、以及顶Si_1-xGe_x层，其中Ge组分x为0＜x≤0.5，并使所述顶Si_1-xGe_x层的厚度不超过其生长在所述Si外延层上的临界厚度，以制备出样品；2)对所述样品进行氦离子注入，并使氦离子的峰值分布在所述中间薄层，然后进行退火，使所述顶Si_1-xGe_x层弛豫，所述氦离子在中间薄层处的均匀分布以降低所述顶Si_1-xGe_x层的缺陷密度，并增加所述顶Si_1-xGe_x层弛豫度；3)对所述样品进行氢离子注入，并使氢离子的峰值分布在所述中间薄层，藉由所述中间薄层对注入的氢离子有效吸附以使剥离发生在所述中间薄层；4)提供一支撑衬底，将所述样品与所述支撑衬底键合，并依次进行预键合、剥离、以及加强键合作业，最后经选择性腐蚀去除残余的中间薄层及Si外延层，实现材料的层转移。

在本发明制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法中，于所述步骤1)中还包括在所述顶Si_1-xGe_x层上外延生长Si帽层的步骤，以及于所述步骤4)中还包括经选择性腐蚀去除残余的中间薄层、顶Si_1-xGe_x层及Si外延层的步骤。

在本发明方法步骤1)中，系通过化学气相沉淀工艺在所述Si衬底上分别外延生长中间薄层、Si外延层、以及顶Si_1-xGe_x层。所述中间薄层为SiGe、Ge、或SiC材料，其厚度小于20nm。所述Si外延层的厚度为0～300nm。

在本发明方法步骤2)中，注入氦离子的剂量为1E14～3E16cm^-2。

在本发明方法步骤3)中，注入氢离子的剂量为1E15～8E16cm^-2。

在本发明方法步骤4)中，所述预键合及加强键合均为退火加固工艺，所述剥离作业是将所述应变弛豫材料的顶Si_1-xGe_x层自离子注入峰值分布的所述中间薄层中剥离。

如上所述，本发明的制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，利用薄层吸附和离子注入的方法制备低缺陷密度的弛豫锗硅和应变硅，并实现了低注入剂量下的层转移，本发明的方法在两次注入时薄层对注入离子有效吸附，使离子分布均匀，从而使得到的弛豫锗硅或应变硅中缺陷较少，由于第一次注入和第二次注入都分布在薄层处，形成共注入，有效降低剥离所需注入剂量，进而达到了提高生产效率和降低生产成本的目的。

附图说明

图1至图5显示为本发明制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法中各步骤示意图。

元件标号说明

11Si衬底

12中间薄层

13Si外延层

14顶Si_1-xGe_x层

15支撑衬底

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5。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。

如图所示，本发明提供一种制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，在本实施方式中，所述的半导体弛豫、应变材料暂以例如为弛豫锗硅为例进行说明。所述方法至少包括以下步骤：

步骤一，请参阅图1，如图所示，提供一Si衬底11，在所述Si衬底11上依次外延生长中间薄层12、Si外延层13、以及顶Si_1-xGe_x层14，其中Ge组分x为0＜x≤0.5，并使所述Si_1-xGe_x层14的厚度不超过其生长在所述Si外延层13上的临界厚度，以制备出样品。于本实施例中，系通过化学气相沉淀工艺在所述Si衬底11上分别外延生长中间薄层12、Si外延层13、以及顶Si_1-xGe_x层14。所述中间薄层12为SiGe、Ge、或SiC材料，其厚度小于20nm，所述Si外延层13的厚度为0～300nm。

需要说明的是，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。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。所以，由于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。对于上述实施例中所述Si外延层13上生长所述Si_1-xGe_x层14来说，Ge组分x的取值越大，所述Si_1-xGe_x的临界厚度值也越小，具体值也可以参照J.W.Mattews等的理论模型得到，换言之，临界厚度的概念应为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述。

步骤二，请参阅图2，如图所示，对所述样品进行氦离子注入(图示中箭头所示方向)，注入氦离子的剂量为1E14～3E16cm^-2，并使氦离子的峰值分布在所述中间薄层12，，然后进行退火，使所述顶Si_1-xGe_x层14弛豫，所述氦离子在中间薄层12处的均匀分布以降低所述顶Si_1-xGe_x层14的缺陷密度，并增加所述顶Si_1-xGe_x层14弛豫度，由于所述氦离子的注入，所述中间薄层12对注入的氦离子有效吸附，使氦离子分布均匀，从而使得到的弛豫锗硅中的缺陷较少，弛豫度较大。

步骤三，请参阅图3，如图所示，对所述样品进行氢离子注入(图示中箭头所示方向)，注入氢离子的剂量为1E15～8E16cm^-2，并使氢离子的峰值分布在所述中间薄层12，藉由所述中间薄层12对注入的氢离子有效吸附以使剥离发生在所述中间薄层，由于所述中间薄层12能够有效吸附注入的氢离子，从而使氢离子在中间薄层12处密度有效增加，从而降低剥离所需注入剂量。上述的氦离子和氢离子二次注入都分布在中间薄层12处，形成氢氦共注，有效地降低了氢离子注入剂量。

步骤四，请参阅图4及图5，如图所示，提供一支撑衬底15，将所述样品与所述支撑衬底15键合，并依次进行预键合、剥离、以及加强键合作业，最后经选择性腐蚀去除残余的中间薄层12及Si外延层13，实现材料的层转移，在本实施例中，所述预键合及加强键合均为退火加固工艺。所述剥离作业是将所述应变弛豫材料的顶Si_1-xGe_x层自离子注入界面起剥离，即将所述应变弛豫材料的顶Si_1-xGe_x层自离子注入峰值分布的所述中间薄层中剥离。

在另一实施方式中，所述的半导体弛豫、应变材料为应变硅时，于所述步骤一中还包括在所述顶Si_1-xGe_x层14上外延生长Si帽层(未图示)的步骤；以及于所述步骤四中还包括经选择性腐蚀去除残余的中间薄层、顶Si_1-xGe_x层及Si外延层的步骤。

综上所述，本发明的制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，利用薄层吸附和离子注入的方法制备低缺陷密度的弛豫锗硅和应变硅，并实现了低注入剂量下的层转移，本发明的方法在两次注入时薄层对注入离子有效吸附，使离子分布均匀，从而使得到的弛豫锗硅或应变硅中缺陷较少，由于第一次注入和第二次注入都分布在薄层处，形成氢氦共注，有效降低剥离所需注入剂量，进而达到了提高生产效率和降低生产成本的目的。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

1.一种制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：

1)提供一Si衬底，在所述Si衬底上依次外延生长中间薄层、Si外延层、以及顶Si_1-xGe_x层，其中Ge组分x为0＜x≤0.5，并使所述顶Si_1-xGe_x层的厚度不超过其生长在所述Si外延层上的临界厚度，以制备出样品；

2)对所述样品进行氦离子注入，并使氦离子的峰值分布在所述中间薄层，然后进行退火，使所述顶Si_1-xGe_x层弛豫，所述氦离子在中间薄层处的均匀分布以降低所述顶Si_1-xGe_x层的缺陷密度，并增加所述顶Si_1-xGe_x层弛豫度；

3)对所述样品进行氢离子注入，并使氢离子的峰值分布在所述中间薄层，藉由所述中间薄层对注入的氢离子有效吸附以使剥离发生在所述中间薄层；

4)提供一支撑衬底，将所述样品与所述支撑衬底键合，并依次进行预键合、剥离、以及加强键合作业，最后经选择性腐蚀去除残余的中间薄层及Si外延层，实现材料的层转移。

2.根据权利要求1所述的制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，其特征在于：于所述步骤1)中还包括在所述顶Si_1-xGe_x层上外延生长Si帽层的步骤，以及于所述步骤4)中还包括经选择性腐蚀去除残余的中间薄层、顶Si_1-xGe_x层及Si外延层的步骤。

3.根据权利要求1所述的制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，其特征在于：于所述步骤1)中，系通过化学气相沉淀工艺在所述Si衬底上分别外延生长中间薄层、Si外延层、以及顶Si_1-xGe_x层。

4.根据权利要求1所述的制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，其特征在于：于所述步骤1)中，所述中间薄层为SiGe、Ge、或SiC材料，其厚度小于20nm。

5.根据权利要求1所述的制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，其特征在于：于所述步骤1)中，所述Si外延层的厚度为0～300nm。

6.根据权利要求1所述的制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，其特征在于：于所述步骤2)中，注入氦离子的剂量为1E14～3E16cm^-2。

7.根据权利要求1所述的制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，其特征在于：于所述步骤3)中，注入氢离子的剂量为1E15～8E16cm^-2。

8.根据权利要求1所述的制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，其特征在于：于所述步骤4)中，所述预键合及加强键合均为退火加固工艺。

9.根据权利要求1所述的制备半导体弛豫、应变材料并使其层转移的方法，其特征在于：于所述步骤4)中，所述剥离作业是将所述应变弛豫材料的顶Si_1-xGe_x层自离子注入峰值分布的所述中间薄层中剥离。