CN103187248B

CN103187248B - 一种混合晶向绝缘体上锗晶片及器件的制备方法

Info

Publication number: CN103187248B
Application number: CN201110449534.9A
Authority: CN
Inventors: 姜海涛; 张苗; 狄增峰; 卞建涛; 王曦
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: CN103187248A

Abstract

本发明提供一种混合晶向绝缘体上锗晶片及器件的制备方法，通过在绝缘层上形成生长窗口在具有第一晶向的衬底上形成具有第二晶向的全局GOI，然后在具有第二晶向的衬底上形成具有第二晶向的Ge层，以制备出混合晶向绝缘体上锗晶片。在具有（100）晶向的Ge层制备NMOS器件，在具有（110）晶向的Ge层制备PMOS器件，在保证NMOS载流子迁移率的同时，大大地提高了PMOS载流子的迁移率，从而提高器件的整体驱动电流，降低了寄生电容，有利于电路集成度的提高。本发明工艺步骤简单，适用于半导体工业生产。

Description

一种混合晶向绝缘体上锗晶片及器件的制备方法

技术领域

本发明属于半导体领域，特别是涉及一种混合晶向绝缘体上锗晶片及器件的制备方法。

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。众所周知锗(Ge)的电子和空穴载流子迁移率都比硅(Si)的要高，与Si材料相比，绝缘体上锗(Germanium-on-InsulatorGOI)材料不仅具有更高的载流子迁移率，能够降低短沟道效应和提高驱动电流，而且具有SOI高速低功耗的优势，是突破体硅材料与硅集成电路限制的新兴材料。另外，GOI材料在III-V基光探测器、III-V基多结太阳能电池方面都有潜在应用。

目前的半导体技术中，CMOS电路主要是制作在具有(100)晶面的衬底上，这是因为在(100)晶面上具有小的氧化物-界面电荷密度以及最高的电子迁移率。但是，空穴的迁移率在(100)晶面上仅仅约为相应电子迁移率的一半以下，这就使得在(100)晶片上制备PMOS器件的驱动电流大大的低于NMOS器件。若需要同等的驱动电流，则需增大PMOS的体积，使得器件的寄生电容提高，同时阻碍了电路集成度的提高。而空穴在(110)晶面上的迁移率比在(100)晶面上得迁移率大大的提高，可以预料，提供一种同时具有(100)晶面及(11)晶面的衬底可以提高器件的性能。而且，如上所述，Ge衬底较传统的Si衬底具有更大的优越性，提供一种混合晶向的GOI晶片实属必要。

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混合晶向绝缘体上锗晶片及器件的制备方法，以提供一种适应于集成NMOS器件及PMOS器件，且具有高载流子迁移率的混合晶向绝缘体上锗晶片。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法，其特征在于：所述制备方法至少包括以下步骤：1)提供具有第一晶向的第一衬底及结合于所述第一衬底上具有第二晶向的第二衬底，在所述第二衬底表面形成第一绝缘层；2)刻蚀所述第一绝缘层至所述第二衬底以形成多个间隔排列的第一生长窗口，在所述第一绝缘层表面及第一生长窗口中形成具有第二晶向的第一Ge层；3)在所述第一Ge层上形成第二绝缘层，进行刻蚀作业以在第一生长窗口之间形成第二生长窗口，并使所述第二生长窗口贯穿至所述第一衬底，然后在所述第二生长窗口侧壁形成第一隔离层，接着在所述第二绝缘层表面及第二生长窗口中形成具有第一晶向的第二Ge层；4)去除第二生长窗口之间欲制备器件区域的第二Ge层及第二绝缘层以形成第三生长窗口，并使所述第三生长窗口贯穿至所述第一Ge层，然后在所述第三生长窗口侧壁形成第二隔离层，最后在各该第三生长窗口中外延Ge以使所述第一Ge层继续生长直至其与所述第二Ge层处于同一平面，以完成所述混合晶向绝缘体上锗晶片的制备。

在本发明的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法所述步骤2)中，形成所述第一Ge层包括外延生长Ge层以及对所述Ge层表面进行抛光的步骤；所述步骤3)中，形成所述第二Ge层包括外延生长Ge层以及对所述Ge层表面进行抛光的步骤。

在本发明的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法中，所述第一生长窗口的宽度为10nm～10000nm，所述第二生长窗口的宽度为10nm～10000nm。

在本发明的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法中，所述第一Ge层超出所述第一绝缘层的厚度为10nm～500nm，所述第二Ge层超出所述第二绝缘层的厚度为10nm～500nm。

在本发明的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法中，所述第一绝缘层为SiO2层，其厚度为20nm～500nm，所述第二绝缘层为SiO2层，其厚度为10nm～500nm。

在本发明的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法中，所述步骤4)中外延Ge后还包括对所述第一Ge层与第二Ge层进行抛光的步骤。

作为一种可选方案，所述第一晶向为(100)晶向，第二晶向为(110)晶向。

作为一种可选方案，所述第一晶向为(110)晶向，第二晶向为(100)晶向。

本发明还提供一种在混合晶向绝缘体上锗晶片制备器件的方法，所述方法至少包括：在具有第二晶向的第一Ge层上制备PMOS管，在具有第一晶向的第二Ge层上制备NMOS管，或者在具有第二晶向的第一Ge层上制备NMOS管，在具有第一晶向的第二Ge层上制备PMOS管。

作为一种可选方案，在具有(110)晶向的第一Ge层上制备PMOS管，在具有(100)晶向的第Ge层上制备NMOS管，或者在具有(100)晶向的第一Ge层上制备NMOS管，在具有(110)晶向的第Ge层上制备PMOS管。

如上所述，本发明的混合晶向绝缘体上锗晶片及器件的制备方法，具有以下有益效果：通过在绝缘层上形成生长窗口在具有第一晶向的衬底上形成具有第二晶向的全局GOI，然后在具有第二晶向的衬底上形成具有第二晶向的Ge层，以制备出混合晶向绝缘体上锗晶片。在具有(100)晶向的Ge层制备NMOS器件，在具有(110)晶向的Ge层制备PMOS器件，在保证NMOS载流子迁移率的同时，大大地提高了PMOS载流子的迁移率，从而提高器件的整体驱动电流，降低了寄生电容，有利于电路集成度的提高。本发明工艺步骤简单，适用于半导体工业生产。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。

附图说明

图1～图2显示为本发明的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法步骤1)所呈现的结构示意图。

图3显示为本发明的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法步骤2)所呈现的结构示意图。

图4～图6显示为本发明的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法步骤3)所呈现的结构示意图。

图7～图8显示为本发明的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法步骤4)所呈现的结构示意图。

图9～图10显示为采用本发明的混合晶向绝缘体上锗晶片制备器件的方法步骤中所呈现的结构示意图。

元件标号说明

101第一衬底

102第二衬底

103第一绝缘层

104第一生长窗口

105第一Ge层

106第二绝缘层

107第二生长窗口

108第一隔离层

109第Ge层

110第三生长窗口

111第二隔离层

201第三绝缘层

202、204、205及207MOS管源、漏极

203及206电极

208侧墙结构

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10。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。

实施例1

请参阅图1～图8，如图所示，本发明提供一种混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：

请参阅图1～图2，如图所示，首先进行步骤1)，提供具有第一晶向的第一衬底101及结合于所述第一衬底101上具有第二晶向的第二衬底102，在所述第二衬底102表面形成第一绝缘层。

在本实施例中，提供具有(100)晶向的第一衬底101，及结合于所述第一衬底101上具有(110)晶向的第二衬底102，当然，在其它实施例中，可以采用不同的晶向以达到所需的技术效果，此处所述的晶向并不限定本发明的其它应用范围。所述第一衬底101与第二衬底102为Si衬底或Ge衬底，然后在所述第二衬底102表面形成第一绝缘层，所述第一绝缘层103为SiO₂层，若所述第二衬底102为Ge衬底，所述第一绝缘层103采用化学气相沉积法进行制备，若所述第二衬底102为Si衬底，所述第一绝缘层103可采用氧化方法或化学气相沉积法制备，其中，所述第一绝缘层103的厚度为20nm～500nm。

请参阅图3，如图所示，然后进行步骤2)，刻蚀所述第一绝缘层103至所述第二衬底102以形成多个间隔排列的第一生长窗口104，在所述第一绝缘层103表面及第一生长窗口104中形成具有第二晶向(110)的第一Ge层105。

在具体的实施过程中，先采用光刻胶制备光刻图形，然后对所述第一绝缘层103进行刻蚀。所述第一生长窗口104贯穿至所述第二衬底102，其宽度为10nm～10000nm，然后采用化学气相沉积法外延Ge以在所述第一绝缘层103表面及第一生长窗口104中形成具有第二晶向(110)的Ge层，最后对其表面进行抛光以制备出第一Ge层105，当然，也可以采用分子束外延等方法进行制作，其中，所述第一Ge层105超出所述第一绝缘层103的厚度为10nm～500nm。

请参阅图4～图6，如图所示，接着进行步骤3)，在所述第一Ge层105上形成第二绝缘层106，进行刻蚀作业以在第一生长窗口104之间形成第二生长窗口107，并使所述第二生长窗口107贯穿至所述第一衬底101，然后在所述第二生长窗口107侧壁形成第一隔离层108，接着在所述第二绝缘层106表面及第二生长窗口107中形成具有第一晶向的第二Ge层109。

具体地，采用化学气相沉积法制作所述第二绝缘层106，本实施例所采用的第二绝缘层106为SiO2层，其厚度为10nm～500nm，然后采用光刻胶制备光刻图形，刻蚀所述第一生长窗口104之间的第二绝缘层106、第一Ge层105、第一绝缘层103、以及第二衬底102直至贯穿至所述第一衬底101以形成第二生长窗口107，其宽度为10nm～10000nm。所述第一隔离层108可为SiO₂层或Si₃N₄层，也可以为其他绝缘材料。接着采用化学气相沉积法外延形成与所述第一衬底101具有同一第一晶向(100)的Ge层，最后对其表面进行抛光以制备出第二Ge层109，其中，所述第二Ge层109超出所述第二绝缘层106的厚度为10nm～500nm。

请参阅图7～图8，如图所示，最后进行步骤4)，去除第二生长窗口107之间欲制备器件区域的第二Ge层109及第二绝缘层106以形成第三生长窗口110，并使所述第三生长窗口110贯穿至所述第一Ge层105，然后在所述第三生长窗口110侧壁形成第二隔离层111，最后在各该第三生长窗口110中外延Ge以使所述第一Ge层105继续生长直至其与所述第二Ge层109处于同一平面，以完成所述混合晶向绝缘体上锗晶片的制备。

具体地，采用光刻胶制作光刻图形，刻蚀第二生长窗口107之间欲制备器件区域的第二Ge层109及第二绝缘层106以形成第三生长窗口110，并使所述第三生长窗口110贯穿至所述第一Ge层105，然后在所述第三生长窗口110侧壁形成第二隔离层111，所述第二隔离层111可为SiO₂层或Si₃N₄层，也可以为其他绝缘材料。在所述各第三生长窗口110中采用化学气相沉积法或分子束外延等方法外延Ge以使所述第一Ge层105继续生长直至其与所述第二Ge层109处于同一平面，然后对所述第一Ge层105与第二Ge层109进行抛光以完成混合晶向绝缘体上锗晶片的制备。

本发明还提供一种在混合晶向绝缘体上锗晶片制备器件的方法，所述方法至少包括：在具有第二晶向的第一Ge层105上制备PMOS管，在具有第一晶向的第二Ge层109上制备NMOS管。在本实施例中，在具有(110)晶向的第一Ge层105上制备PMOS管，在具有(100)晶向的第二Ge层109上制备NMOS管。

具体地，在所述混合晶向绝缘体上锗晶片的表面形成第三绝缘层201，所述绝缘层可为SiO₂层或Si₃N₄层等绝缘介质层，然后采用光刻胶制备光刻图形将所述第三绝缘层201刻蚀出各MOS管所需的绝缘栅层201，然后在所述绝缘栅层上制备电极203及206，接着根据需求进行离子注入以形成MOS管源、漏极202、204、205及207，最后制备栅极侧墙结构208以完成器件的制备。

实施例2

请参阅图1～图8，如图所示，本实施例提供一种混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法，所述制备方法的基本步骤如实施例1，其中，所述第一晶向为(110)晶向，所示第二晶向为(100)晶向。即所述第一衬底101具有(100)晶向，第二衬底102具有(110)晶向，所述第一Ge层105具有(100)晶向，第二Ge层109具有(110)晶向。

请参阅图9～图10，如图所示，本发明还提供一种在混合晶向绝缘体上锗晶片制备器件的方法，所述方法的步骤基本如实施例1，其中，在具有第二晶向的第一Ge层105上制备NMOS管，在具有第一晶向的第二Ge层109上制备PMOS管。具体地，在具有(100)晶向的第一Ge层105上制备NMOS管，在具有(110)晶向的第二Ge层109上制备PMOS管。

综上所述，本发明的混合晶向绝缘体上锗晶片及器件的制备方法，通过在绝缘层上形成生长窗口在具有第一晶向的衬底上形成具有第二晶向的全局GOI，然后在具有第二晶向的衬底上形成具有第二晶向的Ge层，以制备出混合晶向绝缘体上锗晶片。在具有(100)晶向的Ge层制备NMOS器件，在具有(110)晶向的Ge层制备PMOS器件，在保证NMOS载流子迁移率的同时，大大地提高了PMOS载流子的迁移率，从而提高器件的整体驱动电流，降低了寄生电容，有利于电路集成度的提高。本发明工艺步骤简单，适用于半导体工业生产。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

1.一种混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法，其特征在于：所述制备方法至少包括以下步骤：

1)提供具有第一晶向的第一衬底及结合于所述第一衬底上具有第二晶向的第二衬底，在所述第二衬底表面形成第一绝缘层；

2)刻蚀所述第一绝缘层至所述第二衬底以形成多个间隔排列的第一生长窗口，在所述第一绝缘层表面及第一生长窗口中形成具有第二晶向的第一Ge层；

3)在所述第一Ge层上形成第二绝缘层，进行刻蚀作业以在第一生长窗口之间形成第二生长窗口，并使所述第二生长窗口贯穿至所述第一衬底，然后在所述第二生长窗口侧壁形成第一隔离层，接着在所述第二绝缘层表面及第二生长窗口中形成具有第一晶向的第二Ge层；

4)去除第二生长窗口之间欲制备器件区域的第二Ge层及第二绝缘层以形成第三生长窗口，并使所述第三生长窗口贯穿至所述第一Ge层，然后在所述第三生长窗口侧壁形成第二隔离层，最后在各该第三生长窗口中外延Ge以使所述第一Ge层继续生长直至其与所述第二Ge层处于同一平面，以完成所述混合晶向绝缘体上锗晶片的制备。

2.根据权利要求1所述的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，形成所述第一Ge层包括外延生长Ge层以及对所述Ge层表面进行抛光的步骤；所述步骤3)中，形成所述第二Ge层包括外延生长Ge层以及对所述Ge层表面进行抛光的步骤。

3.根据权利要求1所述的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法，其特征在于：所述第一生长窗口的宽度为10nm～10000nm，所述第二生长窗口的宽度为10nm～10000nm。

4.根据权利要求1所述的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法，其特征在于：所述第一Ge层超出所述第一绝缘层的厚度为10nm～500nm，所述第二Ge层超出所述第二绝缘层的厚度为10nm～500nm。

5.根据权利要求1所述的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法，其特征在于：所述第一绝缘层为SiO₂层，其厚度为20nm～500nm，所述第二绝缘层为SiO₂层，其厚度为10nm～500nm。

6.根据权利要求1所述的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中外延Ge后还包括对所述第一Ge层与第二Ge层进行抛光的步骤。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法，其特征在于：所述第一晶向为(100)晶向，第二晶向为(110)晶向。

8.根据权利要求1～6任意一项所述的混合晶向绝缘体上锗晶片的制备方法，其特征在于：所述第一晶向为(110)晶向，第二晶向为(100)晶向。

9.一种在如权利要求1～6所制备的混合晶向绝缘体上锗晶片制备器件的方法，其特征在于，所述方法至少包括：在具有(110)晶向的第一Ge层上制备PMOS管，在具有(100)晶向的第二Ge层上制备NMOS管，或者在具有(100)晶向的第一Ge层上制备NMOS管，在具有(110)晶向的第二Ge层上制备PMOS管。