CN103578934B - 一种硅基绝缘体上锗衬底结构及其制备方法 - Google Patents

一种硅基绝缘体上锗衬底结构及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103578934B
CN103578934B CN201210258454.XA CN201210258454A CN103578934B CN 103578934 B CN103578934 B CN 103578934B CN 201210258454 A CN201210258454 A CN 201210258454A CN 103578934 B CN103578934 B CN 103578934B
Authority
CN
China
Prior art keywords
germanium
silicon
layer
crystallization
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201210258454.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN103578934A (zh
Inventor
王盛凯
刘洪刚
孙兵
赵威
薛百清
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Microelectronics of CAS
Original Assignee
Institute of Microelectronics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Microelectronics of CAS filed Critical Institute of Microelectronics of CAS
Priority to CN201210258454.XA priority Critical patent/CN103578934B/zh
Publication of CN103578934A publication Critical patent/CN103578934A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103578934B publication Critical patent/CN103578934B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02422—Non-crystalline insulating materials, e.g. glass, polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02532—Silicon, silicon germanium, germanium

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明公开了一种硅基绝缘体上锗衬底结构及其制备方法，属于半导体集成技术领域。所述锗衬底结构包括硅衬底、结晶氧化铍层和结晶锗层。所述方法通过在单晶硅衬底表面上沉积结晶金属铍层，通过氧化的方法，形成适于锗层外延的结晶氧化铍层,进而在该结晶氧化铍层表面外延形成单晶锗层。本发明提供的硅基绝缘体上锗衬底结构及其制备方法，具有可大面积生长、散热性能好、衬底绝缘性能好、以及制备成本低等优点。

Description

一种硅基绝缘体上锗衬底结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体集成技术领域，特别涉及一种硅基绝缘体上锗衬底结构及其制备方法。
背景技术
随着半导体集成电路的快速发展，为了获得更高的性能，器件单元尺寸不断减小。集成电路即将步入“后22纳米”时代。从材料方面来说，采用高迁移率材料替代传统硅材料作为衬底材料将是半导体集成技术的重要发展方向。由于锗(Ge)的空穴迁移率1900cm2/V·s和电子迁移率3900cm2/V·s都明显高于硅材料，因此锗被认为有望取代硅材料以适应“后22纳米”以下逻辑器件的需求。对于“后22纳米”技术节点来说，全耗尽型绝缘体上锗技术(GeOI)被认为是进一步提升器件性能，减少静态功耗的重要进展。为了实现全耗尽，一般需要获得比较薄的锗层，而传统GeOI衬底的制备方法难于获得高质量的极薄锗层。传统GeOI衬底的制备方法包括锗凝聚技术、智能切割技术、以及快速热生长技术等。对于锗凝聚技术而言，高纯度的锗层很难获得；智能切割技术受到尺寸的限制难以大规模生长，且锗层的厚度较大，均匀性也较差；快速热生长技术所形成的锗层的均匀性较差，具有梯度性。
发明内容
为了解决传统GeOI衬底的制备方法难于获得高质量的极薄锗层的问题，本发明提供了一种硅基绝缘体上锗衬底结构及其制备方法。
本发明提供了一种硅基绝缘体上锗衬底结构，所述锗衬底结构包括硅衬底、结晶氧化铍层和结晶锗层；所述硅衬底位于所述锗衬底结构的底部，所述结晶氧化铍层置于所述硅衬底之上，所述结晶锗层置于所述结晶氧化铍层之上；所述结晶氧化铍层的晶体结构为六方相单晶。
所述硅衬底为单晶硅(100)衬底、单晶硅(110)衬底或单晶硅(111)衬底。
所述结晶锗层为单晶锗层；所述单晶锗层的晶面为锗(111)、锗(110)或锗(100)。
本发明还提供了一种硅基绝缘体上锗衬底结构的制备方法，所述方法包括：
将表面清洁的单晶硅(111)衬底置于真空腔体内；
将所述单晶硅(111)衬底加热，并在所述单晶硅(111)衬底上沉积金属铍层，具体包括:将所述单晶硅(111)衬底加热至400～900℃，获得重构表面的单晶硅(111)衬底；将所述重构表面的单晶硅(111)衬底降温至室温～500℃，在所述单晶硅(111)衬底表面上采用分子束外延法沉积金属铍层；
原位对所述金属铍层进行氧化处理，形成结晶氧化铍层；所述结晶氧化铍层的晶体结构为六方相单晶；
在所述结晶氧化铍层上高温原位沉积单晶锗层，形成结晶锗层。
所述金属铍层的厚度为
所述原位对所述金属铍层进行氧化处理，形成结晶氧化铍层的步骤具体为：在室温～500℃的温度条件下，采用氧等离子体或者氧自由基原位对所述金属铍层进行氧化处理，形成结晶氧化铍层。
所述在所述结晶氧化铍层上高温原位沉积单晶锗层，形成结晶锗层的步骤具体为：将所述单晶硅(111)衬底加热至200～800℃，采用分子束外延法、物理沉积法或化学沉积法在所述结晶氧化铍层上沉积单晶锗层，形成结晶锗层。
当采用所述分子束外延法沉积单晶锗层时，所述单晶锗层的厚度通过控制外延时间的长短来自由调整；所述单晶锗层的最小厚度为0.5nm。
本发明通过在硅衬底表面沉积结晶氧化铍层，再在结晶氧化铍层表面上沉积单晶锗层，从而实现了方便地在绝缘体上制备极薄锗层，具有可大面积生长、散热性能好、衬底绝缘性能好、以及制备成本低廉等优点，可以方便在大尺寸晶圆上制备全耗尽锗基器件。
附图说明
图1是本发明实施例提供的硅基绝缘体上锗衬底结构的立体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的硅基绝缘体上锗衬底结构的平面结构示意图；
图3是本发明实施例提供的硅基绝缘体上锗衬底结构的制备方法流程图；
图4是本发明实施例在单晶硅衬底上生长金属铍层后的立体结构示意图；
图5是本发明实施例在单晶硅衬底上生长金属铍层后的平面结构示意图；
图6是本发明实施例在单晶硅衬底上氧化金属铍得到结晶氧化铍层的立体结构示意图；
图7是本发明实施例在单晶硅衬底上氧化金属铍得到结晶氧化铍层的平面结构示意图；
图8是本发明实施例单晶硅(111)衬底表面加热至500℃形成的Si(111)(1x1)的反射式高能电子衍射图；
图9是本发明实施例单晶硅(111)衬底表面200℃下沉积3nm金属铍层的反射式高能电子衍射图；
图10是本发明实施例单晶硅(111)衬底表面200℃下氧等离子体氧化得到的氧化铍层的反射式高能电子衍射图；
图11是氧化铍及多种常见氧化物与锗材料发生氧化还原反应的反应常数与温度的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。
参见图1和图2，本发明实施例提供了一种硅基绝缘体上锗衬底结构，该锗衬底结构包括硅衬底201、结晶氧化铍层203和结晶锗层204。其中，硅衬底201位于该锗衬底结构的底部，结晶氧化铍层203置于硅衬底201之上，结晶锗层204置于结晶氧化铍层203之上。在实际应用中，硅衬底201可以为单晶硅(100)衬底、单晶硅(110)衬底或单晶硅(111)衬底；结晶锗层204可以为单晶锗层，其晶面可以为锗(111)、锗(110)或锗(100)；结晶氧化铍层203为绝缘体模板层，其晶体结构为六方相单晶。在本实施例中，硅衬底201为单晶硅(111)衬底，结晶氧化铍层203为纤锌矿结构的单晶氧化铍层，结晶锗层204为锗(111)单晶锗层；纤锌矿结构的单晶氧化铍层叠置在单晶硅(111)衬底之上，锗(111)单晶锗层叠置在纤锌矿结构的单晶氧化铍层之上。
参见图3，本发明实施例还提供了一种上述硅基绝缘体上锗衬底结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤101：将单晶硅衬底表面进行清洁处理；
对单晶硅衬底表面进行清洁处理，可采用碱洗或去离子水洗涤等方法，以去除单晶硅衬底表面覆盖的氧化物及其他物质；在实际的清洁过程中，当单晶硅衬底表面覆盖的氧化物厚度小于等于1nm时，可以认为单晶硅衬底表面的清洁度已符合技术要求，进而停止清洁处理过程；
步骤102：将经过清洁处理后的单晶硅衬底置于真空腔体内；
步骤103：将单晶硅衬底加热至400～900℃，获得重构表面的单晶硅衬底；
在实际应用中，可以在对单晶硅衬底进行加热的过程中，向真空腔体内通入氢气，以使硅表面的自然氧化物分解，去除硅表面残留的自然氧化物，从而获得更加清洁的重构表面的单晶硅衬底；图8示出了单晶硅(111)衬底表面加热至500℃形成的Si(111)(1x1)的反射式高能电子衍射图；
步骤104：将重构表面的单晶硅衬底降温至室温～500℃，在单晶硅衬底表面沉积金属铍层202；
如图4和图5所示，在室温～500℃的温度条件下，可以采用分子束外延法在单晶硅衬底表面沉积金属铍层，还可以采用其他的物理或者化学沉积方法在单晶硅衬底表面沉积金属铍层；优选地，本实施例采用分子束外延法在单晶硅衬底表面外延生长金属铍层，单晶硅衬底温度控制在100～300℃，生长的金属铍层202的厚度为沉积时间控制在10～300秒，金属铍层的晶体结构为六方相单晶；图9示出了单晶硅(111)衬底表面200℃下沉积3nm金属铍层的反射式高能电子衍射图；
步骤105：在室温～500℃的温度条件下，对金属铍层进行氧化处理，形成结晶氧化铍层；
如图6和图7所示，在室温～500℃的温度条件下，采用氧等离子体或者氧自由基对金属铍层进行氧化处理，形成结晶氧化铍层；优选地，本实施例采用氧等离子体对金属铍层进行氧化处理，单晶硅衬底温度控制在100～300℃；氧化时间采用如下方案来控制：从使用反射式高能电子衍射仪观察到清晰的单晶衍射图案开始，直至单晶衍射图案上刚刚出现微弱的非晶衍射环为止；氧化时间之所以采用上述方案来进行控制，其原因在于：当氧化过程持续到刚刚出现微弱的非晶衍射环时，金属铍层刚好被完全氧化，且界面处尚未形成二氧化硅；图10示出了单晶硅(111)衬底表面200℃下氧等离子体氧化得到的氧化铍层的反射式高能电子衍射图；
步骤106：将单晶硅衬底加热至200～800℃，采用分子束外延法或其他的物理或化学沉积法在结晶氧化铍层上沉积单晶锗层，形成结晶锗层；
优选地，在200～800℃的温度条件下，本实施例采用分子束外延方法在结晶氧化铍层上外延生长单晶锗层，进而形成结晶锗层；单晶锗层的厚度可以通过控制外延时间的长短来自由调整，以便获得极薄的单晶锗层；在实际应用中，本实施例可以通过设置较短的外延时间，获得最小厚度为0.5nm的单晶锗层。
在具体生产实践中，本实施例提供的制备方法均是在真空条件及原位下进行的；此外，当需要较大的绝缘介质厚度时，可以进行多次沉积金属再氧化的步骤，即重复执行步骤103至105，直至结晶氧化铍层达到目标厚度为止，之后再进行单晶锗层的沉积过程。
本发明实施例通过直接在结晶氧化铍层上外延生长单晶锗层，使得锗层厚度容易控制，方便在绝缘体上制备极薄锗层，并且制备成本低廉，可以与大尺寸硅片兼容，锗层厚度一步到位，省去了减薄步骤。绝缘介质散热性好，氧化铍的热导率极高(300W m-1K-1)，与金相似(318W m-1K-1)，可以解决传统绝缘体上锗衬底散热性差的缺点。绝缘性好，氧化铍的禁带宽度理论上可达10.6eV，是理想的绝缘材料，可有效抑制衬底漏电。由图11可以看出，相比于其他常见氧化物，氧化铍化学性质稳定，即使在650℃的高温下也不会与锗发生化学反应，保障了衬底质量的高温稳定性。本发明实施例提供的制备方法能够满足后22纳米技术节点上对于硅基绝缘体上锗材料的需求，可以方便在大尺寸晶圆上制备全耗尽锗基器件，具有非常重要的意义。
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 (8)

1.一种硅基绝缘体上锗衬底结构，其特征在于，所述锗衬底结构包括硅衬底、结晶氧化铍层和结晶锗层；所述硅衬底位于所述锗衬底结构的底部，所述结晶氧化铍层置于所述硅衬底之上，所述结晶锗层置于所述结晶氧化铍层之上；所述结晶氧化铍层的晶体结构为六方相单晶。
2.如权利要求1所述的硅基绝缘体上锗衬底结构，其特征在于，所述硅衬底为单晶硅(100)衬底、单晶硅(110)衬底或单晶硅(111)衬底。
3.如权利要求1所述的硅基绝缘体上锗衬底结构，其特征在于，所述结晶锗层为单晶锗层；所述单晶锗层的晶面为锗(111)、锗(110)或锗(100)。
4.一种硅基绝缘体上锗衬底结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将表面清洁的单晶硅(111)衬底置于真空腔体内；
将所述单晶硅(111)衬底加热，并在所述单晶硅(111)衬底上沉积金属铍层，具体包括:将所述单晶硅(111)衬底加热至400～900℃，获得重构表面的单晶硅(111)衬底；将所述重构表面的单晶硅(111)衬底降温至室温～500℃，在所述单晶硅(111)衬底表面上采用分子束外延法沉积金属铍层；
原位对所述金属铍层进行氧化处理，形成结晶氧化铍层；所述结晶氧化铍层的晶体结构为六方相单晶；
在所述结晶氧化铍层上高温原位沉积单晶锗层，形成结晶锗层。
5.如权利要求4所述的硅基绝缘体上锗衬底结构的制备方法，其特征在于，所述金属铍层的厚度为
6.如权利要求4所述的硅基绝缘体上锗衬底结构的制备方法，其特征在于，所述原位对所述金属铍层进行氧化处理，形成结晶氧化铍层的步骤具体为：在室温～500℃的温度条件下，采用氧等离子体或者氧自由基原位对所述金属铍层进行氧化处理，形成结晶氧化铍层。
7.如权利要求4所述的硅基绝缘体上锗衬底结构的制备方法，其特征在于，所述在所述结晶氧化铍层上高温原位沉积单晶锗层，形成结晶锗层的步骤具体为：将所述单晶硅(111)衬底加热至200～800℃，采用分子束外延法、物理沉积法或化学沉积法在所述结晶氧化铍层上沉积单晶锗层，形成结晶锗层。
8.如权利要求7所述的硅基绝缘体上锗衬底结构的制备方法，其特征在于，当采用所述分子束外延法沉积单晶锗层时，所述单晶锗层的厚度通过控制外延时间的长短来自由调整；所述单晶锗层的最小厚度为0.5nm。
CN201210258454.XA 2012-07-24 2012-07-24 一种硅基绝缘体上锗衬底结构及其制备方法 Active CN103578934B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210258454.XA CN103578934B (zh) 2012-07-24 2012-07-24 一种硅基绝缘体上锗衬底结构及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210258454.XA CN103578934B (zh) 2012-07-24 2012-07-24 一种硅基绝缘体上锗衬底结构及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103578934A CN103578934A (zh) 2014-02-12
CN103578934B true CN103578934B (zh) 2016-12-07

Family

ID=50050463

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210258454.XA Active CN103578934B (zh) 2012-07-24 2012-07-24 一种硅基绝缘体上锗衬底结构及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103578934B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106544629B (zh) * 2017-01-19 2019-02-19 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种大尺度自支撑铍薄膜的制备方法及装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS52156581A (en) * 1976-06-23 1977-12-27 Toshiba Corp Semiconductor device
JPS58158944A (ja) * 1982-03-16 1983-09-21 Futaba Corp 半導体装置
US6552395B1 (en) * 2000-01-03 2003-04-22 Advanced Micro Devices, Inc. Higher thermal conductivity glass for SOI heat removal
US7084460B2 (en) * 2003-11-03 2006-08-01 International Business Machines Corporation Method for fabricating SiGe-on-insulator (SGOI) and Ge-on-insulator (GOI) substrates
CN102420167A (zh) * 2011-12-05 2012-04-18 中国科学院微电子研究所 一种绝缘体上锗衬底的减薄方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103578934A (zh) 2014-02-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101866834B (zh) 高Ge组分SiGe材料的方法
US10829868B2 (en) Manufacturing method of SiC composite substrate
JP2662396B2 (ja) 結晶性堆積膜の形成方法
JP6116705B2 (ja) Ｇｅ量子ドットの成長方法、Ｇｅ量子ドット複合材及びその応用
JP6123408B2 (ja) 単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板及びその製造方法
CN102024768A (zh) 半导体装置及半导体结构的制造方法
TWI738665B (zh) ＳｉＣ複合基板之製造方法
JP2000223419A (ja) 単結晶シリコン層の形成方法及び半導体装置の製造方法、並びに半導体装置
CN102623521A (zh) 一种氧化亚铜薄膜的制备方法
CN111769036B (zh) 氮化镓单晶衬底的制备方法
CN103578934B (zh) 一种硅基绝缘体上锗衬底结构及其制备方法
Zhao et al. Trapping threading dislocations in germanium trenches on silicon wafer
CN116497455A (zh) 一种调控铁电畴尺寸的氮化物铁电半导体的制备方法
CN114381806B (zh) 二维氮化铝晶体的制备方法
CN101872718A (zh) 石墨烯晶片的制备方法
CN103839947A (zh) 一种硅基绝缘体上硅衬底结构及其制备方法
CN109075036A (zh) 用于形成三维单片集成电路的结构的制造方法
KR102422422B1 (ko) 그래핀을 포함하는 반도체 소자 및 그 제조방법
KR101144744B1 (ko) 나노와이어 밀도를 증대시킬 수 있는 나노와이어 제조 방법
CN109867276B (zh) 在衬底上直接制备石墨烯的方法
CN107785304B (zh) 以氮化物薄膜为绝缘埋层的soi材料及其制备方法
CN103839976A (zh) 一种硅基绝缘体上砷化镓衬底结构及其制备方法
CN110676158B (zh) 一种实现晶格阻断的零气泡Ge/Si异质混合集成方法
Gelali et al. Structure and morphology of the Cu films grown by DC magnetron sputtering
CN110660654B (zh) 一种超高质量SOI基键合Ge薄膜的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20140212

Assignee: Beijing Eaststar Application Physics Institute

Assignor: Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences

Contract record no.: X2023990000789

Denomination of invention: A germanium substrate structure on silicon based insulators and its preparation method

Granted publication date: 20161207

License type: Common License

Record date: 20230901

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract