CN103839947A - 一种硅基绝缘体上硅衬底结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基绝缘体上硅衬底结构及其制备方法，该硅衬底结构包括：硅衬底；形成于该硅衬底之上的结晶氧化物层；以及形成于该结晶氧化物层之上的结晶硅层。本发明提供的硅基绝缘体上硅衬底结构及其制备方法，通过在硅衬底表面沉积结晶氧化物层，再在结晶氧化物层表面上沉积单晶硅层，从而实现了方便地在绝缘体上制备极薄硅层，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硅基器件。
Description
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硅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。对于“后22纳米”技术节点来说，全耗尽型绝缘体上硅技术(SOI)被认为是进一步提升器件性能，减少静态功耗的重要进展。绝缘衬底上的硅(SOI)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。
为了实现全耗尽，一般需要获得比较薄的硅层，而传统SOI衬底的制备方法难于获得高质量的极薄硅层。传统SOI衬底的制备方法包括氧注入技术、硅凝聚技术、智能切割技术、以及快速热生长技术等。对于硅凝聚技术而言，高纯度的硅层很难获得；对于氧注入技术和智能切割技术则受到尺寸的限制难以大规模生长，并且成本较高，且硅层的厚度较大，均匀性也较差；快速热生长技术所形成的硅层的均匀性较差，具有梯度性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决传统SOI衬底的制备方法难于获得高质量的极薄硅层的问题，本发明提供了一种硅基绝缘体上硅衬底结构及其制备方法。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种硅基绝缘体上硅衬底结构，所述硅衬底结构包括：硅衬底；形成于该硅衬底之上的结晶氧化物层；以及形成于该结晶氧化物层之上的结晶硅层。
上述方案中，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。
上述方案中，所述结晶硅层为单晶硅层；所述单晶硅层的晶面为硅(111)、硅(110)或硅(100)。
上述方案中，所述结晶氧化物层的晶体结构为外延单晶。
为达到上述目的，本发明还提供了一种硅基绝缘体上硅衬底结构的制备方法，包括：将表面清洁的单晶硅衬底置于真空腔体内；对所述单晶硅衬底加热，在所述单晶硅衬底上沉积结晶氧化物层；以及在所述结晶氧化物层上高温原位沉积单晶硅层，形成结晶硅层。
上述方案中，所述对所述单晶硅衬底加热，在所述单晶硅衬底上沉积结晶氧化物层，包括：将所述单晶硅衬底加热至400～1000℃，获得重构表面的单晶硅衬底；将所述重构表面的单晶硅衬底降温至20～800℃，在所述单晶硅衬底表面上沉积结晶氧化物层。
上述方案中，所述对所述单晶硅衬底加热，在所述单晶硅衬底上沉积结晶氧化物层，包括：将所述单晶硅衬底加热至400～1000℃，获得重构表面的单晶硅衬底；将重构表面的单晶硅衬底降温至20～800℃，先沉积金属原子层，使金属原子在硅表面发生自组装形成金属外延层，进而通过原位氧化的方法形成结晶氧化物层。
上述方案中，所述沉积结晶氧化物层或沉积金属原子层采用的方法为分子束外延法、物理沉积法或化学沉积法。
上述方案中，所述通过原位氧化的方法形成结晶氧化物层，包括：在20～500℃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外延层进行氧化处理，形成结晶氧化物层；所述金属外延层的厚度为
上述方案中，所述在所述结晶氧化物层上高温原位沉积单晶硅层，形成结晶硅层，包括：将所述单晶硅衬底加热至200～1000℃，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物层上沉积单晶硅层，形成结晶硅层。
上述方案中，当采用所述分子束外延法沉积单晶硅层时，所述单晶硅层的厚度通过控制外延时间的长短来自由调整；所述单晶硅层的最小厚度为0.5nm。
(三)有益效果
本发明提供的硅基绝缘体上硅衬底结构及其制备方法，通过在硅衬底表面沉积结晶氧化物层，再在结晶氧化物层表面上沉积单晶硅层，从而实现了方便地在绝缘体上制备极薄硅层，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硅基器件。
附图说明
图1是本发明实施例提供的硅基绝缘体上硅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硅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硅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)(1×1)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硅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
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1和图2，本发明实施例提供了一种硅基绝缘体上硅衬底结构，该硅衬底结构包括硅衬底201、形成于硅衬底201之上的结晶氧化铍层203和形成于结晶氧化铍层203之上的结晶硅层204。
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；结晶硅层204可以为单晶硅层，其晶面可以为硅(111)、硅(110)或硅(100)；结晶氧化铍层203为绝缘体模板层，其晶体结构为六方相外延单晶。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，结晶硅层204为硅(111)单晶硅层；纤锌矿结构的单晶氧化铍层叠置在单晶硅(111)衬底之上，硅(111)单晶硅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硅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RCA清洗的方法以去除单晶硅衬底表面覆盖的有机物、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400～1000℃，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)(1×1)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20～500℃，在单晶硅衬底表面沉积金属铍层202；
如图4和图5所示，在20～500℃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20～500℃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20～500℃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硅层，形成结晶硅层；
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硅层，进而形成结晶硅层；单晶硅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硅层；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的单晶硅层。
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，之后再进行单晶硅层的沉积过程。
本发明实施例通过直接在结晶氧化铍层上外延生长单晶硅层，使得硅层厚度容易控制，方便在绝缘体上制备极薄硅层，并且制备成本低廉，可以与大尺寸硅片兼容，硅层厚度一步到位，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硅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℃的高温下也不会与硅发生化学反应，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硅材料的需求，可以方便在大尺寸晶圆上制备全耗尽硅基器件，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 (11)
1.一种硅基绝缘体上硅衬底结构，其特征在于，所述硅衬底结构包括：
硅衬底；
形成于该硅衬底之上的结晶氧化物层；以及
形成于该结晶氧化物层之上的结晶硅层。
2.根据权利要求1所述的硅基绝缘体上硅衬底结构，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.根据权利要求1所述的硅基绝缘体上硅衬底结构，其特征在于，所述结晶硅层为单晶硅层；所述单晶硅层的晶面为硅(111)、硅(110)或硅(100)。
4.根据权利要求1所述的硅基绝缘体上硅衬底结构，其特征在于，所述结晶氧化物层的晶体结构为外延单晶。
5.一种硅基绝缘体上硅衬底结构的制备方法，其特征在于，包括：
将表面清洁的单晶硅衬底置于真空腔体内；
对所述单晶硅衬底加热，在所述单晶硅衬底上沉积结晶氧化物层；以及
在所述结晶氧化物层上高温原位沉积单晶硅层，形成结晶硅层。
6.根据权利要求5所述的硅基绝缘体上硅衬底结构的制备方法，其特征在于，所述对所述单晶硅衬底加热，在所述单晶硅衬底上沉积结晶氧化物层，包括：
将所述单晶硅衬底加热至400～1000℃，获得重构表面的单晶硅衬底；
将所述重构表面的单晶硅衬底降温至20～800℃，在所述单晶硅衬底表面上沉积结晶氧化物层。
7.根据权利要求5所述的硅基绝缘体上硅衬底结构的制备方法，其特征在于，所述对所述单晶硅衬底加热，在所述单晶硅衬底上沉积结晶氧化物层，包括：
将所述单晶硅衬底加热至400～1000℃，获得重构表面的单晶硅衬底；
将重构表面的单晶硅衬底降温至20～800℃，先沉积金属原子层，使金属原子在硅表面发生自组装形成金属外延层，进而通过原位氧化的方法形成结晶氧化物层。
8.根据权利要求6或7所述的硅基绝缘体上硅衬底结构的制备方法，其特征在于，所述沉积结晶氧化物层或沉积金属原子层采用的方法为分子束外延法、物理沉积法或化学沉积法。
9.根据权利要求7所述的硅基绝缘体上硅衬底结构的制备方法，其特征在于，所述通过原位氧化的方法形成结晶氧化物层，包括：
在20～500℃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外延层进行氧化处理，形成结晶氧化物层；所述金属外延层的厚度为
10.根据权利要求5所述的硅基绝缘体上硅衬底结构的制备方法，其特征在于，所述在所述结晶氧化物层上高温原位沉积单晶硅层，形成结晶硅层，包括：
将所述单晶硅衬底加热至200～1000℃，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物层上沉积单晶硅层，形成结晶硅层。
11.根据权利要求10所述的硅基绝缘体上硅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硅层时，所述单晶硅层的厚度通过控制外延时间的长短来自由调整；所述单晶硅层的最小厚度为0.5nm。
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