CN105428300B - 吸附剥离制备绝缘体上材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，包括以下步骤：提供一衬底，在其上依次外延掺杂单晶层、超晶格结构层及待转移层；然后进行离子注入，使离子注入到所述掺杂单晶层下表面以下预设深度；再提供一表面形成有绝缘层的基板，与待转移层键合形成键合片并进行退火处理，使掺杂层吸附离子形成微裂纹从下表面处剥离，得到绝缘体上材料。本发明利用掺杂层吸附剥离及键合来制备绝缘体上材料，其中，掺杂层由掺杂单晶层及非掺杂或低掺杂的超晶格结构层叠加而成；超晶格结构层可以增强掺杂单晶层的离子吸附能力，使得掺杂单晶层在低掺杂浓度下也可以发生吸附剥离，而低掺杂浓度可以降低掺杂离子扩散到待转移层中的几率，保证待转移层的质量。

Description

吸附剥离制备绝缘体上材料的方法

技术领域

本发明属于半导体制造领域，涉及一种吸附剥离制备绝缘体上材料的方法。

背景技术

近年来，绝缘体上材料以其独特的绝缘埋层结构，能降低衬底的寄生电容和漏电电流，在低压、低功耗、高温、抗辐射器件等诸多领域得到了广泛的应用。制备更小尺寸、更高性能的器件一直是半导体工业发展的目标和方向，随着超大规模集成电路技术进入到22nm节点及以下，对集成电路的特征尺寸提出了更高要求，而基于超薄绝缘体上材料的器件能使器件进一步缩微化。

通常绝缘体上材料的制备包括以下技术：1.通过外延、键合、智能剥离或背部研磨等工艺流程；2.注氧隔离技术。传统的绝缘体上材料剥离方法有离子注入剥离法、等离子体吸入剥离法、机械剥离法、绝缘体上材料减薄技术等。其中离子注入剥离得到的绝缘体上材料表面很粗糙，并且在超低能量注入情况下会引起同位素效应或表面损伤，同时很难控制；等离子体吸附剥离耗时长，材料消耗大，不适宜大规模生产；机械剥离法需要引入机械，产品成品率及产量不可控；而绝缘体上材料减薄技术步骤繁琐，例如制备超薄SOI，需要不断氧化，时间较长且能耗大，并且随着顶层硅厚度的减小，氧化条件会越来越苛刻，增加了困难；注氧隔离技术虽然方法较为简单，但目前仍然难以制备高质量的超薄绝缘体上材料。

目前将掺杂层吸附剥离与键合相结合的智能剥离方法能够实现超薄、高质量绝缘体上材料的制备，其中，掺杂层采用高掺杂浓度的单晶层或超晶格结构层，掺杂浓度太低，将无法产生吸附剥离。由于掺杂层中的掺杂浓度较高，掺杂离子很容易扩散至待转移层，改变待转移层性质，且掺杂超晶格结构层在剥离过程中，剥离发生在超晶格层中的各个界面，最终剥离面容易呈台阶状，使得剥离面不平整。

因此，提供一种新的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法以降低掺杂层中的掺杂离子扩散至待转移层的几率，并提高剥离面平整程度实属必要。

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吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，用于解决现有技术中掺杂层掺杂浓度高，掺杂离子容易扩散至待转移层改变待转移层性质，且当掺杂层为掺杂超晶格层时，剥离面不平整的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，至少包括以下步骤：

S1：提供一衬底，在所述衬底上外延一掺杂单晶层；

S2：在所述掺杂单晶层上外延一超晶格结构层；

S3：在所述超晶格结构层上外延一待转移层；

S4：进行离子注入，使离子注入到所述掺杂单晶层下表面以下预设深度；

S5：提供一表面形成有绝缘层的基板，将所述绝缘层与所述待转移层键合，形成键合片；

S6：对所述键合片进行退火处理，使所述掺杂层吸附离子形成微裂纹，使所述键合片从所述掺杂层下表面处剥离，得到自下而上依次包括基板、绝缘层及待转移层的绝缘体上材料。

可选地，所述掺杂单晶层的掺杂浓度小于1E18cm^-3。

可选地，所述掺杂单晶层为Si、SiGe、Ge、GaAs或AlGaAs，厚度大于2nm，掺杂元素包括C、B、P、Ga、In、As或Sb中的至少一种。

可选地，超晶格结构层为非掺杂超晶格结构层或低掺杂超晶格结构层，所述低掺杂超晶格结构层的掺杂浓度小于1E18cm^-3。

可选地，所述掺杂超晶格结构层由至少一组Si/Si_1-xGe_x复合薄膜、Si_1-yGe_y/Si_{1- z}Ge_z复合薄膜、Ge/GaAs复合薄膜或GaAs/AlGaAs复合薄膜堆叠而成，其中0＜x、y、z≤1，y≠z；掺杂元素包括C、B、P、Ga、In、As或Sb中的至少一种。

可选地，所述待转移层为Si、Ge、SiGe、GaAs或AlGaAs，厚度大于5nm。

可选地，于所述步骤S4中，采用H离子注入或H/He离子共注，所述预设深度大于或等于50nm，注入剂量大于或等于2E16cm^-2。

可选地，于所述步骤S6中，对所述键合片进行微波退火处理，所述微波的频率范围是1.5～20GHz，微波退火时间为5～60min。

可选地，微波退火处理时，调节微波退火输出功率，使所述键合片表面温度在20～500℃。

可选地，于所述步骤S6中，对所述键合片进行退火处理的方法为：采用热退火方法，首先将所述键合片在第一温度下退火第一时间以形成预键合，然后将所述键合片在第二温度下退火第二时间以加强键合并实现剥离；所述第二温度高于第一温度，所述第一时间小于第二时间。

可选地，所述第一温度为200～400℃，所述第二温度为400～800℃。

可选地，于所述步骤S5中，键合前对所述待转移层表面进行氮气等离子体处理。

可选地，于所述步骤S6之后，还包括步骤S7：去除所述待转移层表面多余的掺杂单晶层及超晶格结构层。

可选地，采用化学腐蚀法和/或抛光法去除所述待转移层表面多余的掺杂单晶层及超晶格结构层。

可选地，所述衬底包括Si、Ge或SiGe。

如上所述，本发明的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，具有以下有益效果：(1)本发明利用掺杂层吸附剥离及键合来制备绝缘体上材料，其中，掺杂层由掺杂单晶层及非掺杂或低掺杂的超晶格结构层叠加而成，在退火过程中，掺杂单晶层吸附衬底中的注入离子形成微裂纹，且剥离发生于掺杂单晶层下表面处，剥离面平整；(2)由于掺杂单晶层上具有非掺杂或低掺杂的超晶格结构层，该超晶格结构层可以增强所述掺杂单晶层对注入离子的吸附能力，从而使得掺杂单晶层在掺杂浓度较低时(小于1E18cm^-3)也能发生吸附剥离，甚至在1E17cm^-3的低掺杂浓度下也可以发生有效吸附剥离，而低掺杂浓度可以降低掺杂离子扩散到待转移层中的几率，保证待转移层的质量；(3)本发明中对于键合片的处理，可以采用常规的低温退火预键合结合高温退火以致吸附剥离来得到绝缘体上材料，也可以采用微波退火技术低温制备绝缘体上材料，使待转移层及其它层不因高温而损坏。

附图说明

图1显示为本发明的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法中在衬底上外延一掺杂单晶层的示意图。

图2显示为本发明的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法中在掺杂单晶层上外延一超晶格结构层的示意图。

图3显示为本发明的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法中在超晶格结构层上外延一待转移层的示意图。

图4显示为本发明的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法中进行离子注入，使离子注入到掺杂单晶层下表面以下预设深度的示意图。

图5显示为本发明的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法中形成键合片的示意图。

图6显示为本发明的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法中对键合片进行退火处理使掺杂层吸附离子形成微裂纹的示意图。

图7显示为本发明的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法中剥离得到绝缘体上材料的示意图。

元件标号说明

1 衬底

2 掺杂单晶层

3 超晶格结构层

31,32,33,34 Si/Si_1-xGe_x 复合薄膜

311 Si层

312 Si_1-xGe_x层

4 待转移层

5 绝缘层

6 基板

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7。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。

本发明提供一种吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，至少包括以下步骤：

S1：提供一衬底，在所述衬底上外延一掺杂单晶层；

S2：在所述掺杂单晶层上外延一超晶格结构层；

S3：在所述超晶格结构层上外延一待转移层；

S4：进行离子注入，使离子注入到所述掺杂单晶层下表面以下预设深度；

S5：提供一表面形成有绝缘层的基板，将所述绝缘层与所述待转移层键合，形成键合片；

S6：对所述键合片进行退火处理，使所述掺杂单晶层吸附离子形成微裂纹，使所述键合片从所述掺杂单晶层下表面处剥离，得到自下而上依次包括基板、绝缘层及待转移层的绝缘体上材料。

首先请参阅图1，执行步骤S1：提供一衬底1，在所述衬底1上外延一掺杂单晶层2。

具体的，所述衬底1包括但不限于Si、Ge或SiGe，本实施例中，所述衬底1以Si衬底为例。

所述掺杂单晶层2包括但不限于Si、SiGe、Ge、GaAs或AlGaAs。在所述掺杂单晶层2的形成过程中，通过在外延生长过程中通入掺杂气体即可实现掺杂，掺杂元素包括C、B、P、Ga、In、As或Sb中的至少一种，掺杂浓度小于1E18cm^-3。所述掺杂单晶层2的厚度大于2nm。

本发明中，所述掺杂单晶层2的掺杂浓度较低(小于1E18cm^-3)，优选为等于1E17cm^-3，低的掺杂浓度可以降低掺杂离子扩散到其它层中的几率。本实施例中，所述掺杂单晶层2优选采用B掺杂浓度为1E17cm^-3的SiGe层。

然后请参阅图2，执行步骤S2：在所述掺杂单晶层2上外延一超晶格结构层3。

具体的，所述掺杂超晶格结构层3由至少一组Si/Si_1-xGe_x复合薄膜、Si_1-yGe_y/Si_{1- z}Ge_z复合薄膜、Ge/GaAs复合薄膜或GaAs/AlGaAs复合薄膜堆叠而成，其中0＜x、y、z≤1，y≠z。

需要指出的是，对于Si/Si_1-xGe_x复合薄膜，其包括Si层及形成于所述Si层上的Si_1-xGe_x层；对于Si_1-yGe_y/Si_1-zGe_z复合薄膜，其由两层不同组分比的SiGe层叠加而成；对于Ge/GaAs复合薄膜，其GaAs层中的Ga与As的组分可调；对于GaAs/AlGaAs复合薄膜，其AlGaAs层中的Al、Ga与As的组分均可调。

本实施例中，所述掺杂超晶格结构层3的组成单元以Si/Si_1-xGe_x复合薄膜为例，如图2所示，所述掺杂超晶格结构层3包括四组Si/Si_1-xGe_x复合薄膜31、32、33及34，其中，每一组Si/Si_1-xGe_x复合薄膜均包括Si层311及形成于所述Si层上的Si_1-xGe_x层312。

特别的，所述超晶格结构层3为非掺杂超晶格结构层或低掺杂超晶格结构层，所述低掺杂超晶格结构层的掺杂浓度小于1E18cm^-3，掺杂元素包括C、B、P、Ga、In、As或Sb中的至少一种。

本发明中，所述掺杂单晶层2的掺杂浓度较低(小于1E18cm^-3)，甚至可达1E17cm^-3，通常，在如此低的掺杂浓度下，掺杂单晶层难以有效吸附衬底中的注入离子并实现剥离，而本发明在所述掺杂单晶层2上设置超晶格结构层3，非掺杂或低掺杂的超晶格结构层的存在可以增强所述掺杂单晶层2对注入离子的吸附能力，从而使得所述掺杂单晶层2在掺杂浓度较低时(小于1E18cm^-3)也能发生吸附剥离，甚至在1E17cm^-3的低掺杂浓度下也可以发生有效吸附剥离，而低掺杂浓度可以降低掺杂离子扩散到待转移层中的几率，保证待转移层的质量。

接着请参阅图3，执行步骤S3：在所述超晶格结构层3上外延一待转移层4。

具体的，所述待转移层4包括但不限于Si、Ge、SiGe、GaAs或AlGaAs，厚度大于5nm。本实施例中，所述待转移层4以厚度为50nm的Si薄膜为例。

再请参阅图4，执行步骤S4：进行离子注入，使离子注入到所述掺杂单晶层2下表面以下预设深度。

具体的，采用H离子注入或H/He离子共注，所述预设深度大于或等于50nm，注入剂量大于或等于2E16cm^-2。注入深度可通过调整注入能量来实现，注入能量越高，注入深度越深。本实施例中，注入离子优选为H离子，注入深度为所述掺杂层2下表面以下50nm处，注入剂量为3E16cm^-2。

再请参阅图5，执行步骤S5：提供一表面形成有绝缘层5的基板6，将所述绝缘层5与所述待转移层4键合，形成键合片。

具体的，键合之前对所述待转移层4表面进行氮气等离子体处理，使其表面活化，有利于提高键合界面性能，所述绝缘层5表面也可以在键合前进行等离子体处理，使所述绝缘层5与所述待转移层4结合得更为牢固。

本实施例中，所述基板6以硅片为例，其表面的绝缘层5为二氧化硅，可通过热氧化形成。

最后请参阅图6及图7，执行步骤S6：对所述键合片进行退火处理，使所述掺杂单晶层2吸附离子形成微裂纹，使所述键合片从所述掺杂单晶层2下表面处剥离，得到自下而上依次包括基板6、绝缘层5及待转移层4的绝缘体上材料。

具体的，对所述键合片进行微波退火处理，所述微波的频率范围是1.5～20GHz，微波退火时间为5～60min。微波可以使得离子注入产生的缺陷活化，在所述掺杂单晶层2与所述衬底1界面处产生微气泡或微孔，所述微气泡或微孔在微波的作用下产生共振，产生大量热能，使得该界面处局域温度升高，从而所述掺杂单晶层2进一步吸附所述衬底1中的注入离子，其中，所述超晶格结构层3可以增强所述掺杂单晶层2的离子吸附能力，使微小孔洞进一步急剧增大，进而使得所述掺杂单晶层2下表面形成微裂纹，产生剥离。如图6所示，显示为进行微波退火使得掺杂单晶层2吸附离子形成微裂纹的示意图。由于局部升温速度快，相较于常规退火，本发明利用微波退火使所述掺杂单晶层2产生剥离的速度也快得多。同时，相较于常规退火键合片整体温度均处在高位(如600～1000℃)，本发明在微波退火过程中，除了掺杂单晶层2与衬底1界面处局域温度较高(如700～800℃)以产生吸附剥离，键合片整体或表面温度较低，在20～500℃之间，优选为100～250℃，使得掺杂单晶层2中的掺杂离子不易扩散到待转移层4中，且低温不会对所述待转移层4及其它层产生不良影响，有利于制备得到高质量的绝缘体上材料。其中，可通过调节微波退火输出功率来调节微波退火温度。

在另一实施例中，也可以采用常规热退火方式，由于所述掺杂单晶层2中的掺杂浓度较低，且所述超晶格结构层3非掺杂或低掺杂，即使采用常规退火，掺杂离子也不易扩散到所述待转移层4中。其中，对所述键合片进行退火处理的方法为：首先将所述键合片在第一温度下退火第一时间以形成预键合，然后将所述键合片在第二温度下退火第二时间以加强键合并实现剥离；所述第二温度高于第一温度，所述第一时间小于第二时间。所述第一温度为200～400℃，所述第二温度为400～800℃。作为示例，退火条件为含300℃下120min，600℃氧气氛下30min，退火气氛可以包括氧气或氮气。

具体的，于所述步骤S6之后，还可以根据需要进一步执行步骤S7：去除所述待转移层4表面多余的掺杂单晶层及超晶格结构层。去除方法可以是化学腐蚀法和/或抛光法等。

至此，制备得到了高质量的绝缘体上材料，如图7所示，显示为剥离得到的绝缘体上材料的示意图。本实施例中，制备得到的绝缘体上材料为绝缘体上硅(SOI)，在其它实施例中，根据所述待转移层的材料不同(如SiGe、Ge、GaAs、AlGaAs等)，所述绝缘体上材料也可以为绝缘体上锗硅(SGOI)，绝缘体上锗(SOI)等，可以应用于各种高性能半导体器件。

综上所述，本发明的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，具有以下有益效果：(1)本发明利用掺杂层吸附剥离及键合来制备绝缘体上材料，其中，掺杂层由掺杂单晶层及非掺杂或低掺杂的超晶格结构层叠加而成，在退火过程中，掺杂单晶层吸附衬底中的注入离子形成微裂纹，且剥离发生于掺杂单晶层下表面处，剥离面平整；(2)由于掺杂单晶层上具有非掺杂或低掺杂的超晶格结构层，该超晶格结构层可以增强所述掺杂单晶层对注入离子的吸附能力，从而使得掺杂单晶层在掺杂浓度较低时(小于1E18cm^-3)也能发生吸附剥离，甚至在1E17cm^-3的低掺杂浓度下也可以发生有效吸附剥离，而低掺杂浓度可以降低掺杂离子扩散到待转移层中的几率，保证待转移层的质量；(3)本发明中对于键合片的处理，可以采用常规的低温退火预键合结合高温退火以致吸附剥离来得到绝缘体上材料，也可以采用微波退火技术低温制备绝缘体上材料，使待转移层及其它层不因高温而损坏。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 (14)

1.一种吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

S1：提供一衬底，在所述衬底上外延一掺杂单晶层；

S2：在所述掺杂单晶层上外延一超晶格结构层，所述超晶格结构层为非掺杂超晶格结构层或低掺杂超晶格结构层，所述低掺杂超晶格结构层的掺杂浓度小于1E18cm^-3；

S3：在所述超晶格结构层上外延一待转移层；

S4：进行离子注入，使离子注入到所述掺杂单晶层下表面以下预设深度；

S5：提供一表面形成有绝缘层的基板，将所述绝缘层与所述待转移层键合，形成键合片；

S6：对所述键合片进行退火处理，使所述掺杂单晶层吸附离子形成微裂纹，使所述键合片从所述掺杂单晶层下表面处剥离，得到自下而上依次包括基板、绝缘层及待转移层的绝缘体上材料；其中，所述超晶格结构层用于增强所述掺杂单晶层对注入离子的吸附能力，从而使得所述掺杂单晶层在掺杂浓度大于等于1E17cm^-3时也能发生吸附剥离。

2.根据权利要求1所述的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于：所述掺杂单晶层的掺杂浓度小于1E18cm^-3。

3.根据权利要求1所述的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于：所述掺杂单晶层为Si、SiGe、Ge、GaAs或AlGaAs，厚度大于2nm，掺杂元素包括C、B、P、Ga、In、As或Sb中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于：所述掺杂超晶格结构层由至少一组Si/Si_1-xGe_x复合薄膜、Si_1-yGe_y/Si_1-zGe_z复合薄膜、Ge/GaAs复合薄膜或GaAs/AlGaAs复合薄膜堆叠而成，其中0＜x、y、z≤1，y≠z；掺杂元素包括C、B、P、Ga、In、As或Sb中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于：所述待转移层为Si、Ge、SiGe、GaAs或AlGaAs，厚度大于5nm。

6.根据权利要求1所述的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于：于所述步骤S4中，采用H离子注入或H/He离子共注，所述预设深度大于或等于50nm，注入剂量大于或等于2E16cm^-2。

7.根据权利要求1所述的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于：于所述步骤S6中，对所述键合片进行微波退火处理，所述微波的频率范围是1.5～20GHz，微波退火时间为5～60min。

8.根据权利要求7所述的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于：微波退火处理时，调节微波退火输出功率，使所述键合片表面温度在20～500℃。

9.根据权利要求1所述的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于：于所述步骤S6中，对所述键合片进行退火处理的方法为：采用热退火方法，首先将所述键合片在第一温度下退火第一时间以形成预键合，然后将所述键合片在第二温度下退火第二时间以加强键合并实现剥离；所述第二温度高于第一温度，所述第一时间小于第二时间。

10.根据权利要求9所述的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于：所述第一温度为200～400℃，所述第二温度为400～800℃。

11.根据权利要求1所述的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于：于所述步骤S5中，键合前对所述待转移层表面进行氮气等离子体处理。

12.根据权利要求1所述的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于：于所述步骤S6之后，还包括步骤S7：去除所述待转移层表面多余的掺杂单晶层及超晶格结构层。

13.根据权利要求12所述的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于：采用化学腐蚀法和/或抛光法去除所述待转移层表面多余的掺杂单晶层及超晶格结构层。

14.根据权利要求1所述的吸附剥离制备绝缘体上材料的方法，其特征在于：所述衬底包括Si、Ge或SiGe。