CN106449369A - 绝缘体上半导体结构以及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绝缘体上半导体结构以及制备方法。该方法包括：(1)在基底的上表面依次形成磷化物过渡层和磷化物半导体层，以便获得第一复合体；(2)对所述第一复合体进行离子注入处理，所述注入的离子中含氢离子；(3)将所述第一复合体与衬底进行键合处理，以便获得第二复合体，其中，所述衬底的上表面具有绝缘层，并且所述键合处理中所述绝缘层与所述磷化物半导体层接触；以及(4)对所述第二复合体进行剥离处理，以便分别获得第三复合体和所述缘层上半导体结构。该方法操作步骤简单，对仪器设备要求较低，并且可以避免利用磷化物晶片进行制备时，由于晶片尺寸过小而对绝缘体上半导体结构造成的限制。

Description

绝缘体上半导体结构以及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术以及半导体制造领域，具体而言，本发明涉及绝缘体上半导体结构以及制备方法。
背景技术
随着半导体技术的发展，金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的特征尺寸不断缩小，其工作速度也不断提高。然而，基于“摩尔定律”(Moore’s law)的硅集成电路已快速发展数十年，对于基于Si材料本身而言，目前的MOSFET器件已经接近于物理与技术的双重极限。因而，为了进一步提升MOSFET器件和电路的性能，本领域技术人员提出了各种提升MOSFET器件性能的方法。例如，将III-V族磷化物半导体材料，与具有SiO2绝缘层的Si片直接键合形成绝缘体上半导体(Semiconductor-on-insulator)结构就是一种具有高电子迁移率的半导体材料，同时磷化物半导体材料具有很好的电致发光效率，可以用于发光器件或光互联，具有很好的应用前景。例如，InP材料与具有SiO2绝缘层的Si片键合，可以形成InPOI(InP-on-insulator)结构。该结构不仅具有很高的电子迁移率，也具有很好的发光性能，还使得InP等材料可以避免由于不易与Si晶片集成在一起，而无法应用于Si基MOSFET元件和电路的限制。
然而，目前的绝缘体上半导体结构及其制备方法仍有待改进。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识而做出的：
现有的绝缘体上半导体制备技术是智能剥离(Smart-cut)技术，即先向III-V族磷化物半导体晶片中注入氢离子，然后将III-V族磷化物半导体晶片与具有SiO2等绝缘氧化物表层的Si片直接键合，再利用高温退火实现剥离，形成绝缘体上半导体结构。然而，目前的III-V族磷化物半导体晶片的晶片直径不大。例如，现有的可售InP抛光片直径大约在2英寸，因此利用上述智能剥离技术难以获得更大直径(例如8-12英寸)的绝缘体上半导体结构，而目前主流Si片直径为8-12英寸，因此制备的绝缘体上半导体结构难以直接替代Si基半导体结构用于MOSFET器件。并且，上述智能剥离技术不易获得磷化物层很薄(小于100nm)的绝缘体上半导体结构，而先进的器件结构往往要求绝缘体上半导体薄膜中的磷化物薄膜厚度要低于100nm以下。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备绝缘体上半导体结构的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)在基底的上表面依次形成磷化物过渡层和磷化物半导体层，以便获得第一复合体；(2)对所述第一复合体进行离子注入处理，所述注入的离子中含氢离子；(3)将所述第一复合体与衬底进行键合处理，以便获得第二复合体，其中，所述衬底的上表面具有绝缘层，并且所述键合处理中所述绝缘层与所述磷化物半导体层接触；以及(4)对所述第二复合体进行剥离处理，以便分别获得第三复合体和所述绝缘体上半导体结构。该方法操作步骤简单，对仪器设备要求较低，并且可以避免利用磷化物晶片进行制备时，由于晶片尺寸过小而对绝缘体上半导体结构的尺寸造成限制。
根据本发明的实施例，所述磷化物过渡层和所述磷化物半导体层分别独立地由III-V族磷化物半导体材料形成的。
根据本发明的实施例，所述III-V族磷化物半导体材料为MP，其中，所述M为Ga、In、以及Al的至少之一。
根据本发明的实施例，所述III-V族磷化物半导体材料为GaP、InP、AlP、InxGa1-xP、AlyGa1-yP、InzAl1-zP以及InmAlnGa1-m-nP的至少之一，其中，x、y、z、m以及n分别独立地大于0且小于1。
根据本发明的实施例，所述磷化物半导体层以及所述磷化物过渡层分别独立地通过外延生长形成。由此，可以进一步提高形成的磷化物半导体层的质量。
根据本发明的实施例，在步骤(1)中，形成所述磷化物过渡层之前，预先在所述基底的上表面形成基底过渡层。磷化物半导体层与基底过渡层之间具有更加优质的界面状态，基底过渡层可以起到降低异质外延时的缺陷密度，阻碍基底元素(如Si)向表面扩散而进入磷化物过渡层，从而可以进一步提高最终形成的绝缘体上半导体结构的质量。
根据本发明的实施例，所述基底过渡层的厚度不小于1微米。由此，可以进一步提高基底过渡层的质量。
根据本发明的实施例，在步骤(1)中，形成所述磷化物半导体层之前，预先在所述磷化物过渡层的上表面形成离子吸附层。由此，可以利用离子吸附层提高对注入的氢离子的吸附以及聚集能力，从而有利于降低剥离处理所需要的氢离子的注入剂量。
根据本发明的实施例，所述离子吸附层包括前面所述的III-V族磷化物半导体材料，所述离子吸附层中的所述III-V族磷化物半导体材料与所述磷化物过渡层和所述磷化物半导体层中的所述III-V族磷化物半导体材料具有不同的晶格常数。由此，可以进一步提高离子吸附层对注入的氢离子的吸附以及聚集能力。
根据本发明的实施例，所述离子吸附层的厚度为2-50nm。
根据本发明的实施例，在步骤(4)中，所述剥离处理是在所述离子吸附层中进行的。
根据本发明的实施例，所述衬底与所述基底分别独立地是由硅形成的。
根据本发明的实施例，在步骤(1)中进一步包括：在所述磷化物半导体层上表面形成第一钝化层。由此，可以进一步改善磷化物半导体层与绝缘层(氧化物)之间的界面状态。
根据本发明的实施例，进一步包括：在所述绝缘体上半导体结构上表面形成第二钝化层。由此，可以进一步提高绝缘体上半导体结构的性能。
根据本发明的实施例，所述离子注入处理的注入剂量为：0.5×1016/cm2～1×1017/cm2。本发明所提出的方法可以在上述注入剂量下实现剥离处理，较现有的智能剥离技术有较大的降低，从而有利于降低生产成本。
根据本发明的实施例，所述离子注入处理时，所述第一复合体的温度为200-600摄氏度。由此，有利于进一步降低注入剂量。
根据本发明的实施例，在所述绝缘体上半导体结构中，所述磷化物半导体层的厚度小于100nm。由此，有利于进一步提高绝缘体上半导体结构的性能。
根据本发明的实施例，在步骤(1)之后，步骤(2)之前，预先对所述第一复合体的上表面进行抛光处理和/或退火处理。由此，有利于获得平坦的上表面，从而可以改善后续键合处理的键合质量。
根据本发明的实施例，所述退火处理是在含氢气气氛中以及1000～1300摄氏度的条件下进行的。由此，可以提高退火处理的效果。
根据本发明的实施例，所述剥离处理包括温度为200-800摄氏度的退火。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：，在步骤(4)之后，对获得的所述绝缘体上半导体结构表面进行抛光处理和/或退火处理。由此，可以进一步提高获得的绝缘体上半导体结构的表面平整度。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：将所述第三复合体回收利用，返回至步骤(2)中进行离子注入处理。由此，可以对第三复合体进行反复利用，一方面可以节省生产成本，另一方面可以提高生产效率，缩短生产时间。
根据本发明的实施例，在将所述第三复合体返回至步骤(2)之前，预先对所述第三复合体进行下列处理：对所述第三复合体的上表面进行抛光处理和/或退火处理；和在所述第三复合体的上表面形成所述磷化物半导体层。由此，可以进一步提高对第三复合体进行重复利用的效果。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种绝缘体上半导体结构。根据本发明的实施例，所述绝缘体上半导体结构是由前面所述的方法形成的。由此，该绝缘体上半导体结构具有前面描述的方法获得的绝缘体上半导体结构所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，所述绝缘体上半导体结构中所述磷化物半导体层的直径不小于6英寸。由于该绝缘体上半导体结构是利用前面所述的方法形成的，因此，该绝缘体上半导体结构中，磷化物半导体层的尺寸可以不受磷化物晶片尺寸的限制。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的制备绝缘体上半导体结构的方法的流程示意图；
图2是根据本发明另一个实施例的制备绝缘体上半导体结构的方法的流程示意图；
图3是根据本发明又一个实施例的制备绝缘体上半导体结构的方法的流程示意图；
图4是根据本发明又一个实施例的制备绝缘体上半导体结构的方法的流程示意图；
图5是根据本发明又一个实施例的制备绝缘体上半导体结构的方法的流程示意图；
图6是根据本发明一个实施例的绝缘体上半导体结构的结构示意图；以及
图7是根据本发明另一个实施例的绝缘体上半导体结构的结构示意图。
附图说明：
1000：第一复合体；2000：第二复合体；3000：第三复合体；4000：绝缘体上半导体结构；
100：基底；200：磷化物过渡层；300：磷化物半导体层；400：离子吸附层；500：衬底；600：绝缘层；
700：绝缘体上半导体结构中的磷化物半导体层；800：第三复合体中剩余磷化物半导体层；10：基底过渡层；20：第一钝化层；30：第二钝化层；1A：绝缘体上半导体结构中残留离子吸附层；1B：第三复合体中剩余离子吸附层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，术语“绝缘体上半导体结构”特指绝缘层上表面具有III-V族磷化物半导体材料的结构(Semiconductor on insulator)。该绝缘体上半导体结构包括III-V族磷化物半导体材料、绝缘层以及衬底。也即是说，当III-V族磷化物半导体材料为GaP时，绝缘体上半导体结构为GaPOI结构；当III-V族磷化物半导体材料为InP时，绝缘体上半导体结构为InPOI结构；当III-V族磷化物半导体材料为AlP时，绝缘体上半导体结构为AlPOI结构。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备绝缘体上半导体结构的方法。根据本发明的实施例，参考图1，该方法包括：
S1：形成第一复合体
根据本发明的实施例，在该步骤中，在基底的上表面依次形成磷化物过渡层以及磷化物半导体层，以便获得第一复合体。根据本发明的实施例，磷化物过渡层以及磷化物半导体层是由III-V族磷化物半导体材料形成的。形成磷化物过渡层以及磷化物半导体层的材料分别独立地选自III-V族磷化物半导体材料，也即是说，磷化物过渡层以及磷化物半导体层的材料可以相同，也可以不相同。根据本发明的具体实施例，III-V族磷化物半导体材料可以为MP，其中，M为Ga、In、以及Al的至少之一。也即是说，III-V族磷化物半导体材料可以为GaP、InP或者AlP，也可以为由Ga、In、Al以及P构成的三元磷化物或是四元磷化物。当MP为三元或者四元磷化物时，构成三元磷化物或四元磷化物的多个IIIA族元素之和与P元素的原子比为1:1。例如，根据本发明的具体实施例，MP可以为GaP、InP或者AlP，也可以为InxGa1-xP、AlyGa1-yP或InzAl1-zP，或为InmAlnGa1-m-nP。其中，x、y、z、m以及n分别独立地大于0且小于1。根据本发明的具体实施例，基底可以为硅基底。磷化物过渡层可以起到减少基底中的Si向表面的扩散、缓解晶格失配以及减少缺陷等作用。根据本发明的具体实施例，磷化物过渡层可以为非应变的过渡层，其厚度可以为1-3微米。第一复合体中磷化物半导体层是间接形成在基底的上表面上的，因此磷化物半导体层的横向尺寸可以与基底的尺寸相等。磷化物半导体层在后续步骤中将为最终制备的绝缘体上半导体结构提供III-V族磷化物半导体材料，从而可以使得获得的绝缘体上半导体结构的尺寸不必受常规III-V族磷化物晶片尺寸较小的限制。
根据本发明的一些实施例，磷化物过渡层以及磷化物半导体层可以分别独立地通过外延生长形成。由此，可以进一步提高形成的磷化物过渡层以及磷化物半导体层的质量。外延可以是常规的金属有机物化学气相沉积技术(MOCVD)，或者分子束外延(MBE)等。外延生长技术可以较好的控制磷化物半导体层的质量以及厚度，且MOCVD外延生长技术成本较为低廉，所需的设备也较容易获得，有利于降低生产成本。
根据本发明的实施例，为了进一步提高基底以及磷化物半导体层之间的界面质量，可以在形成磷化物过渡层之前，预先在基底的上表面形成基底过渡层。根据本发明的实施例，基底过渡层可以包括锗过渡层以及砷化物过渡层的至少之一。也即是说，基底过渡层可以含有Ge以及砷化物的至少之一。例如，基底过渡层可以为锗过渡层或是GaAs过渡层，或者，基底过渡层还可以包括锗亚层以及GaAs亚层，其中锗亚层设置在基底的上表面，GaAs亚层设置在锗亚层的上表面。根据本发明的具体实施例，锗过渡层和砷化物过渡层的厚度可以为1微米以上。与硅相比，锗和砷化镓与磷化铟的晶格常数更接近，以锗和/砷化镓为基底过渡层可以起到降低过渡层中缺陷密度的作用。此外，具有锗的基底过渡层还可以起到阻碍基底元素(如Si)向磷化物过渡层扩散的作用。优化地，以锗为基底过渡层更容易控制过渡层与硅基底的界面质量，降低各过渡层和磷化物半导体层中的晶体缺陷密度。具体的，基底过渡层也可以是通过外延生长形成的。例如，可以利用低温外延生长形成基底过渡层。发明人经过大量实验发现，当采用Ge为基底过渡层时，温度低于450摄氏度的低温外延可以有效控制Si衬底和Ge之间的失配位错，由此，可以进一步提高形成的基底过渡层的质量，进而提高后续的磷化物半导体层外延质量。
根据本发明的实施例，该步骤中形成的基底过渡层、磷化物过渡层以及磷化物半导体层的具体厚度以及外延生长条件均不受特别限制，本领域技术人员可以根据最终需要形成的绝缘体上半导体结构的具体要求进行调节。发明人经过大量实验发现，适当增大基底过渡层的厚度，则有利于控制其表面的穿通位错，因而形成低穿通位错密度的基底过渡层。根据本发明的具体实施例，基底过渡层的厚度可以为1微米以上。
为了进一步提高该步骤中形成的第一复合体的质量，并提高最终获得的绝缘体上半导体结构的性能，根据本发明的实施例，在形成磷化物半导体层之前，还可以进一步包括：
预先在磷化物过渡层的上表面形成离子吸附层。也即是说，在磷化物过渡层以及磷化物半导体层之间，形成离子吸附层。具体的，离子吸附层可以为具有应变的磷化物材料形成的。根据本发明的具体实施例，离子吸附层可以为前面描述的III-V族磷化物半导体材料形成的，离子吸附层中的III-V族磷化物半导体材料与磷化物过渡层以及磷化物半导体层中的III-V族磷化物半导体材料具有不同的晶格常数。具体的，离子吸附层中的III-V族磷化物半导体材料可以为MP，其中，M为Ga、In、以及Al的至少之一。也即是说，离子吸附层可以为GaP、InP或者AlP形成的，也可以为由Ga、In、Al以及P构成的三元磷化物或是四元磷化物形成的。当MP为三元或者四元磷化物时，构成三元磷化物或四元磷化物中的多个IIIA族元素之和与P元素的原子比为1:1。例如，根据本发明的具体实施例，MP可以为GaP、InP、AlP、InxGa1-xP、AlyGa1-yP、InzAl1-zP以及InmAlnGa1-m-nP的至少之一，其中，x、y、z、m以及n分别独立地大于0且小于1。同时，离子吸附层与磷化物过渡层和磷化物半导体层的材料具有不同的晶格常数，以便在离子吸附层中引入应变。例如，当磷化物过渡层由InP形成时，离子吸附层可以为InxGa1-xP，而磷化物半导体层可以由InP形成，也可以由AlGaP或InpGa1-pP形成(x≠p)，亦即，离子吸附层与磷化物过渡层和磷化物半导体层可以采用不同元素组成的材料，也可采用相同元素组成的材料(但其中元素含量是不同的)。离子吸附层的厚度可以为2-50nm。根据本发明的另一些实施例，离子吸附层的厚度可以为10-30nm。发明人经过深入研究以及大量实验发现，由上述材料形成的离子吸附层对于氢离子具有较强的吸附和聚集功能。由于在后续步骤中，需要通过注入氢离子，实现剥离处理，由此，可以利用离子吸附层提高对注入的氢离子的吸附以及聚集能力，从而有利于降低剥离处理所需要的氢离子的注入剂量，有利于降低生产成本。另外，离子吸附层可以有效地控制后续剥离处理时剥离的位置，实现具有超薄磷化物半导体层厚度的绝缘体上半导体结构。常规的智能剥离技术中，磷化物剥离所需的离子注入剂量大(氢离子注入剂量大约需要5×1016/cm2～3×1017/cm2)，注入能量高(离子注入时，高的注入能量下容易获得大的离子束流，也容易获得大的注入剂量；相应地，为了获得高的注入剂量，往往需要高的注入能量，造成的注入深度也大)，离子注入的深度往往100nm以上，最终获得的磷化物半导体层厚度大于100nm。而在采用离子吸附层之后，剥离所需要的离子注入剂量下降(氢离子注入剂量可以下降到5×1016/cm2以下，甚至可以降到0.5×1016/cm2以下)，注入能量也可以降低，注入的氢离子聚集在离子吸附层中，第一复合体中磷化物半导体层的厚度与最终获得的绝缘体上半导体结构中磷化物半导体材料的薄膜厚度是一致的，因此可以容易获得磷化物半导体层厚度小于100nm的绝缘体上半导体结构。离子注入时，既可以采用常温离子注入，也可以采用高温离子注入，即离子注入时第一复合体的温度为200-600摄氏度。高温离子注入时，氢离子更容易扩散到离子吸附层中，增加氢离子在离子吸附层中的聚集程度，有利于降低离子注入的剂量，降低成本。
根据本发明的实施例，为进一步提高键合处理的效果，改善键合质量，在进行后续离子注入处理之前，还可以预先对第一复合体的上表面进行抛光处理和/或退火处理。由此，有利于获得平坦的上表面，从而可以改善键合质量。根据本发明的具体实施例，退火处理可以是在含氢气的气氛中，以及1000～1300摄氏度的条件下进行的。退火温度与磷化物半导体材料的组分相关，其中AlP所需要的温度最高，而InP所需要的温度最低。退火时，退火温度不能超过磷化物半导体层的熔点。氢气氛下高温退火(如1000～1300摄氏度)可以有效促进磷化物半导体材料的表面原子迁移，降低磷化物半导体层表面的粗糙度，改善键合质量。优选地，采用抛光工艺对第一复合体的上表面进行处理，以获得平坦表面。抛光之后，需要对第一复合体表面进行清洗，以获得清洁表面。
根据本发明的实施例，参考图5，为改善绝缘体上半导体结构中磷化物半导体层与绝缘层的界面质量，在进行后续离子注入处理之前，还可以预先在第一复合体1000的上表面形成第一钝化层20。由于在后续步骤中，需要将第一复合体1000中的磷化物半导体层300通过键合与绝缘层600接触，以形成绝缘体上半导体结构4000，但磷化物半导体层400与氧化物(绝缘层600)之间的界面质量往往不够理想。因此，可以利用第一钝化层20改善磷化物半导体层与绝缘层的界面质量，进而改善具有绝缘体上半导体结构的器件的电学性能。形成第一钝化层的材料可以根据实际情况进行选择，例如，根据本发明的具体实施例，当磷化物半导体层由InP、GaP、AlGaP、InGaP等材料构成时，第一钝化层20可以为硫化物或者Al2O3。第一钝化层的厚度可以为0.5-10nm。优化地，第一钝化层为0.5-2nm厚的硫化物。硫化物可以由磷化物表面经硫化处理形成，硫化处理可以用在含硫气氛中低温退火或在含硫离子的溶液中浸泡的工艺，而采用Al2O3作为第一钝化层时，可以由原子层沉积(ALD)等方法形成。
S2：离子注入处理
根据本发明的实施例，在该步骤中，对第一复合体进行离子注入处理，注入的离子中含氢离子。在该步骤中，进行离子注入的具体方法不受特别限制，本领域技术人员可根据实际情况，选择熟悉的方法或技术实现离子注入。离子注入时，既可以采用常温离子注入，也可以采用高温离子注入，即离子注入时第一复合体的温度为200-600摄氏度。根据本发明的具体实施例，注入的离子可以为H离子，也可以为H/He离子共注入，或者为H/Ar共注入。通过He或Ar离子与氢离子共注入，通过He或Ar可增加氢离子聚集形成氢气泡的压力，可降低氢离子的注入剂量。根据本发明的实施例，离子注入处理的注入剂量可以为0.5×1016/cm2～1×1017/cm2。该步骤中注入的离子将聚集在磷化物半导体层，从而可以在后续剥离处理步骤中，在磷化物半导体层中实现剥离，进而实现绝缘体上半导体结构的制备。如前所述，当第一复合体中具有离子吸附层时，由于离子吸附层对于H离子的吸附以及聚集作用，可以大幅降低离子注入处理的注入剂量，此时后续的剥离过程也将在离子吸附层中进行。根据本发明的具体实施例，在第一复合体中具有离子吸附层时，离子注入处理的注入剂量可以为0.5×1016/cm2～5×1016/cm2。本发明所提出的方法可以在上述注入剂量下实现剥离处理，较现有的智能剥离技术有较大的降低，从而有利于降低生产成本。
S3：形成第二复合体
根据本发明的实施例，在该步骤中，将经过离子注入处理的第一复合体与衬底进行键合处理，以便获得第二复合体。具体的，衬底的上表面具有绝缘层，并且键合处理中，绝缘层与磷化物半导体层接触。根据本发明的具体实施例，衬底可以为硅衬底，绝缘层可以为二氧化硅、氧化铪、氧化铝等。衬底以及绝缘层为最终形成的绝缘体上半导体结构中的衬底以及绝缘层，因此，本领域技术人员能够理解的是，在键合处理过程中，需要将前面形成的第一复合体倒置，使第一复合体上表面的磷化物半导体层与衬底的绝缘层键合在一起。键合处理的具体操作步骤以及键合条件不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。
S4：剥离处理
根据本发明的实施例，在该步骤中，对第二复合体进行剥离处理，以便分别获得第三复合体和绝缘体上半导体结构。具体的，剥离处理可以包括温度为200-800摄氏度的常规退火，或温度低于400摄氏度(例如，200-400摄氏度)的微波退火。温度越高，则注入离子形成气泡所需的时间越短。常规退火过程中，当采用He或Ar离子与氢离子共注入时，可以采用较低的退火温度(例如，200-600摄氏度)，而当仅有氢离子注入时，可以采用较高的退火温度(例如，600-800摄氏度)。在上述剥离处理过程中，预先注入的含氢的离子将在上述退火过程中形成气体，从而实现第二复合体的剥离。如前所述，在离子注入过程中，注入的离子将存在于磷化物半导体层或是离子吸附层中，因此，剥离处理也是在磷化物半导体层或者离子吸附层中进行的。具体地，上述剥离处理是在磷化物半导体层中，靠近磷化物半导体层以及磷化物过渡层之间的界面处发生的；或者，上述剥离处理是在离子吸附层中，靠近离子吸附层与磷化物半导体层之间的界面处发生的。由此，可以将第二复合体剥离分割为两部分。参考图3，剥离后的第二复合体2000被分割为：绝缘体上半导体结构4000(由衬底500、绝缘层600、以及绝缘体上半导体结构中的磷化物半导体层700形成)，以及第三复合体3000(由第三复合体中剩余磷化物半导体层800、磷化物过渡层200以及基底100形成)，根据本发明的一些实施例，当剥离在极靠近磷化物半导体层以及磷化物过渡层之间的界面处发生时，获得的第三复合体3000中可以不含有剩余磷化物半导体层800(图中未示出)。本领域技术人员能够理解的是，当第一复合体中含有基底过渡层以及离子吸附层时，参考图4，剥离处理之后形成的第三复合体3000由基底100、基底过渡层10、磷化物过渡层200以及第三复合体中剩余离子吸附层1B构成，形成的绝缘体上半导体结构4000表面有残留离子吸附层1A；同样，当第一复合体表面含有第一钝化层20时，参考图5，剥离之后形成的绝缘体上半导体结构4000由衬底500、绝缘层600、第一钝化层20、绝缘体上半导体结构中的磷化物半导体层700和表面的残余离子吸附层1A构成。
根据本发明的实施例，最终形成的绝缘体上半导体结构4000中的磷化物半导体层700(由第一复合体中的磷化物半导体层或是离子吸附层经剥离处理形成)的厚度小于100nm。根据本发明的具体实施例，当第一复合体中具有离子吸附层时，一方面可以利用离子吸附层实现对注入的氢离子的吸附以及聚集，另一方面，可以利用离子吸附层以及第一复合体的磷化物半导体层的界面处优先吸附H离子的特征，在离子吸附层中靠近该界面处实现剥离。由此，剥离后形成的绝缘体上半导体结构中磷化物半导体层的厚度，可以通过控制第一复合体中形成的磷化物半导体层的厚度控制。而第一复合体中的磷化物半导体层厚度可以通过外延生长进行控制，从而可以在第一复合体中的磷化物半导体层较薄时，剥离仍然在第一复合体的磷化物半导体层以及离子吸附层的界面处实现。而常规的Smart-cut工艺中，离子注入的深度最小在100nm以上，因此，Smart-cut工艺获得的绝缘体上半导体结构的磷化物半导体层的厚度最小大约为100nm。而本发明中，则可以获得磷化物半导体层厚度小于50nm甚至小于30nm的绝缘体上半导体结构。根据本发明的实施例，为了进一步提高获得的绝缘体上半导体结构的性能，还可以去除绝缘体上半导体薄膜表面残余的离子吸附层。
根据本发明的实施例，在形成绝缘体上半导体结构之后，还可以在绝缘体上半导体结构的磷化物半导体层的上表面形成第二钝化层。根据本发明的具体实施例，第二钝化层可以是硫化物，也可以是Al2O3，厚度为0.5-10nm。硫化物可以由磷化物表面经硫化处理形成，而采用Al2O3作为第二钝化层时，可以由原子层沉积(ALD)等方法形成。第二钝化层与第一钝化层可以采用相同的材料，也可以采用不同的材料。优化地，第二钝化层为0.5-2nm厚的硫化物薄膜。而且硫化物与氧化物绝缘层之间的界面性能明显优于GaP、InP或者AlP与氧化物绝缘层的界面性能。由此，可以进一步提高绝缘体上半导体结构的性能。根据本发明的实施例，当第一复合体中具有离子吸附层时，形成的绝缘体上半导体结构表面也具有残留的离子吸附层。在形成第二钝化层之前，该残留的离子吸附层可以除去，也可以不除去。最终形成的绝缘体上半导体结构如图6或图7所示。
根据本发明的实施例，该方法还可以进一步包括对获得的绝缘体上半导体薄膜表面进行抛光处理和/或退火处理。也即是说，可以对绝缘体上半导体结构进行抛光处理以及退火处理的至少之一。即：对绝缘体上半导体结构依次进行抛光处理和退火处理，或者对该绝缘体上半导体结构进行单独的抛光处理或者退火处理。由此，可以进一步提高获得的绝缘体上半导体结构的表面平整度。根据本发明的具体实施例，退火处理可以是在含氢气气氛中以及1000～1300摄氏度的条件下进行的，氢气氛下高温退火可以有效促进磷化物半导体层表面的原子迁移，降低磷化物半导体层表面的粗糙度，进而改善绝缘体上半导体结构的表面平整度。本领域技术人员能够理解的是，上述抛光处理和/或退火处理在改善绝缘体上半导体结构表面平整度的同时，还可以去除其表面残留的离子吸附层。因此，根据本发明的一个实施例，可以在形成第二钝化层30之前进行上述抛光处理和/或退火处理，以便形成如图7所示的绝缘体上半导体结构。
根据本发明的实施例，参考图2，该方法进一步包括：
第三复合体的回收利用
根据本发明的实施例，在剥离处理之后，除去绝缘体上半导体结构，还可以获得第三复合体。将第三复合体返回至步骤S2中进行离子注入处理，可以重新利用第三复合体中的剩余磷化物半导体层，从而避免了每生产一个绝缘体上半导体结构均需要制备一次第一复合体。如前所述，当第一复合体中无离子吸附层时，剥离处理是在磷化物半导体层中进行的。由此，剥离后形成的第三复合体表面残留有一部分磷化物半导体层。此时，第三复合体可以直接返回至离子注入处理的步骤中做为第一复合体使用，也可以在磷化物半导体层表面继续外延，加厚磷化物半导体层，再返回至离子注入处理的步骤中做为第一复合体使用；而当第一复合体中含有离子吸附层时，则剥离后形成的第三复合体的上表面为离子吸附层，此时可以直接在离子吸附层上表面重新形成磷化物半导体层，然后将其返回至离子注入处理步骤，做为第一复合体使用。由此，可以对第三复合体进行反复利用，一方面可以节省生产成本，另一方面仅需要一片基底、进行一次层的生长，即可获得多个绝缘体上半导体结构，从而可以提高生产效率，缩短生产时间。
根据本发明的具体实施例，在将所述第三复合体返回至离子注入处理之前，可以预先对第三复合体进行下列处理以便提后续处理的效率以及效果：
对第三复合体的上表面进行抛光处理和/或退火处理。根据本发明的具体实施例，退火处理可以是在含氢气气氛中以及1000～1300摄氏度的条件下进行的，氢气氛下高温退火可以有效促进表面原子迁移，降低磷化物半导体层表面的粗糙度。进行上述处理有利于获得较为平整的表面，从而可以提高后续键合处理的键合质量。
具体的，参考图3，上述方法可以首先通过包括但不限于外延生长等技术，在基底100的上表面形成磷化物半导体层200，做为第一复合体1000。对第一复合体1000进行离子注入处理；随后，提供上表面具有绝缘层600的衬底500(可以为上表面具有SiO2的Si衬底)，然后将衬底500以及第一复合体1000进行键合，使绝缘层600与磷化物半导体层300相接触，形成第二复合体2000；在后续的剥离处理中，第二复合体2000沿图中所示出的实现剥离边界发生剥离，形成绝缘体上半导体结构4000(包括衬底500、绝缘层600以及剥离形成的绝缘体上半导体结构中的磷化物半导体层700)，以及第三复合体3000。其中，第三复合体3000包括基底100、磷化物过渡层200以及第三复合体中剩余磷化物半导体层800。第三复合体3000返回离子注入步骤中进行处理，即可实现第三复合体的重复利用。本领域技术人员能够理解的是，当第三复合体3000表面的第三复合体中剩余磷化物半导体层800不足时，在进行离子注入之前，还需要在第三复合体3000的表面重新形成磷化物半导体层(图中未示出)。
根据本发明的另一些实施例，参考图4，上述方法也可以首先形成含有基底过渡层10以及离子吸附层400的第一复合体1000。对第一复合体1000进行离子注入处理；随后，提供上表面具有绝缘层600的衬底500，然后将衬底500以及第一复合体1000进行键合，使绝缘层600与磷化物半导体层300相接触，形成第二复合体2000；在后续的剥离处理中，第二复合体2000沿图中所示出的实现剥离边界(在离子吸附层300中)发生剥离，形成绝缘体上半导体结构4000(包括衬底500、绝缘层600、剥离形成的绝缘体上半导体结构中的磷化物半导体层700、以及残留离子吸附层1A)，以及第三复合体3000。其中，第三复合体3000包括基底100、基底过渡层10以及剩余离子吸附层1B。在第三复合体3000的表面重新形成磷化物半导体层后，即可将第三复合体3000返回离子注入步骤中进行处理，实现第三复合体的重复利用。
综上所述，该方法具有以下优点的至少之一：
(1)操作步骤简单、对仪器设备要求较低；
(2)可以在较小的离子注入剂量下实现剥离，有利于降低绝缘体上半导体结构的生产成本；
(3)可以避免利用磷化物半导体材料晶片进行制备对绝缘体上半导体结构的尺寸造成限制，获得大尺寸的绝缘体上半导体结构；
(4)通过离子吸附层的引入，可以实现制备50nm及以下厚度的磷化物半导体层的绝缘体上半导体结构的制备；
(5)实现对基底等结构的重复利用，有利于降低生产成本，缩短制备周期。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种绝缘体上半导体结构。根据本发明的实施例，该绝缘体上半导体结构是由前面所述的方法形成的。由此，该绝缘体上半导体结构具有前面描述的方法获得的绝缘体上半导体结构所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，该绝缘体上半导体结构中的磷化物半导体层的直径不小于6英寸。由于该绝缘体上半导体结构是利用前面所述的方法形成的，因此，该绝缘体上半导体结构中，磷化物半导体层的尺寸可以不受磷化物半导体材料晶片尺寸的限制，可以形成8-12英寸甚至更大尺寸的绝缘体上半导体结构。
本发明所提出的上述绝缘体上半导体结构可以用于制备诸如属-氧化物-半导体场效应晶体管等半导体器件。由此，可以使该金属-氧化物-半导体场效应晶体管具有性能优良、制备简便等优点的至少之一。
下面通过具体实施例对本发明进行说明，需要说明的是，下面的具体实施例仅仅是用于说明的目的，而不以任何方式限制本发明的范围，另外，如无特殊说明，则未具体记载条件或者步骤的方法均为常规方法，所采用的试剂和材料均可从商业途径获得。其中，磷化物外延生长设备使用为Aixtron公司生产的AIX 2800G4-TM型金属有机物化学气相沉积系统。
实施例一
(1)利用金属有机物化学气相沉积技术，三甲基镓(TMG)、三甲基铟和磷烷作为气源，以8英寸的硅抛光片为基底，首先外延形成InP磷化物过渡层，外延时基底温度为600摄氏度，形成约3微米厚的InP磷化物过渡层。再在同一设备内，降低温度至550摄氏度，形成约200nm的InP磷化物半导体层。再将晶片表面抛光清洗，以提高磷化铟表面的平整度，利于后续的键合。这样获得了第一复合体。
(2)对第一复合体进行氢离子注入，注入剂量为1×1017/cm2，注入深度为120nm。
(3)以另一片8英寸硅抛光片为衬底，经1000摄氏度热氧化在衬底表面形成10nm厚的SiO2绝缘层。将第一复合体与衬底键合，获得第二复合体(包含基底/InP磷化物过渡层/InP磷化物半导体层/SiO2绝缘层/Si衬底)。其中，SiO2绝缘层与InP磷化物半导体层相接触。
(4)在600摄氏度氮气氛下退火1小时，在氢离子注入的位置实现智能剥离，获得第三复合体(包含Si基底/InP磷化物过渡层/剩余InP磷化物半导体层)和绝缘体上半导体结构(包含Si衬底/SiO2绝缘层/InP磷化物半导体层)。对所获得的半导体结构抛光清洗，提高InP磷化物半导体层表面平整度。
实施例二
(1)利用减压化学气相沉积技术GeH4作为气源，以8英寸的硅抛光片为基底，首先外延形成由锗形成的基底过渡层，外延时基底温度先为400摄氏度30分钟，形成约30nm厚的Ge外延种子层并控制穿通位错密度，然后升高温度至750摄氏度，形成约1.5微米厚的锗过渡层(该过渡层含Ge外延种子层)。
(2)利用金属有机物化学气相沉积技术，三甲基镓(TMG)、三甲基铟和磷烷作为气源，在锗过渡层表面外延形成InP磷化物过渡层，外延时基底温度为600摄氏度，形成约1.5微米厚的InP磷化物过渡层。将晶片表面抛光清洗，以提高磷化铟表面的平整度，利于后续的键合。继续利用金属有机物化学气相沉积技术，升高温度至600摄氏度，形成约20nm厚的InGaP离子吸附层。再在同一设备内，温度降至550摄氏度，形成约50nm厚的InP磷化物半导体层。这样获得了第一复合体。
(3)对第一复合体进行氢离子注入，注入剂量为4×1016/cm2，注入深度为70nm。
(4)以另一片8英寸硅抛光片为衬底，经1000摄氏度热氧化在衬底表面形成10nm厚的SiO2绝缘层。将第一复合体与衬底键合，获得第二复合体(包含基底/锗过渡层/InP磷化物过渡层/InGaP离子吸附层/InP磷化物半导体层/SiO2绝缘层/Si衬底)。其中，SiO2绝缘层与InP磷化物半导体层相接触。
(5)在600摄氏度氮气氛下退火1小时，在InGaP离子吸附层中实现智能剥离，获得第三复合体(包含Si基底/锗过渡层/InP磷化物过渡层/部分InGaP离子吸附层)和绝缘体上半导体结构(包含Si衬底/SiO2绝缘层/InP磷化物半导体层/残余InGaP离子吸附层)。对所获得的绝缘体上半导体结构进行抛光清洗，去除残余离子吸附层，并提高InP磷化物半导体层表面平整度。
实施例三
步骤(1)和(2)同实施例二。
(3)将第一复合体在室温下的硫化氨水溶液中做硫化处理，形成约2nm厚的硫化物作为第一钝化层。这样获得了具有第一钝化层的第一复合体。
(4)对第一复合体进行氢离子注入，注入剂量为4×1016/cm2，注入深度为70nm。
(5)以另一片8英寸硅抛光片为衬底，经1000摄氏度热氧化在衬底表面形成10nm厚的SiO2绝缘层。将第一复合体与衬底键合，获得第二复合体(包含基底/锗过渡层/InP磷化物过渡层/InGaP离子吸附层/InP磷化物半导体层/第一钝化层/SiO2绝缘层/Si衬底)。其中，SiO2绝缘层与第一钝化层相接触。
(6)在300摄氏度下微波退火1小时，在InGaP离子吸附层中实现智能剥离，获得第三复合体(包含Si基底/锗过渡层/InP磷化物过渡层/部分InGaP离子吸附层)和绝缘体上半导体结构(包含Si衬底/SiO2绝缘层/第一钝化层/InP磷化物半导体层/残余InGaP离子吸附层)。对所获得的绝缘体上半导体结构进行抛光清洗，提高所获得的绝缘体上半导体结构表面平整度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (19)

1.一种制备绝缘体上半导体结构的方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)在基底的上表面依次形成磷化物过渡层和磷化物半导体层，以便获得第一复合体；
(2)对所述第一复合体进行离子注入处理，所述注入的离子中含氢离子；
(3)将所述第一复合体与衬底进行键合处理，以便获得第二复合体，其中，所述衬底的上表面具有绝缘层，并且所述键合处理中所述绝缘层与所述磷化物半导体层接触；以及
(4)对所述第二复合体进行剥离处理，以便分别获得第三复合体和所述绝缘体上半导体结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷化物过渡层和磷化物半导体层分别独立地由III-V族磷化物半导体材料形成的；
任选地，所述III-V族磷化物半导体材料为MP，其中，所述M为Ga、In、以及Al的至少之一；
任选地，所述III-V族磷化物半导体材料为GaP、InP、AlP、InxGa1-xP、AlyGa1-yP、InzAl1-zP以及InmAlnGa1-m-nP的至少之一，
其中，x、y、z、m以及n分别独立地大于0且小于1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷化物半导体层以及所述磷化物过渡层分别独立地通过外延生长形成。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，形成所述磷化物过渡层之前，预先在所述基底的上表面形成基底过渡层；
任选地，所述基底过渡层的厚度不小于1微米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，形成所述磷化物半导体层之前，预先在所述磷化物过渡层的上表面形成离子吸附层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述离子吸附层包括权利要求2所述的III-V族磷化物半导体材料，所述离子吸附层中的所述III-V族磷化物半导体材料与所述磷化物过渡层和所述磷化物半导体层中的所述III-V族磷化物半导体材料具有不同的晶格常数；
任选地，所述离子吸附层的厚度为2-50nm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述剥离处理是在所述离子吸附层中进行的。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底与所述基底分别独立地是由硅形成的。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：在步骤(1)中，在所述磷化物半导体层上表面形成第一钝化层；
任选地在所述绝缘体上半导体结构上表面形成第二钝化层。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子注入处理的注入剂量为：0.5×1016/cm2～1×1017/cm2。
11.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述离子注入处理时，所述第一复合体的温度为200-600摄氏度。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述绝缘体上半导体结构中，所述磷化物半导体层的厚度小于100nm。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)之后，步骤(2)之前，预先对所述第一复合体的上表面进行抛光处理和/或退火处理。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述退火处理是在含氢气气氛中以及1000～1300摄氏度的条件下进行的。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述剥离处理包括温度为200-800摄氏度的退火。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：在步骤(4)之后，对获得的所述绝缘体上半导体结构表面进行抛光处理和/或退火处理。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
将所述第三复合体回收利用，返回至步骤(2)中进行离子注入处理；
任选地，在将所述第三复合体返回至步骤(2)之前，预先对所述第三复合体进行下列处理：
对所述第三复合体的上表面进行抛光处理和/或退火处理；和
在所述第三复合体的上表面形成所述磷化物半导体层。
18.一种绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述绝缘体上半导体结构是由权利要求1～17任一项所述的方法形成的。
19.根据权利要求18所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述绝缘体上半导体结构中所述磷化物半导体层的直径不小于6英寸。
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