CN113192969B - 一种多层绝缘体上硅锗衬底及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多层绝缘体上硅锗衬底及其制备方法、应用。一种多层绝缘体上硅锗衬底，包括由下至上依次堆叠的背衬硅层、第一绝缘层、硅层；硅层上交替垂直堆叠n层第二绝缘层和n层硅锗层，并且靠近硅层的是所述第二绝缘层；所述硅锗的化学式为Si1‑xGex，0＜x＜0.5；其中，n为1以上的正整数；所述第二绝缘层设有使底部相邻层裸露的凹槽，所述硅锗层充满所述凹槽并且覆盖所述第二绝缘层的上表面。本发明可用于形成3D垂直堆叠全耗尽晶体管结构，有利于减小器件的短沟道效应(decrease short channel effect)，同时多层沟道结构有利于提升器件的开态电流(Improve Ion)，在小尺寸半导体器件的制备中有望得到应用。

Description

一种多层绝缘体上硅锗衬底及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种多层绝缘体上硅锗衬底及其制备方法、应用。
背景技术
半导体器件特征尺寸不断缩小，现在的工艺技术研发节点已到达3nm及以下。小尺寸下，器件的短沟道效应等严重影响器件的性能，在此情况下新材料、新器件结构、新的集成技术以及封装技术不断推出；目前已有的绝缘层上衬底主要是单层的，在实际的应用中，静电特性有所改善，但是性能提升有限，无法满足新技术的要求。
为此，特出本发明。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多层绝缘体上硅锗衬底，其可用于形成3D垂直堆叠全耗尽晶体管结构，有利于减小器件的短沟道效应(decrease short channel effect)，同时多层沟道结构有利于提升器件的开态电流(Improve Ion)，在小尺寸半导体器件的制备中有望得到应用。
本发明的另一目的在于提供上述多层绝缘体上硅锗衬底的制备方法，该方法流程简单，适于批量化生产，生产效率高。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。
一种多层绝缘体上硅锗衬底，包括由下至上依次堆叠的背衬硅层、第一绝缘层、硅层；
所述硅层上交替垂直堆叠n层第二绝缘层和n层硅锗层，并且靠近所述硅层的是所述第二绝缘层；所述硅锗的化学式为Si1-xGex，0＜x＜0.5；
其中，n为1以上的正整数；所述第二绝缘层设有使底部相邻层裸露的凹槽，所述硅锗层充满所述凹槽并且覆盖所述第二绝缘层的上表面。
一种多层绝缘体上硅锗衬底的制备方法，包括：
步骤a：提供绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括由下至上依次堆叠的背衬硅层、第一绝缘层、硅层；
步骤b：在所述硅层上形成第二绝缘层；
步骤c：在所述第二绝缘层上刻蚀出凹槽，所述凹槽使底部相邻层裸露；
步骤d：形成硅锗层，充满所述凹槽并且覆盖所述第二绝缘层的上表面；所述硅锗的化学式为Si1-xGex，0＜x＜0.5；
步骤e：重复所述步骤b至步骤d的过程n-1次，所述n为1以上的正整数。
与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
本发明在现有的绝缘体上硅(SOI)上增加了多层绝缘层和硅层的堆叠，并且绝缘层上设置凹槽实现硅层和硅锗层间的电连接；这种改进后的衬底用于制作3D垂直堆叠全耗尽晶体管结构时，具有多层沟道结构，有利于减小器件的短沟道效应，同时多层沟道结构有利于提升器件的开态电流，在小尺寸半导体器件的制备中有望得到应用。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明提供的SOI衬底示意图；
图2至图6本发明实施例提供的衬底制备方法中每步得到半导体结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
由于现有的衬底制作成全耗尽型的晶体管对短沟道效应优化有限，并且开态电流不足以满足更小尺寸下的应用，为此，本发明提供了一种改进型的衬底，结构如下。
一种多层绝缘体上硅锗衬底，包括由下至上依次堆叠的背衬硅层、第一绝缘层、硅层；
所述硅层上交替垂直堆叠n层第二绝缘层和n层硅锗层，并且靠近所述硅层的是所述第二绝缘层；所述硅锗的化学式为Si1-xGex，0＜x＜0.5；
其中，n为1以上的正整数；所述第二绝缘层设有使底部相邻层裸露的凹槽，所述硅锗层充满所述凹槽并且覆盖所述第二绝缘层的上表面。
该衬底的特点是：具有3D堆叠结构，并且由绝缘层、硅层、绝缘层、硅锗层交替堆叠而成，除背衬硅层，其余硅层与硅锗层之间也都通过凹槽实现了电连接或接触。
这样的衬底用于制作3D垂直堆叠全耗尽晶体管结构有显著优势：能形成多层沟道结构，有利于减小器件的短沟道效应，同时多层沟道结构有利于提升器件的开态电流，在小尺寸半导体器件的制备中有望得到应用。
其中，第一绝缘层、第二绝缘层可以是氧化硅或者其他常用的电介质材料，并且二者可采用相同或不同材料。
为了提高衬底的电特性，第一绝缘层、硅层、第二绝缘层和硅锗层的厚度适宜保持在100nm以下，其中硅锗层的厚度指“覆盖所述第二绝缘层的上表面的厚度”。
本发明衬底包含的第二绝缘层、硅锗层的数量n是任意的，例如1～6或3～6等。
本发明上述衬底可采用如下方法制备而成。
第一步：提供绝缘体上硅衬底(SOI)，所述绝缘体上硅衬底包括由下至上依次堆叠的背衬硅层、第一绝缘层、硅层。
第一绝缘层即为传统的埋氧层，一些优选的实施方式中要求第一绝缘层的厚度在100nm以下；硅层即为传统SOI中的顶层硅，一些优选的实施方式中要求硅层的厚度在100nm以下，若过厚，可预先减薄，减薄不限制手段，可采用干法或湿法原子层刻蚀ALE、干法和湿法结合等。这一步所用的SOI可以从市场上直接购买或自行制备。
第二步：在所述硅层上形成第二绝缘层。
一些优选的实施方式中要求第二绝缘层的厚度在100nm以下；可直接形成要求厚度的材料，或者先过量沉积然后减薄。第二绝缘层的形成方法不限，例如采用典型的APCVD、UHVCVD、LPCVD、RTCVD、PECVD或氧化生长等，并且减薄不限制手段，可采用干法或湿法原子层刻蚀ALE、干法和湿法结合等。
第三步：在所述第二绝缘层上刻蚀出凹槽，所述凹槽使底部相邻层裸露。
该凹槽的主要目的是实现硅层与硅锗层间或者不同硅锗层之间的接触，其刻蚀手段不限，例如湿法腐蚀、干法刻蚀、原子层腐蚀(ALE)(干法或湿法)、气体氧化+湿法腐蚀等。凹槽的具体结构及排布是任意的。刻蚀时也可能发生过刻蚀，牺牲掉部分底部的硅，这样对衬底性能无显著影响，可在下一步补充硅。
第四步：形成硅锗层，充满所述凹槽并且覆盖所述第二绝缘层的上表面，并且所述硅锗的化学式为Si1-xGex，0＜x＜0.5。
一些优选的实施方式中要求硅锗层的厚度在100nm以下；可直接形成要求厚度的材料，或者先过量沉积然后减薄。硅锗层的形成方法优选选择性外延生长等，并且减薄不限制手段，可采用干法或湿法原子层刻蚀ALE、干法和湿法结合等。另外，在形成锗硅层之后还可以任选手段进行表面平滑处理，可以是CMP。
第五步：重复所述第二步至第四步的过程n-1次，所述n为1以上的正整数。
重复时工艺条件的要求同上。
下文以n＝1为例介绍一个具体实施例。
提供如图1所示的SOI衬底，该衬底包括由下至上依次堆叠的背衬硅层1、第一绝缘层2、硅层3，第一绝缘层2的厚度在100nm以下。
对硅层3减薄，厚度控制在100nm以下，得到图2所示的结构。
然后在所述硅层3上形成第二绝缘层4，对其减薄，厚度控制在100nm以下，得到图3所示的结构。
接下来在第二绝缘层4上刻蚀凹槽5，凹槽使硅层3的部分表面裸露，得到图4所示的结构。
然后选择性外延生长硅锗层6，充满所述凹槽并且覆盖所述第二绝缘层4的上表面，得到图5所示的结构，还可以任选手段进行表面平滑处理，可以是CMP。
最后对硅锗层6减薄，厚度控制在100nm以下，得到最终的衬底，如图6所示。
若n在2以上时，则重复上述第二绝缘层和硅锗层的形成过程即可。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种多层绝缘体上硅锗衬底，其特征在于，包括由下至上依次堆叠的背衬硅层、第一绝缘层、硅层；
所述硅层上交替垂直堆叠n层第二绝缘层和n层硅锗层，并且靠近所述硅层的是所述第二绝缘层；所述硅锗的化学式为Si1-xGex，0＜x＜0.5；
其中，n为1以上的正整数；所述第二绝缘层设有使底部相邻层裸露的凹槽，所述硅锗层充满所述凹槽并且覆盖所述第二绝缘层的上表面。
2.根据权利要求1所述的多层绝缘体上硅锗衬底，其特征在于，所述第一绝缘层和硅层的厚度均在100nm以下。
3.根据权利要求2所述的多层绝缘体上硅锗衬底，其特征在于，所述第二绝缘层的厚度在100nm以下；所述硅锗层覆盖所述第二绝缘层的上表面的厚度在100nm以下。
4.根据权利要求1-3任一项所述的多层绝缘体上硅锗衬底，其特征在于，所述第一绝缘层和第二绝缘层均为氧化硅。
5.一种多层绝缘体上硅锗衬底的制备方法，其特征在于，包括：
步骤a：提供绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括由下至上依次堆叠的背衬硅层、第一绝缘层、硅层；
步骤b：在所述硅层上形成第二绝缘层；
步骤c：在所述第二绝缘层上刻蚀出凹槽，所述凹槽使底部相邻层裸露；
步骤d：形成硅锗层，充满所述凹槽并且覆盖所述第二绝缘层的上表面；所述硅锗的化学式为Si1-xGex，0＜x＜0.5；
步骤e：重复所述步骤b至步骤d的过程n-1次，所述n为1以上的正整数。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一绝缘层在100nm以下，并且在所述步骤b之前还将硅层减薄至厚度在100nm以下。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b还包括：对所述第二绝缘层减薄至厚度在100nm以下；
所述步骤d还包括：对硅锗层减薄至覆盖所述第二绝缘层的上表面的厚度在100nm以下。
8.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法，其特征在于，选择性外延生长形成所述硅锗层。
9.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一绝缘层和第二绝缘层均为氧化硅。
10.权利要求1-4任一项所述的多层绝缘体上硅锗衬底用于制作全耗尽型晶体管的方法。
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