CN1172376C - 一种类似绝缘层上硅结构的材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种类似绝缘层上硅结构的材料及制备方法。其特征在于它具有Si/Si1-XGeX/SiO2/Si或Si1-XGeX/SiO2/Si的Si1-XGeX-OI结构，前者Ge组分恒定，一般小于30%；后者由递变Ge组分的Si1-XGeX缓冲层和Ge组分固定的Si1-XGeX层组成一种以外延和离子注入和键合技术，并利用特定的热处理工艺实现应变异质结结构的应变反转，从而得到高性能异质结MOSFET、MODFET等器件所需要的双轴张应变Si层。先在处理后的单晶Si衬底上外延一层Si1-XGeX薄层，注入H+离子或He+离子，注入能量为10keV～1MeV，剂量为1016～1017/cm2，形成气泡空腔层，利用键合工艺将另一片衬底材料于氧化硅片键合，在300～600℃下热处理，是键合片从气泡层处裂开，最后在800～1000℃、N2或Ar气氛中退火，加强键合，具有工艺简单、重复性和均匀性好的特点，且与常规硅集成电路工艺兼容。
Description
技术领域
本发明涉及一种类似绝缘层上硅结构的材料(Si1-xGex-On-Insulator，Si1-xGex-OI结构材料)及制备方法，更明确地说，本发明是一种利用外延、离子注入和键合技术来得到新型类似SOI结构材料的方法，并利用特定的热处理工艺实现应变异质结结构的应变反转，从而得到高性能异质结MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)、MODFET(调制掺杂场效应管)等器件所需要的双轴张应变Si层结构。系采用薄膜外延工艺在单晶硅衬底上生长一层高质量的单晶异质薄膜，如Si1-xGex层，再利用离子注入在Si1-xGex层中形成气泡空腔层，然后键合到另一片材料上，一般为含有氧化层的硅衬底，结合热处理使键合片从气泡空腔层处裂开，从而形成类似于SOI(Silicon OnInsulator)结构的材料，如Si/Si1-xGex/SiO2/Si或Si1-xGex/SiO2/Si结构。属于SOI材料及制备领域。
背景技术
新型SOI结构材料在微电子领域有着广阔的应用前景，当上层单晶层的晶格常数比单晶硅的晶格常数稍大的时候，再在此材料上外延的单晶Si层或者是剥离时随同异质结单晶层一同转移过来的Si层，具有双轴张应变。许多文献【如K.Ismail，S.F.Nelson，J.O.Chu，and B.S.Meyerson，Appl.Phys.Lett.63，660(1990)等】报道张应变的Si层中电子和空穴的迁移率有显著提高，因而这种应变Si结构的器件如MOSFET、MODFET在高速器件领域有着广阔的应用前景。一般采用的大晶格常数异质晶体材料是Si1-xGex，因为Ge与Si的晶格常数相差约4.2％，通过控制Si1-xGex层中的Ge组分可以调节晶格失配的程度，因而自由度较大。而且，Si1-xGex材料在工艺上与传统的Si集成工艺相兼容。
为了将应变Si结构与现代的大规模集成电路相集成，无应变或低应变Si1-xGex缓冲层衬底材料的制备尤其重要。Si1-xGex-OI结构就是一种很好的选择，它不仅可以形成张应变Si层的缓冲材料，而且利用其制造的器件具有SOI器件的优点，实现了器件有源区与衬底的隔离，减小了器件的寄生效应，因而在百纳米级高速、低功耗、抗辐照微电子器件领域应用前景广阔。光电子方面，Si1-xGex材料能带的可调性和/Si1-xGex SiO2界面的高发射率为此材料在光电子器件上的应用提供了基础。本方法工艺简单，并且利用发展较为成熟的外延和离子注入工艺。由于采用H、He离子注入，注入的损伤小，Si1-xGex层可以保持高质量的晶体结构。且重复性和均匀性好，与常规的硅集成电路工艺兼容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种类似绝缘层上硅结构的材料及制备方法。它是利用外延、离子注入和键合技术获得类似SOI结构的材料和方法。
具体地说，本发明利用外延、离子注入技术和键合技术相结合，形成类SOI结构的方法是：单晶硅抛光片，经严格的常规集成电路工艺清洗，去除表明自然氧化层后，利用分子束外延(MBE)或超高真空化学气相淀积(UHVCVD)等高质量薄膜生长系统在硅片上生长Si1-xGex薄层。也可以先外延生长一层薄Si层，如5nm，然后再生长Si1-xGex层。生长Si1-xGex时，可以直接生长一厚度在临界厚度以下的Si1-xGex层，Ge组分从外延一开始就一直保持恒定，为最终所需要的值，一般小于30％，厚度几十纳米到几百纳米；也可以先生长Ge组分递变的Si1-xGex缓冲层，然后再生长Ge组分固定的Si1-xGex层，理论上Ge组分可以是0～100％之间的任意值，具体视器件应用的需要而定，并选择生长厚度，这种结构一般厚度从几百纳米到几个微米。但通常Ge的含量为10％～90％为宜，外延温度在400～700℃。生长时，可以进行一定的掺杂，也可以生长本征层。然后利用离子注入机向外延的Si1-xGex片中注入H+、He+离子或者同时注入H+、He+两种离子，形成气泡空腔层，注入能量为10keV～1MeV(具体视注入的深度需要而定)，注入剂量为1016～1017/cm2量级。根据应用领域的不同，H+、He+离子注入深度可以在Si1-xGex层中，也可以在Si1-xGex/Si异质结的附近，或者是在衬底Si材料中。注入后利用键合工艺将另一片衬底材料片Si1-xGex与片键合在一起。另一片衬底片可以是表层含有氧化层的Si单晶片，也可以是金刚石、蓝宝石等衬底材料；键合前可以根据需要对材料进行亲水处理；键合时可以是常压下，也可以是在真空中进行。接着在300～600℃下进行热处理，使键合片从气泡层处裂开。最后在氮气、氩气或其他具有退火保护性能的气氛下进行处理，温度为800～1000℃，退火时间为30分钟到数十小时不等，以加强键合强度，同时改变Si1-xGex层的应变状态。即Si/Si1-xGex应变状态发生反转，原来的无应变Si/压应变Si1-xGex结构变成了张应变Si/无压应变或低压应变Si1-xGex结构。若转移层含有Si层，则可以实现Si1-xGex/Si异质结应变得反转。需要实现多层Si1-xGex、多层SiO2结构的只需要重复上述步骤，直至达到需要的层数。
图1列出了本发明提供的制备方法的工艺流程示意图。
图示的流程只是两种典型的流程，实际上没有缓冲层的也可以通过调节注入深度来得到不同结构；采用缓冲层的也不一定采用递变Ge组分的Si1-xGex缓冲层，还可以采用多孔硅、低温生长的Si等作为缓冲层，当需要最后形成的结构中含有硅层时，可以在缓冲层上先生长需要的硅层，然后再生长Si1-xGex层，也可以等到Si1-xGex-OI结构形成并抛光表面后，继续在Si1-xGex-OI结构上生长需要的Si层。
本方法工艺简单，重复性和均匀性好，且利用发展较为成熟的外延、离子注入工艺，可与常规的硅集成电路工艺兼容，所以是一种很有发展前途的制备方法。
附图说明
图1是工艺流程示意图。
左侧是外延Si1-xGex时直接外延固定Ge组分的Si1-xGex层，厚度较薄，约为几十纳米到几百纳米。右侧是先外延递变Ge组分的Si1-xGex缓冲层，然后再生长Ge组分固定的Si1-xGex层，厚度可以较厚，为几百纳米到几个微米。图中1是硅衬底，2是Ge组分固定的Si1-xGex层，3是外延Ge组分递变的Si1-xGex缓冲层，4是注H+或He+或H+、He+共注入时产生的气泡空腔层，5是另一片衬底片，6是5衬底片表面的氧化层，7是经H+注入的衬底Si。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的可行性进行说明，但不限制本发明的内容：
实施例1
单晶硅上采用MBE外延生长一厚度5nm的单晶硅薄膜，然后外延厚度为100nm、Ge组分恒定为15％的Si1-xGex层，生长温度为550℃，以10keV得能量向硅片中注入剂量为6×1017/cm2的H+离子，使注入的H分布在硅衬底中，注入时衬底温度保持常温。将注入片与另一片表层含有氧化层的硅衬底片键合在一起，然后在600℃下处理30分钟，使键合片从气泡处裂开。在800℃、N2氛围中处理2小时，以增加键合强度，并实现Si1-xGex/Si异质结的应变反转。得到Si/Si1-xGex/SiO2/Si结构材料。最后经过化学机械抛光(CMP)提高所形成的结构的表面平整度。可用于制作高速MOSFET、MODFET等微电子器件。
实施例2
采用UHVCVD首先在单晶硅衬底上生长Ge组分从0％到20％渐变的缓Si1-xGex冲层，厚度为2微米，然后生长Ge组分固定为20％、厚度500纳米的Si1-xGex层，整个Si1-xGex层生长温度为600℃。以50keV的能量向Si1-xGex中注入剂量为5×1016/cm2的He+离子，注入离子分布在顶层Si1-xGex层内，注入时衬底保持常温。将注入片与另一片含有热氧化层的硅片键合在一起，然后在550℃下处理30分钟，使键合片从气泡层处裂开。在900℃，Ar+5％O2的气氛中退火5小时。经必要的表面处理后，得到Si1-xGex/SiO2/Si结构材料。可用做光波导、光探测器等器件的制备材料，也可以在此结构上生长Si，形成Si/Si1-xGex/SiO2/Si结构材料。
实施例3
单晶硅上采用MBE外延厚度为120nm、Ge组分恒定为15％的Si1-xGex层，生长温度为500℃，以12keV的能量向硅衬底中注入剂量为6×1017/cm2的H+离子，使注入的H分布在硅衬底中，注入时衬底温度保持常温。将注入片与另一片金刚石衬底片键合在一起，然后在600℃下处理30分钟，使键合片从气泡层出裂开。在800℃、N2氛围中处理2小时，以增加键合强度。形成Si/Si1-xGex/金刚石结构的材料。最后经过化学机械抛光(CMP)提高所形成的结构的表面平整度。可用于制作高速MOSFET、MODFET等微电子器件。
实施例4
重复实施例2的步骤5次，可以得到5层Si1-xGex、5层SiO2相间的结构。为提高键合质量，在每次键合之前可以先进行抛光操作。
实施例5
在单晶硅衬底上通过阳极氧化的方法制备多孔硅层作为缓冲层，厚度为1微米，然后生长Ge组分固定为20％的Si1-xGex层，厚度400nm，其余工艺同实施例2形成类似绝缘层上硅结构的材料。
实施例6
按例2生长Ge组分从0-30％渐变的缓Si1-xGex冲层后，先生长Si层，厚度为50nm，然后再生长Ge组分固定为30％的Si1-xGex层，其余工艺同实施例2，形成类似绝缘层上硅结构的材料。
Claims (8)
1.一种类似绝缘层上硅结构的材料，其特征在于它具有张应变Si/无压应变或低压应变Si1-XGeX/SiO2/Si的Si1-XGeX-OI结构。
2.按权利要求1所述的类似绝缘层上硅结构的材料，其特征在于所述的张应变Si/无压应变或低压应变Si1-XGeX/SiO2/Si结构中，Si1-XGeX层由渐变Ge组分的Si1-XGeX缓冲层和Ge组分固定的Si1-XGeX组成，其中缓冲层渐变的Ge组分变化范围0-100％，组分固定的Si1-XGeX中Ge小于30％，Si1-XGeX层总厚度为几百纳米到几微米。
3.按权利要求3所述的类似绝缘层上硅结构的材料，其特征在于所述的缓冲层或是多孔硅层、低温生长的Si、Si1-XGeX层。
4.按权利要求1、2或3所述的类SOI结构的材料，其特征在于含多层Si1-XGeX和多层SiO2结构，表达为张应变Si/无压应变或低压应变Si1-XGeX/SiO2/Si多层结构。
5.按权利要求1所述的类似绝缘层上硅结构的材料的制备方法，利用外延、离子注入技术和键合技术相结合，具体过程包括：
(1)在处理后的单晶硅衬底上外延一层Si1-XGeX薄层，或先外延一层单晶Si薄层，然后再外延Si1-XGeX单晶层；
(2)利用离子注入机向外延了Si1-XGeX层的Si片中注入H或He离子，注入能量为10keV～1MeV，注入剂量为1016～1017/cm2，形成气泡空腔层；
(3)注入后利用键合工艺将另一片衬底材料片与Si1-XGeX片键合在一起，接着在300～600℃温度下进行热处理，使键合片从气泡层处裂开；
其特征在于最后在N2、Ar或其他具有保护性能的气氛中进行处理，温度为800～1000℃，退火时间为0.5小时到数小时，以加强键合强度，Si1-XGeX应变状态发生反转。
6.按权利要求5所述的类SOI结构材料的制备方法，其特征在于所述单晶硅上外延生长Si1-XGeX薄膜采用分子束外延或超高真空化学气相淀积薄膜生长技术，生长温度500～700℃，厚度视Ge组分和应用需要而定。
7.按权利要求5所述的类SOI结构材料的制备方法，其特征在于所述的离子注入的注入深度在Si1-XGeX层内，或在Si1-XGeX/Si异质结的附近，或者是穿过Si1-XGeX层注入到衬底硅中。
8.按权利要求5所述的类SOI结构材料的制备方法，其特征在于所述的，另一衬底材料或为硅衬底，或为金刚石，或为蓝宝石衬底材料；或在常压下键合，或在真空中键合。
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Legal Events
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Effective date of registration: 20080404 Address after: No. 200, Pratt & Whitney Road, Shanghai, Jiading District Patentee after: Shanghai Xin'ao Science and Technology Co., Ltd. Address before: No. 865, Changning Road, Shanghai, Changning District Patentee before: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences |
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Owner name: SHANGHAI SIMGUI SCIENCE AND TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER NAME: PROUD OF THE NEW SHANGHAI TECHNOLOGY CO. |
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