專利名稱：一種類似絕緣層上硅結(jié)構(gòu)的材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種類似絕緣層上硅結(jié)構(gòu)的材料(SiGe-On-Insulator，SiGe-OI結(jié)構(gòu)材料)及制備方法，更明確地說，本發(fā)明是一種利用外延、離子注入和鍵合技術(shù)來得到新型類似SOI結(jié)構(gòu)材料的方法，并利用特定的熱處理工藝實現(xiàn)應(yīng)變異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變反轉(zhuǎn)，從而得到高性能異質(zhì)結(jié)MOSFET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管)、MODFET(調(diào)制摻雜場效應(yīng)管)等器件所需要的雙軸張應(yīng)變Si層結(jié)構(gòu)。系采用薄膜外延工藝在單晶硅襯底上生長一層高質(zhì)量的單晶異質(zhì)薄膜，如SiGe層，再利用離子注入在SiGe層中形成氣泡空腔層，然后鍵合到另一片材料上，一般為含有氧化層的硅襯底，結(jié)合熱處理使鍵合片從氣泡空腔層處裂開，從而形成類似于SOI(Silicon On Insulator)結(jié)構(gòu)的材料，如Si/SiGe/SiO2/Si或SiGe/SiO2/Si結(jié)構(gòu)。屬于SOI材料及制備領(lǐng)域。
為了將應(yīng)變Si結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代的大規(guī)模集成電路相集成，無應(yīng)變或低應(yīng)變SiGe緩沖層襯底材料的制備尤其重要。SiGe-OI結(jié)構(gòu)就是一種很好的選擇，它不僅可以形成張應(yīng)變Si層的緩沖材料，而且利用其制造的器件具有SOI器件的優(yōu)點，實現(xiàn)了器件有源區(qū)與襯底的隔離，減小了器件的寄生效應(yīng)，因而在百納米級高速、低功耗、抗輻照微電子器件領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。光電子方面，SiGe材料能帶的可調(diào)性和SiGe/SiO2界面的高發(fā)射率為此材料在光電子器件上的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。本方法工藝簡單，并且利用發(fā)展較為成熟的外延和離子注入工藝。由于采用H、He離子注入，注入的損傷小，SiGe層可以保持高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)。且重復(fù)性和均勻性好，與常規(guī)的硅集成電路工藝兼容。
具體地說，本發(fā)明利用外延、離子注入技術(shù)和鍵合技術(shù)相結(jié)合，形成類SOI結(jié)構(gòu)的方法是單晶硅拋光片，經(jīng)嚴格的常規(guī)集成電路工藝清洗，去除表明自然氧化層后，利用分子束外延(MBE)或超高真空化學(xué)氣相淀積(UHVCVD)等高質(zhì)量薄膜生長系統(tǒng)在硅片上生長SiGe薄層。也可以先外延生長一層薄Si層，如5nm，然后再生長SiGe層。生長SiGe時，可以直接生長一厚度在臨界厚度以下的SiGe層，Ge組分從外延一開始就一直保持恒定，為最終所需要的值，一般小于30％，厚度幾十納米到幾百納米；也可以先生長Ge組分遞變的SiGe緩沖層，然后再生長Ge組分固定的SiGe層，理論上Ge組分可以是0～100％之間的任意值，具體視器件應(yīng)用的需要而定，并選擇生長厚度，這種結(jié)構(gòu)一般厚度從幾百納米到幾個微米。但通常Ge的含量為10％～90％為宜，外延溫度在400～700℃。生長時，可以進行一定的摻雜，也可以生長本征層。然后利用離子注入機向外延的SiGe片中注入H+、He+離子或者同時注入H+、He+兩種離子，形成氣泡空腔層，注入能量為10keV～1MeV(具體視注入的深度需要而定)，注入劑量為1016～1017/cm2量級。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，H+、He+離子注入深度可以在SiGe層中，也可以在SiGe/Si異質(zhì)結(jié)的附近，或者是在襯底Si材料中。注入后利用鍵合工藝將另一片襯底材料片與SiGe片鍵合在一起。另一片襯底片可以是表層含有氧化層的Si單晶片，也可以是金剛石、藍寶石等襯底材料；鍵合前可以根據(jù)需要對材料進行親水處理；鍵合時可以是常壓下，也可以是在真空中進行。接著在300～600℃下進行熱處理，使鍵合片從氣泡層處裂開。最后在氮氣、氬氣或其他具有退火保護性能的氣氛下進行處理，溫度為800～1000℃，退火時間為30分鐘到數(shù)十小時不等，以加強鍵合強度，同時改變SiGe層的應(yīng)變狀態(tài)。若轉(zhuǎn)移層含有Si層，則可以實現(xiàn)SiGe/Si異質(zhì)結(jié)應(yīng)變得反轉(zhuǎn)。需要實現(xiàn)多層SiGe、多層SiO2結(jié)構(gòu)的只需要重復(fù)上述步驟，直至達到需要的層數(shù)。


圖1列出了本發(fā)明提供的制備方法的工藝流程示意圖。
圖示的流程只是兩種典型的流程，實際上沒有緩沖層的也可以通過調(diào)節(jié)注入深度來得到不同結(jié)構(gòu)；采用緩沖層的也不一定采用遞變Ge組分的SiGe緩沖層，還可以采用多孔硅、低溫生長的Si等作為緩沖層，當需要最后形成的結(jié)構(gòu)中含有硅層時，可以在緩沖層上先生長需要的硅層，然后再生長SiGe層，也可以等到SiGe-OI結(jié)構(gòu)形成并拋光表面后，繼續(xù)在SiGe-OI結(jié)構(gòu)上生長需要的Si層。
本方法工藝簡單，重復(fù)性和均勻性好，且利用發(fā)展較為成熟的外延、離子注入工藝，可與常規(guī)的硅集成電路工藝兼容，所以是一種很有發(fā)展前途的制備方法。
左側(cè)是外延SiGe時直接外延固定Ge組分的SiGe層，厚度較薄，約為幾十納米到幾百納米。右側(cè)是先外延遞變Ge組分的SiGe緩沖層，然后再生長Ge組分固定的SiGe層，厚度可以較厚，為幾百納米到幾個微米。圖中1是硅襯底，2是Ge組分固定的SiGe層，3是外延Ge組分遞變的SiGe緩沖層，4是注H+或He+或H+、He+共注入時產(chǎn)生的氣泡空腔層，5是另一片襯底片，6是5襯底片表面的氧化層，7是經(jīng)H+注入的襯底Si。
實施例2采用UHVCVD首先在單晶硅襯底上生長Ge組分從0％到20％漸變的SiGe緩沖層，厚度為2微米，然后生長Ge組分固定為20％、厚度500納米的SiGe層，整個SiGe層生長溫度為600℃。以50keV的能量向SiGe中注入劑量為5×1016/cm2的He+離子，注入離子分布在頂層SiGe層內(nèi)，注入時襯底保持常溫。將注入片與另一片含有熱氧化層的硅片鍵合在一起，然后在550℃下處理30分鐘，使鍵合片從氣泡層處裂開。在900℃，Ar+5％O2的氣氛中退火5小時。經(jīng)必要的表面處理后，得到SiGe/SiO2/Si結(jié)構(gòu)材料?？捎米龉獠▽?dǎo)、光探測器等器件的制備材料，也可以在此結(jié)構(gòu)上生長Si，形成Si/SiGe/SiO2/Si結(jié)構(gòu)材料。
實施例3單晶硅上采用MBE外延厚度為120nm、Ge組分恒定為15％的SiGe層，生長溫度為500℃，以12keV的能量向硅襯底中注入劑量為6×1017/cm2的H+離子，使注入的H分布在硅襯底中，注入時襯底溫度保持常溫。將注入片與另一片金剛石襯底片鍵合在一起，然后在600℃下處理30分鐘，使鍵合片從氣泡層出裂開。在800℃、N2氛圍中處理2小時，以增加鍵合強度。形成Si/SiGe/金剛石結(jié)構(gòu)的材料。最后經(jīng)過化學(xué)機械拋光(CMP)提高所形成的結(jié)構(gòu)的表面平整度?？捎糜谥谱鞲咚費OSFET、MODFET等微電子器件。
實施例4重復(fù)實施例2的步驟5次，可以得到5層SiGe、5層SiO2相間的結(jié)構(gòu)。為提高鍵合質(zhì)量，在每次鍵合之前可以先進行拋光操作。
實施例5在單晶硅襯底上通過陽極氧化的方法制備多孔硅層作為緩沖層，厚度為1微米，然后生長Ge組分固定為20％的SiGe層，厚度400nm，其余工藝同實施例2形成類似絕緣層上硅結(jié)構(gòu)的材料。
實施例6按例2生長Ge組分從0-30％漸變的SiGe緩沖層后，先生長Si層，厚度為50nm，然后再生長Ge組分固定為30％的SiGe層，其余工藝同實施例2，形成類似絕緣層上硅結(jié)構(gòu)的材料。
權(quán)利要求
1.一種類似絕緣層上硅結(jié)構(gòu)的材料，其特征在于它具有SiGe/SiO2/Si或Si/SiGe/SiO2/Si的SiGe-OI結(jié)構(gòu)。
2.按權(quán)利要求1所述的類似絕緣層上硅結(jié)構(gòu)的材料，其特征在于所述的Si/SiGe/SiO2/Si結(jié)構(gòu)中，SiGe層的Ge組分固定，一般小于30％；厚度幾十納米到幾百納米。
3.按權(quán)利要求1所述的類似絕緣層上硅結(jié)構(gòu)的材料，其特征在于所述的SiGe/SiO2/Si結(jié)構(gòu)中，SiGe層由漸變Ge組分的SiGe緩沖層和Ge組分固定的SiGe層，總厚度幾百納米到幾微米，Ge組分變化范圍0-100％。
4.按權(quán)利要求3所述的類似絕緣層上硅結(jié)構(gòu)的材料，其特征在于所述的緩沖層還可以是多孔硅層、低溫生長的Si、SiGe層。
5.按權(quán)利要求3所述的類似絕緣層上硅結(jié)構(gòu)的材料，其特征在于或在SiGe緩沖層上先生長硅層，然后再生長SiGe層形成SiGe-OI結(jié)構(gòu)；或先形成SiGe-OI結(jié)構(gòu)，再在此結(jié)構(gòu)上生長Si層。
6.按權(quán)利要求1所述的類似絕緣層上硅結(jié)構(gòu)的材料的制備方法，其特征在于利用外延、離子注入技術(shù)和鍵合技術(shù)相結(jié)合，形成類SOI結(jié)構(gòu)，具體方法是(1)在處理后的單晶硅襯底上外延一層SiGe薄層，或先外延一層單晶Si薄層，然后再外延SiGe單晶層；(2)利用離子注入機向外延了SiGe層的Si片中注入H或He離子，注入能量為10keV～1MeV，注入劑量為1016～1017/cm2，形成氣泡空腔層；(3)注入后利用鍵合工藝將另一片襯底材料片與SiGe片鍵合在一起，接著在300～600℃溫度下進行熱處理，使鍵合片從氣泡層處裂開；(4)最后在N2、Ar等具有保護性能的氣氛中進行處理，溫度是800～1000℃，退火時間為0.5小時到數(shù)小時，以加強鍵合強度。
7.按權(quán)利要求4所述的類SOI結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于所述單晶硅上外延生長SiGe薄膜采用分子束外延或超高真空化學(xué)氣相淀積等薄膜生長技術(shù)，生長溫度500～700℃，厚度視Ge組分和應(yīng)用需要而定。
8.按權(quán)利要求4所述的類SOI結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于所述的離子注入的注入深度在SiGe層內(nèi)，或在SiGe/Si異質(zhì)結(jié)的附近，或者是穿過SiGe層注入到襯底硅中。
9.按權(quán)利要求4所述的類SOI結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于所述的，另一襯底材料或為硅襯底，或為金剛石，或為藍寶石襯底材料；或在常壓下鍵合，或在真空中鍵合。
10.按權(quán)利要求4所述的類SOI結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于多層SiGe、多層SiO2結(jié)構(gòu)，只需重復(fù)權(quán)利要求4～8的過程，直至達到所需的層數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種類似絕緣層上硅結(jié)構(gòu)的材料及制備方法。其特征在于它具有Si/SiGe/SiO
文檔編號H01L21/70GK1359158SQ01139288
公開日2002年7月17日 申請日期2001年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月29日
發(fā)明者安正華, 張苗, 林成魯, 劉衛(wèi)麗, 沈勤我 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所