專利名稱：一種利用層轉(zhuǎn)移技術(shù)制備絕緣體上鍺硅材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備絕緣體上鍺硅(SG0I)的方法，更確切地說涉及一種利用層 轉(zhuǎn)移技術(shù)制備絕緣體上鍺硅材料的方法。屬于微電子與固體電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
制備更小尺寸、更高性能的器件一直是半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的目標和方向，隨著半導(dǎo) 體技術(shù)的發(fā)展，單純依靠硅材料已經(jīng)無法制備出足夠高速，低功耗的晶體管。從90nm工藝 開始，應(yīng)變硅(sSi)技術(shù)和絕緣體上硅(S0I)技術(shù)成為推動摩爾定律的兩大利器?，F(xiàn)在結(jié) 合了應(yīng)變硅和S0I技術(shù)的絕緣體上應(yīng)變硅技術(shù)受到相關(guān)的科技人員的日益重視，被譽為是 下一代CMOS工藝的優(yōu)選襯底材料之一。絕緣體上應(yīng)變硅材料一般分成兩種，一種是應(yīng)變硅材料直接結(jié)合到硅襯底的絕 緣層上，形成sSi/Si02/Si的三明治結(jié)構(gòu)(sSOI)；另一種是應(yīng)變硅和絕緣層之間還有一層 SiGe層，形成sSi/SiGe/Si02/Si的四層結(jié)構(gòu)(SG0I)。由于sSOI中的張應(yīng)力的存在有利于 提高電子遷移率，然而對空穴遷移率的提升作用并不明顯；而SG0I作為一種雙溝道材料， 由于應(yīng)變硅層中的張應(yīng)力和SiGe層中的壓應(yīng)力的共同作用，材料中的電子和空穴遷移率 同時得到提高。對于制備SG0I材料，存在一類公知的方法，所述的方法可以參考Taraschi等人 于2004年發(fā)表在Solid-State Electronics的第48卷第8期1297-1305頁的文章，題 目為"Strained Si, SiGe, and Ge on-insulator :reviewof waferbonding fabrication techniques”。在該篇文章中介紹了使用層轉(zhuǎn)移制備SG0I材料的方法。在他們的方法中， 首先外延弛豫SiGe材料，然后將弛豫的SiGe材料轉(zhuǎn)移到Si02/Si結(jié)構(gòu)的支撐襯底上。為 了外延弛豫SiGe材料，需要先體硅上外延幾個微米的漸變緩沖層，材料外延往往需要幾個 甚至十幾個小時的時間。本發(fā)明擬提供一種制備SG0I材料的方法。首先制備應(yīng)變的SiGe材料，在該材料 表面會有一層薄的無應(yīng)變硅薄膜，在應(yīng)變材料同其表面的硅薄膜一起轉(zhuǎn)移到Si02/Si結(jié)構(gòu) 的支撐襯底上后，通過退火工藝使其弛豫。在弛豫過程中，由于硅薄膜的存在，弛豫過程中 形成的位錯主要分布在硅薄膜中，鍺硅材料在弛豫過程中保持了較高的晶體質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備SG0I材料的方法。包括如下步驟首先在體硅 襯底上使用化學(xué)氣相沉積的方法依次外延SihGepSi-兩種不同的薄膜，其中0 < x < 1。 依據(jù)外延材料中x值的不同，選擇外延的SihGeJ^膜的厚度，使其小于臨界厚度，同時保證 Siepi的厚度小于SihGe,的厚度。(現(xiàn)在研究和實驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在Si襯底上外延SiGe薄膜 的時候，存在一個臨界厚度，當外延的SiGe薄膜厚度小于該臨界厚度的時候，SiGe材料是 完全應(yīng)變的，該臨界厚度隨SiGe材料中Ge的組分的增加而降低。臨界厚度的與Ge組分x 的關(guān)系如下 hc 0. 0234/(1+0. 04x)2X In (hy4))。外延完成后得到 Siepi/SihGeySi^ 結(jié)
4構(gòu)的多層材料(其中，Siepi為外延材料的上表面，Sisub為襯底硅材料)。接著將該材料同 另一片表面已經(jīng)制備出SiO2的Si襯底材料鍵合，得到Si^/SihGeyS^/SiCVSi結(jié)構(gòu)的 多層材料。通過研磨和選擇性腐蝕的方法，去掉Sisub，得到sihGeys^/sicysi結(jié)構(gòu)的材 料。最后在700 1100°C溫度下進行退火，一方面增加鍵合強度，另一方面使得SihGex材 料發(fā)生弛豫，由于Siepi的存在，SihGex弛豫時位錯主要集中在Siepi層中，SihGex保持較 高的晶格質(zhì)量。然后繼續(xù)采用化學(xué)氣相沉積的方法，在SihGex上面外延一層Si層，該層將 具有張應(yīng)力，這樣就形成了 SGOI材料。相對于傳統(tǒng)方法需要外延幾微米甚至十幾微米的緩 沖層，使用本發(fā)明制備SGOI只需要外延0. 1-0. 5微米左右的薄膜，可以大大節(jié)省外延時間， 降低成本。
在另一個優(yōu)選實施例中，首先外延制備出SiepiAihGeySisub結(jié)構(gòu)的多層材料，將 一定劑量的H+或者He+離子注入到Sisub中接近SihGex處，然后同另一片表面已經(jīng)制備出 SiO2的Si襯底材料鍵合，形成Si^/SihGeyS^/SiCVSi結(jié)構(gòu)的多層材料。將該材料在 400 600°C溫度下退火，使得材料在H+或者He+離子注入射程附近發(fā)生層分離，得到Sisub/ SihGeyS^/SiCVSi結(jié)構(gòu)的材料，此時Sisub已經(jīng)非常薄。選擇合適的化學(xué)溶液，采用選 擇性腐蝕的方法，腐蝕掉剩余的Sisub，使腐蝕停止在SihGex材料上，即得到SihGeySiepi/ Si02/Si材料。在700 1100°C溫度下進行退火，在增加鍵合強度的同時使得SihGex材料 發(fā)生弛豫，由于Siepi的存在，SihGex弛豫時位錯主要集中在Siepi層中，SihGex保持較高 的晶格質(zhì)量。然后繼續(xù)采用化學(xué)氣相沉積的方法，在SihGex外面外延一層Si層，該層將具 有張應(yīng)力，這樣就形成了 SGOI材料。


圖1為本發(fā)明涉及的體硅襯底上外延SihGex、Siepi截面示意圖，1為體硅襯底，2 為 SihGex 層,3 為 Siepi 層。圖2為本發(fā)明涉及的外延材料同支撐襯底材料進行鍵合后的截面示意圖。4為 SiO2層，5為支撐硅襯底層。圖3為本發(fā)明涉及的進行研磨后的材料截面示意圖。圖4為本發(fā)明涉及的進行了選擇性腐蝕后的材料截面示意圖。圖5為本發(fā)明涉及的SGOI材料截面示意圖。6為具有張應(yīng)力的應(yīng)變硅層。圖6為本發(fā)明涉及的H+或者He+以5X IO16cnT2 IX IO17cnT2的劑量注入到外延 薄膜后的材料截面示意圖。7為注入或者He+聚集區(qū)。圖7為本發(fā)明涉及的一定劑量H+或者He+注入后的外延材料同支撐襯底材料進行 鍵合后的截面示意圖。
具體實施例方式下列實施例將有助于理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。實施例11、在體硅襯底上使用化學(xué)氣相沉積的方法依次外延SihGex、Siepi兩種不同的薄 膜，其中0<X< 1，優(yōu)選的X值大于0.2<x< 1。依據(jù)外延材料中X值的不同，選擇外延 的SihGex薄膜的厚度，使其小于臨界厚度，同時保證Siepi厚度小于SihGex厚度(見附圖1)。
2、取一片硅襯底材料，通過熱氧化，或者等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)，或 者其他方法在硅襯底表面制備出SiO2, SiO2厚度一般在200nm lum。3、將步驟1制備的材料同步驟2制備的材料鍵合(見附圖2)。4、通過研磨的方法，將步驟3得到的材料去掉與SihGex相鄰的大部分體硅Si (見 附圖3)。5、包括TMAH(四甲基氫氧化氨)或KOH化學(xué)溶液在內(nèi)的高Si SiGe刻蝕比的化 學(xué)溶液作為選擇性腐蝕溶液，刻蝕掉步驟4剩余的Si層，刻蝕作用停止在SihGex層上(見 附圖4)。6、將步驟5得到的材料在700 1100°C溫度下進行退火，一方面增加鍵合強度，另 一方面使得SihGex材料發(fā)生弛豫，由于Siepi的存在，SihGex弛豫時位錯主要集中在Siepi 層中，SihGex保持較高的晶格質(zhì)量。7、繼續(xù)采用化學(xué)氣相沉積的方法，在SihGex外面外延一層Si薄層，該層厚度要 小于其臨界厚度，保證其是完全應(yīng)變的，這樣新外延的Si層將具有張應(yīng)力，這樣就形成了 SGOI材料(見附圖5)。實施例21、在體硅襯底上使用化學(xué)氣相沉積的方法依次外延SihGex、Siepi兩種不同的薄 膜，其中0 < χ < 1，優(yōu)選的χ值大于0. 2。依據(jù)外延材料中χ值的不同，選擇外延的SihGex 薄膜的厚度，使其小于臨界厚度，同時保證Siepi厚度小于SihGex厚度(見附圖1)。2、將H+或He+以5 X IO16cnT2 1 X IO17cnT2的劑量，選擇合適的能量，從步驟1制 備的材料的上表面注入到外延材料的硅襯底層中靠近SihGex薄膜的地方(見附圖6)，優(yōu) 先推薦的劑量為6X IO16CnT2，優(yōu)先推薦的注入離子為H+。3、取一片新的硅襯底材料，通過熱氧化，或者等離子體增強化學(xué)氣相沉積 (PECVD)，或者其他方法在硅襯底表面制備出SiO2, SiO2厚度一般在200nm lum。4、將步驟2制備的材料同步驟3制備的材料鍵合(見附圖7)。5、將步驟4得到的材料在400 600°C溫度下退火，使得材料在H+或者He+離子 注入射程附近發(fā)生層分離(見附圖3)。6、使用TMAH或KOH在內(nèi)的化學(xué)溶液作為選擇性腐蝕溶液，刻蝕掉步驟4剩余的Si 層，刻蝕作用停止在SihGex層上(見附圖4)。7、將步驟5得到的材料在700 1100°C溫度下進行退火，一方面增加鍵合強度，另 一方面使得SihGex材料發(fā)生弛豫，由于Siepi的存在，SihGex弛豫時位錯主要集中在Siepi 層中，SihGex保持較高的晶格質(zhì)量。8、繼續(xù)采用化學(xué)氣相沉積的方法，在SihGex外面外延一層Si薄層，該層厚度要 小于其臨界厚度，保證其是完全應(yīng)變的，這樣新外延的Si層將具有張應(yīng)力，這樣就形成了 SGOI材料(見附圖5)。
權(quán)利要求
一種制備SGOI的方法，其特征在于采用下述兩種方法中的任一種方法A①首先在體硅襯底上使用化學(xué)氣相沉積的方法依次外延Si1-xGex、Siepi兩種不同的薄膜，其中0＜x＜1；依據(jù)外延材料中x值的不同，選擇外延的Si1-xGex薄膜的厚度，使其小于臨界厚度，同時Siepi的厚度小于Si1-xGex層的厚度，外延完成后得到Siepi/Si1-xGex/Sisub結(jié)構(gòu)的多層材料，其中，Siepi為外延材料的上表面，Sisub為襯底硅材料；②將步驟1制備的多層材料同另一片表面已經(jīng)制備出SiO2的Si襯底材料鍵合，得到Sisub/Si1-xGex/Siepi/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的多層材料；③通過研磨加選擇性腐蝕的方法，去掉Sisub，得到Si1-xGex/Siepi/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的材料；④在700～1100℃溫度下進行退火，在增加鍵合強度的同時使得Si1-xGex材料發(fā)生弛豫；⑤最后繼續(xù)采用化學(xué)氣相沉積的方法，在Si1-xGex外面外延一層Si層，該層將具有張應(yīng)力，形成SGOI材料；方法B①首先在體硅襯底上使用化學(xué)氣相沉積的方法依次外延Si1-xGex、Siepi兩種不同的薄膜，其中0＜x＜1；依據(jù)外延材料中x值的不同，選擇外延的Si1-xGex薄膜的厚度，使其小于臨界厚度，同時Siepi的厚度小于Si1-xGex層的厚度，外延完成后得到Siepi/Si1-xGex/Sisub結(jié)構(gòu)的多層材料，其中，Siepi為外延材料的上表面，Sisub為襯底硅材料；②將一定劑量的H+或者He+離子注入到Sisub中接近Si1-xGex處；③然后同另一片表面已經(jīng)制備出SiO2的Si襯底材料鍵合，形成Sisub/Si1-xGex/Siepi/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的多層材料；④將步驟3所制得的材料在400～600℃溫度下退火，使得材料在H+或者He+離子注入射程附近發(fā)生層分離，得到Sisub/Si1-xGex/Siepi/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的材料；⑤選擇合適的化學(xué)溶液，采用選擇性腐蝕的方法，腐蝕掉剩余的Sisub，使腐蝕停止在Si1-xGex材料上，即得到Si1-xGex/Siepi/SiO2/Si材料；⑥接著在700～1100℃溫度下進行退火，增加鍵合強度的同時使得Si1-xGex材料發(fā)生弛豫，；⑦最后繼續(xù)采用化學(xué)氣相沉積的方法，在Si1-xGex外面外延一層Si層，該層將具有張應(yīng)力，形成SGOI材料；方法B中所述的H+或He+離子注入的一定劑量為5×1016cm-2～1×1017cm-2；方法A和方法B中所述選擇性腐蝕使用的是包括TMAH或KOH在內(nèi)的化學(xué)溶液。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于方法A和方法B的步驟1中0.2 < x < 1。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于方法A步驟4中SihGe,弛豫時位錯集中在 Siepi層中。
4.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于方法A步驟2所述的另一片襯底材料的Si02 厚度為 200nm-l u m。
5.按權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征在于所述Si02層是通過熱氧化或等離子體增 強化學(xué)氣相沉積方法制備的。
6.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于方法B步驟3所述的另一片襯底材料的Si02厚度為 200nm-l u m。
7.按權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于所述的Si02層是通過熱氧化或等離子體 增強化學(xué)氣相沉積方法制備的。
8.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于①方法B中H+或He+注入的劑量為6X1016Cm_2 ；②方法B中注入的離子為H+。
9.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于方法B步驟5中SihGe,發(fā)生弛豫時位錯集 中在Siepi層中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用層轉(zhuǎn)移技術(shù)制備絕緣體上鍺硅(SGOI)材料的方法。首先在體硅上外延Siepi/Si1-xGex結(jié)構(gòu)的多層材料，其中0＜x＜1，Siepi為外延材料的上表面?？刂仆庋拥腟i1-xGex薄膜的厚度，使其小于臨界厚度，以保證這層薄膜是完全應(yīng)變的。然后使用層轉(zhuǎn)移的方法將Siepi/Si1-xGex轉(zhuǎn)移到一個SiO2/Si結(jié)構(gòu)的支撐材料上，形成Si1-xGex/Siepi/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的多層材料。通過退火，使得材料中的Si1-xGex發(fā)生弛豫，弛豫過程中產(chǎn)生的位錯主要分布在Siepi中，使得Si1-xGex保持了較高的晶格質(zhì)量，然后通過外延的方法在Si1-xGex上繼續(xù)外延一層Si薄膜，該薄膜將保持應(yīng)變，最終得到Si/Si1-xGex/Siepi/SiO2/Si的SGOI材料。
文檔編號H01L21/20GK101866874SQ20101018931
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者張波, 張苗, 薛忠營, 魏星 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所;上海新傲科技股份有限公司