專利名稱：絕緣體上鍺硅襯底的制備方法
絕緣體上鍺硅襯底的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路材料的制備方法，尤其涉及絕緣體上鍺硅襯底的制備 方法。
背景技術(shù)：
硅器件與集成電路技術(shù)作為電子工業(yè)的發(fā)展主流已經(jīng)取得了巨大的成功。 然而，隨著集成電路的超高速化的發(fā)展，硅材料的局限性開始顯露。鍺硅新材 料的出現(xiàn)對利用強(qiáng)大而成熟的硅工藝制作超高速集成電路帶來了生機(jī)。鍺硅材 料由于禁帶寬度可由鍺含量調(diào)節(jié)、易于與硅工藝兼容以及載流子遷移率高等優(yōu)
點，被廣泛用于高頻雙極型晶體管(HBT)、 MOSFET和MODFET的制作， 同時還可以應(yīng)用在光電子領(lǐng)域。
近些年來，絕緣體上的硅(Silicon on Insulator, SOI)材料以其獨特的絕緣 埋層結(jié)構(gòu)，可以降低襯底的寄生電容和漏電電流，因此在在低壓、低功耗、高 溫、抗輻射器件等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
絕緣體上鍺硅(GSOI)材料結(jié)合了鍺硅材料和SOI材料的優(yōu)點，是近幾年發(fā) 展起來的一項新的高端硅基襯底材料。其結(jié)合了鍺硅和SOI的優(yōu)點，在提高載 流子遷移率的同時，減小了襯底的寄生電容、和漏電電流，在業(yè)內(nèi)上引起了廣 泛的童視。
目前，制備SGOI的技術(shù)主要有智能剝離(SmartCut)技術(shù)、SOI上外延 鍺硅和注氧隔離技術(shù)(SIMOX)。
SmartCut技術(shù)是通過鍺硅與硅片鍵合得到，此方法的步驟繁多，工藝非常 復(fù)雜。
SOI上外延SiGe主要是通過鍺硅在高溫下，鍺原子擴(kuò)散與頂層硅結(jié)合形 成SiGe，此方法的缺點在于需要具有超薄頂層硅的SOI材料，且鍺在高溫下 擴(kuò)散的均勻性也不容易控制。200810200072.5
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SIMOX技術(shù)是目前制備SOI的主流技術(shù)之一，也可應(yīng)用到SGOI的材料 制備中?，F(xiàn)有的SIMOX工藝制備SGOI是采用氧離子注入鍺硅材料中，再經(jīng) 高溫退火形成絕緣埋層?，F(xiàn)有的SIMOX技術(shù)制備SGOI的缺點在于高溫退火 的過程中，注入的氧與鍺硅中的硅結(jié)合形成二氧化硅，而將鍺硅中的鍺排出， 鍺在高溫下向頂層鍺硅層遠(yuǎn)離絕緣埋層的方向擴(kuò)散，直至從襯底中逸出。上述 現(xiàn)象被稱為鍺硅的"排出效應(yīng)"?，F(xiàn)有技術(shù)中，由于排出效應(yīng)而產(chǎn)生的鍺的流 失非常嚴(yán)重，造成頂層硅鍺層和絕緣埋層的質(zhì)量不好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種絕緣體上鍺硅襯底的制備方法， 避免鍺在高溫退火的情況下發(fā)生流失，從而提高絕緣體上鍺硅襯底的質(zhì)量。 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種絕緣體上鍺硅襯底的制備方法，包
括如下步驟(a)提供單晶硅襯底；(b)在單晶硅襯底表面生長鍺硅層；(C)將起 泡離子注入單晶硅襯底中；(d)退火，從而形成氣孔層；(e)將氧離子注入至氣 孔層中；(f)退火，從而形成絕緣埋層。
作為可選的技術(shù)方案，還包括如下步驟在步驟(b)實施完畢之后，繼續(xù)在 硅鍺層遠(yuǎn)離單晶硅襯底的表面生長蓋帽層，以抑制鍺硅層中的鍺原子向環(huán)境中 擴(kuò)散。
作為可選的技術(shù)方案，所述蓋帽層為硅。 作為可選的技術(shù)方案，所述蓋帽層的厚度范圍是2nm 20nm。 作為可選的技術(shù)方案，所述之起泡離子選自于氦離子、氫離子以及氬離子 中的至少一種。
作為可選的技術(shù)方案，所述起泡離子的注入劑量范圍是lxl016cnT2 lxl017cm-2o
作為可選的技術(shù)方案，所述在單晶硅襯底表面生長的鍺硅層的厚度小于 lOOnm。
作為可選的技術(shù)方案，所述步驟(d)中的退火溫度是200°C 1000°C。 作為可選的技術(shù)方案，所述步驟(e)中的退火溫度是1000°C 1300°C。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，采用起泡離子注入單晶硅襯底中，通過退火在單晶硅 襯底與鍺硅層之間形成氣孔層，并將氧離子注入至氣孔層中，退火后在氣孔層 的位置形成絕緣埋層。由于絕緣埋層均形成于單晶硅襯底而非鍺硅層中，因此 可以對鍺的排出現(xiàn)象起到抑制的作用，并且所述的氣孔層可以有效地束縛氧原 子，有利于絕緣埋層的形成。
作為可選的技術(shù)方案，采用生長蓋帽層的方法，抑制鍺硅層中的鍺原子向 環(huán)境中擴(kuò)散，可以進(jìn)一步避免鍺排除現(xiàn)象的發(fā)生。


附圖1所示為本發(fā)明所述絕緣體上鍺硅襯底制備方法具體實施方式
的工藝
流程附圖2至附圖8所示為本發(fā)明所述絕緣體上鍺硅襯底制備方法具體實施方 式的工藝步驟示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的絕緣體上鍺硅襯底的制備方法具體實施方 式做詳細(xì)說明。
附圖L所示為本發(fā)明所述絕緣體上鍺硅襯底制備方法具體實施方式
的工藝 流程圖，包括如下步驟步驟SIO，提供單晶硅襯底；步驟Sll,在單晶硅襯 底表面生長鍺硅層；步驟S12，在硅鍺層遠(yuǎn)離單晶硅襯底的表面生長蓋帽層， 以抑制鍺硅層中的鍺原子向環(huán)境中擴(kuò)散；步驟S13，將起泡離子注入單晶硅襯 底靠近鍺硅層一側(cè)的表面；步驟S14，退火，從而在單晶硅襯底與鍺硅層之間 形成氣孔層；步驟S15，將氧離子注入至氣孔層中；步驟S16，退火，從而形 成絕緣埋層。
附圖2至附圖8所示為本發(fā)明所述絕緣體上鍺硅襯底制備方法具體實施方 式的工藝步驟示意圖。
附圖2所示，參考步驟SIO，提供單晶硅襯底100。所述單晶硅襯底可以 是N型、P型或者本征單晶硅襯底。
附圖3所示，參考步驟Sll，在單晶硅襯底100的表面生長鍺硅層110。 為了保證鍺硅層的晶體質(zhì)量，應(yīng)該將鍺硅層的厚度控制在臨界厚度以內(nèi)，避免 鍺硅的晶格產(chǎn)生無法恢復(fù)的塑性應(yīng)變。通常來說，在單晶硅襯底100表面生長 的鍺硅層110的厚度小于100nm是一種優(yōu)選的技術(shù)方案。生長鍺硅層110可以 采用化學(xué)氣相外延的方法。
附圖4所示，參考步驟S12，繼續(xù)在硅鍺層110遠(yuǎn)離單晶硅襯底100的表 面生長蓋帽層120，以抑制鍺硅層110中的鍺原子向環(huán)境中擴(kuò)散。
以上步驟是可選步驟。蓋帽層的作用在于防止后續(xù)離子注入對鍺硅層的損 傷，并且防止鍺硅層中的鍺原子在退火的過程中向外擴(kuò)散，因此是一種優(yōu)選的 技術(shù)方案。
所述蓋帽層120為硅，包括單晶硅、多晶硅或者非晶硅等，厚度范圍是 2nm 20nm。采用硅作為蓋帽層120的優(yōu)點在于生長工藝成熟、工藝成本低， 且不會對鍺硅層引起額外的污染，因此硅作為蓋帽層是一種優(yōu)選材料。
附圖5所示，參考步驟S13，將起泡離子注入單晶硅襯底100中。
為了獲得更好的技術(shù)效果，所述之起泡離子選自于氦離子、氫離子以及氬 離子中的至少一種。上述離子在注入單晶硅襯底后比較容易產(chǎn)生氣泡。
所述起泡離子的優(yōu)選注入劑量范圍是lxl016 cm々 lxlO"cm氣低于lx1016 cm'2的注入劑量不容易在單晶硅襯底100中產(chǎn)生氣泡，而lxl017cm-2已經(jīng)可以 保證在單晶硅襯底100中產(chǎn)生氣泡，超過這一劑量會造成注入時間的浪費。
考慮到在后續(xù)形成絕緣層的工藝中可以形成高質(zhì)量的連續(xù)埋層，此步驟中 起泡離子注入濃度分布高斯分布的峰值位置與單晶硅襯底100靠近鍺硅層120 的表面之間的距離小于lMm。
附圖6所示，參考步驟S14,退火，從而形成氣孔層130。所述退火的溫 度受起泡離子注入劑量fe影響。通常所采用的退火溫度的優(yōu)選值是200°C 1000°C，可以保證產(chǎn)生氣孔層，且不會造成時間的浪費。
此步驟還在氣孔層130與鍺硅層110之間形成單晶硅插入層101。該層是 單晶硅襯底100的一部分。由于此步驟在單晶硅襯底100之中形成了氣泡層， 因此將單晶硅襯底IOO靠近鍺硅層IIO—側(cè)的一部分分離而形成單晶硅插入層
101。如果起泡離子的注入位置比較靠近鍺硅層110，以至于退火形成的氣泡擴(kuò) 散至單晶硅層100與鍺硅層110的界面處，也有可能不形成單晶硅插入層101。
附圖7所示，參考步驟S15，將氧離子注入至氣孔層130中。根據(jù)氣孔層 的位置調(diào)整氧離子的注入能量，使氧離子注入濃度分布高斯分布的峰值位置恰 好位于氣孔層130。
采用起泡離子注入單晶硅襯底100中，通過退火在單晶硅襯底100與鍺硅 層110之間形成氣孔層130，并將氧離子注入至氣孔層130中，再經(jīng)過后續(xù)步 驟退火后將在氣孔層130的位置形成絕緣埋層。由于絕緣埋層形成于單晶硅襯 底100而非鍺硅層110中，因此可以對鍺的排出現(xiàn)象起到抑制的作用，并且所 述的氣孔層可以有效地束縛氧原子，有利于絕緣埋層的形成。
氧離子的原子質(zhì)量比較重，注入到單晶硅襯底中超過lnm深度的技術(shù)難 度較大，因此，在步驟S13中控制起泡離子注入濃度分布高斯分布的峰值位置 與單晶硅襯底100靠近鍺硅層120的表面之間的距離小于l拜，有利于此步驟 中更容易的將氧離子注入至氣孔層130。
附圖8所示，參考步驟S16，退火，從而形成絕緣埋層140。
所述退火在氧氣氣氛中進(jìn)行，退火溫度是1000°C 1300°C。在退火的過程 中，鍺硅層110中的鍺向單晶硅插入層101以及蓋帽層120中擴(kuò)散，使單晶硅 插入層101和蓋帽層120靠近鍺硅層110的部分轉(zhuǎn)變成為鍺硅層，從而形成了 由鍺硅層110、原單晶硅插入層101以及蓋帽層120靠近鍺硅層的部分所構(gòu)成 的新鍺硅層111。與此同時，蓋帽層120遠(yuǎn)離鍺硅層110的部分由于被氧化而 形成二氧化硅層121。 二氧化硅層121的原子排布致密，避免了鍺原子進(jìn)一步 向體系外擴(kuò)散。
上述步驟實施完畢后，得到由單晶硅襯底100、絕緣埋層140以及新鍺硅 層111構(gòu)成的絕緣體上鍺硅結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)的表面覆蓋有二氧化硅層121，對 新鍺硅層lll起到保護(hù)作用，防止鍺硅中的鍺原子在空氣中氧化。也可以根據(jù) 實際應(yīng)用的需要將二氧化硅層121移除。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通
技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些 改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種絕緣體上鍺硅襯底的制備方法，其特征在于，包括如下步驟(a)提供單晶硅襯底；(b)在單晶硅襯底表面生長鍺硅層；(c)將起泡離子注入單晶硅襯底中；(d)退火，從而形成氣孔層；(e)將氧離子注入至氣孔層中；(f)退火，從而形成絕緣埋層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣體上鍺硅襯底的制備方法，其特征在于，還包括如下步驟在步驟(b)實施完畢之后，繼續(xù)在硅鍺層遠(yuǎn)離單晶硅襯底的表 面生長蓋帽層，以抑制鍺硅層中的鍺原子向環(huán)境中擴(kuò)散。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的絕緣體上鍺硅襯底的制備方法，其特征在于，所述蓋帽層為硅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的絕緣體上鍺硅襯底的制備方法，其特征在于，所述 蓋帽層的厚度范圍是2nm 20nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的絕緣體上鍺硅襯底的制備方法，其特征在于， 所述之起泡離子選自于氦離子、氫離子以及氬離子中的至少一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的絕緣體上鍺硅襯底的制備方法，其特征在于， 所述起泡離子的注入劑量范圍是lx1016 cm—2 lxl017cm—2。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的絕緣體上鍺硅襯底的制備方法，其特征在于， 所述在單晶硅襯底表面生長的鍺硅層的厚度小于100nm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的絕緣體上鍺硅襯底的制備方法，其特征在于， 所述步驟(d)中的退火溫度是200°C 1000°C。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的絕緣體上鍺硅襯底的制備方法，其特征在于， 所述步驟(e)中的退火溫度是1000°C 1300°C。
全文摘要
一種絕緣體上鍺硅襯底的制備方法，包括如下步驟(a)提供單晶硅襯底；(b)在單晶硅襯底表面生長鍺硅層；(c)將起泡離子注入單晶硅襯底中；(d)退火，從而形成氣孔層；(e)將氧離子注入至氣孔層中；(f)退火，從而形成絕緣埋層。本發(fā)明的優(yōu)點在于，采用起泡離子注入單晶硅襯底中，通過退火在單晶硅襯底與鍺硅層之間形成氣孔層，并將氧離子注入至氣孔層中，退火后在氣孔層的位置形成絕緣埋層。由于絕緣埋層均形成于單晶硅襯底而非鍺硅層中，因此可以對鍺的排出現(xiàn)象起到抑制的作用，并且所述的氣孔層可以有效地束縛氧原子，有利于絕緣埋層的形成。
文檔編號H01L21/84GK101359591SQ20081020007
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
發(fā)明者波 張, 苗 張, 曦 王 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所