專利名稱：具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制備方法
具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯
底制備方法。背景技術(shù)：
在目前的半導(dǎo)體技術(shù)中，CMOS電路主要是制作在具有(100)晶面的硅襯底上， 這是因為在(100)晶面上具有小的氧化物-界面電荷密度以及最高的電子遷移率。但 是，空穴的遷移率在(100)晶片上僅僅約為相應(yīng)電子遷移率的1/4-1/2，這就使得在(100) 晶片上制備的pMOSFETs的驅(qū)動電流約為nMOSFETs的一半，雖然傳統(tǒng)上使用更大的 pMOSFETs可以來平衡nMOSFETs，實際上這增大了柵和寄生電容。有報道稱在(100)襯 底通過將溝道方向從〈10轉(zhuǎn)移至〈00晶向可以改善pFET的性能，但是更多的工作主 要是集中在改變表面晶向的努力上，比如采用(110)或者(111)襯底可以帶來更多的空穴 遷移率的提升。人們發(fā)現(xiàn)空穴遷移率在(110)晶片的<110>晶向上具有最大值，該值是 空穴在(100)晶片上的遷移率的兩倍以上。也就是說，相同尺寸的制備在(110)晶片上的 pFET將比制備在(100)晶片上的pFET獲得更大的驅(qū)動電流。但是，即使在不考慮溝道 方向的情況下，該晶面方向完全不適用于制造nFET。 綜上，(110)晶面是最適合用于制備pFET，因其具有最大的空穴遷移率，但是 該晶向完全不適合于制備nFET。相反地，(100)晶向因其具有最大的電子遷移率而特別 適合于制備nFET。從以上觀點來看，有必要在具有不同晶向的襯底之上制備一種集成器 件，以針對特定的器件提供最優(yōu)的性能，此即為混合晶向技術(shù)。該技術(shù)基于襯底和溝道 晶向的優(yōu)化來提升載流子的遷移率從而達到提升器件性能的目的，即通過在(110)區(qū)域制 備pFET在(100)區(qū)域制備nFET以實現(xiàn)器件性能的提升。 目前，混合晶向技術(shù)是制備在SOI襯底之上，該技術(shù)所制備的器件是SOI和體 硅器件的混合， 一部分有源區(qū)的下面有絕緣埋層，而另一些有源區(qū)的下面同襯底是聯(lián)通 的，這就給器件模型設(shè)計、版圖設(shè)計以及寄生參數(shù)提取等帶來很大的困難，并且使得制 備工藝復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底 制備方法，能夠保證所有的器件層的下方都有絕緣埋層，以實現(xiàn)器件層和襯底之間的介 質(zhì)隔離，并能夠保持應(yīng)變硅的應(yīng)變程度，避免其在后續(xù)工藝中由于環(huán)境的變化而發(fā)生晶 格的弛豫，導(dǎo)致應(yīng)變特性喪失。 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制 備方法，包括如下步驟提供一半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底包括第一鍺硅層與支撐襯 底，所述第一鍺硅層具有第一晶向，支撐襯底具有第二晶向；在第一鍺硅層中形成生長 窗口，所述生長窗口貫穿至下方的支撐襯底；在生長窗口側(cè)壁的表面形成側(cè)墻；在生長窗口中外延生長第二鍺硅層，所述第二鍺硅層與支撐襯底具有相同的第二晶向；拋光第 一與第二鍺硅層，使第一鍺硅層與第二鍺硅層的表面處于同一平面；注入氧離子至半導(dǎo) 體襯底中并退火，以形成連續(xù)的絕緣埋層；在第一鍺硅層表面生長具有第一晶向的第一 應(yīng)變硅層，并在第二鍺硅層表面生長具有第二晶向的第二應(yīng)變硅層。 作為可選的技術(shù)方案，所述半導(dǎo)體襯底中進一步包括隔離層，所述隔離層設(shè)置 于支撐襯底與第一鍺硅層之間。所述隔離層和側(cè)墻的材料為非晶體；所述隔離層和側(cè)墻 的材料為絕緣材料。 作為可選的技術(shù)方案，所述隔離層和側(cè)墻的厚度大于20nm，以確保實現(xiàn)降低晶 格失配應(yīng)力和實現(xiàn)電學(xué)隔離的技術(shù)效果。 作為可選的技術(shù)方案，在所述半導(dǎo)體襯底包括隔離層的情況下，在第二鍺硅層 的下方注入氧離子以形成絕緣埋層，氧離子的注入位置與隔離層的位置水平，以保證形 成的絕緣埋層能夠和隔離層連成一體。 作為可選的技術(shù)方案，所述第一鍺硅層的厚度大于100nm，以保證后續(xù)步驟中
能夠滿足拋光以及生長應(yīng)變硅等工藝步驟中對第一鍺硅層厚度的要求。 作為可選的技術(shù)方案，所述第一晶向為(IOO)晶向，第二晶向為(110)晶向，或
者第一晶向為(110)晶向而第二晶向為(100)晶向。 作為可選的技術(shù)方案，所述方法進一步包括如下步驟在第一應(yīng)變硅層與第二 應(yīng)變硅層的界面處形成溝槽；在溝槽中填充非晶材料，以形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，采用先外延鍺硅層再注入氧離子的工藝，保證了所有的器 件層的下方都有絕緣埋層，以實現(xiàn)器件層和襯底之間的介質(zhì)隔離。并且應(yīng)變硅層生長完 畢后無需再進行拋光、外延以及鍵合等工藝，能夠保持應(yīng)變硅的應(yīng)變程度，避免其在后 續(xù)工藝中由于環(huán)境的變化而發(fā)生晶格的弛豫，導(dǎo)致應(yīng)變特性喪失。


附圖1所示是本發(fā)明所述具體實施方式
的實施步驟示意圖。
附圖2與附圖7至附圖15所示是本發(fā)明所述具體實施方式
的工藝示意圖；
附圖3所示是附圖1中步驟S10中所述半導(dǎo)體襯底100的一種制備方法的實施步 驟示意圖； 附圖4至附圖6所示附圖3所示方法的工藝示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制備方法的具體實施方式
做詳細(xì)說明。 附圖l所示是本發(fā)明所述具體實施方式
的實施步驟示意圖，包括步驟SIO，提 供一半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底包括第一鍺硅層與支撐襯底，所述第一鍺硅層具有第 一晶向，支撐襯底具有第二晶向；步驟Sll，在第一鍺硅層中形成生長窗口，所述生長 窗口貫穿至下方的支撐襯底；步驟S12，在生長窗口側(cè)壁的表面形成側(cè)墻；步驟S13，在 生長窗口中外延生長第二鍺硅層，所述第二鍺硅層與支撐襯底具有相同的第二晶向；步 驟S14，拋光第一與第二鍺硅層，使第一鍺硅層與第二鍺硅層的表面處于同一平面；步驟S15，注入氧離子至半導(dǎo)體襯底中并退火，以形成連續(xù)的絕緣埋層；步驟S16，在第一 與第二鍺硅層表面生長具有第一晶向的第一應(yīng)變硅層與具有第二晶向的第二應(yīng)變硅層； 步驟S17，在第一應(yīng)變硅層與第二應(yīng)變硅層的界面處形成溝槽；步驟S18，在溝槽中填充 非晶材料，以形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。 附圖2所示，參考步驟SIO，提供一半導(dǎo)體襯底100，所述半導(dǎo)體襯底100包括 第一鍺硅層101與支撐襯底103，所述第一鍺硅層101具有第一晶向，支撐襯底103具有 第二晶向。 所述第一鍺硅層101的厚度大于100nm，以保證后續(xù)步驟中能夠滿足拋光以及生 長應(yīng)變硅等工藝步驟中對第一鍺硅層101厚度的要求。 本具體實施方式
中，所述半導(dǎo)體襯底中還可以進一步包括隔離層102，所述隔離 層102設(shè)置于支撐襯底103與第一鍺硅層101之間。所述隔離層102的材料優(yōu)選為非晶 體。由于支撐襯底103與第一鍺硅層101之間具有不同的晶向，因此置隔離層102的目的 在于降低兩者晶格之間的相互作用力，避免由于晶格之間的失配應(yīng)力作用而產(chǎn)生位錯。 所述隔離層102采用非晶體，可以避免隔離層102進一步與支撐襯底103或者與第一鍺硅 層101之間產(chǎn)生晶格失配應(yīng)力，因此是一種優(yōu)選方案。 所述隔離層102材料優(yōu)選為絕緣材料，原因在于絕緣材料還能夠提高表面用于 生長器件的各層與支撐襯底103之間的電學(xué)隔離效果。 基于上述原因，所述隔離層102的厚度優(yōu)選大于20nm，以確保其實現(xiàn)降低晶格 失配應(yīng)力和實現(xiàn)電學(xué)隔離的技術(shù)效果。 以上所述的半導(dǎo)體襯底100包括第一鍺硅層101和支撐襯底103，由于第一鍺硅 層101與支撐襯底103不是同一晶向，因此不能夠采用在支撐襯底103的表面直接外延第 一鍺硅層101的工藝獲得所述半導(dǎo)體襯底100。 附圖3所示是一種可選的形成半導(dǎo)體襯底100的方法的實施步驟示意圖，附圖4 至附圖6所示是該方法的工藝示意圖。所述方法包括步驟SAIO，并參考附圖4，在另 一具有第一晶向的外延襯底110的表面生長第一鍺硅層101 ;步驟SAll，并參考附圖5， 將外延襯底110的第一鍺硅層101與支撐襯底103鍵合，支撐襯底103表面設(shè)置有隔離層 102;步驟SA12，并參考附圖6，將第一晶向的外延襯底110除去，可以選用選擇性腐蝕 等常見工藝。 以上是一種可選的制備半導(dǎo)體襯底100的方法，在其他的實施方式中還可以選 擇其他工藝或者對上述工藝進行改進，例如在步驟SAll的鍵合之前預(yù)先在第一鍺硅層 101中注入一層氫離子，鍵合之后再通過退火進行剝離等。 附圖7所示，參考步驟Sll，在第一鍺硅層101中形成生長窗口，此處以窗口 111、 112與113表示，所述生長窗口貫穿至下方的支撐襯底103。 由于本具體實施方式
中的襯底103與第一鍺硅層101之間進一步包括隔離層 102，因此所述生長窗口 111、 112以及113貫穿第一鍺硅層101與隔離層102，從而能夠 使支撐襯底103暴露出來。 附圖8與附圖9所示，參考步驟S12，在生長窗口lll、 112與113側(cè)壁的表面 形成側(cè)墻121 126。本具體實施方式
采用優(yōu)選的技術(shù)方案，進一步在第一鍺硅層101的 表面形成介質(zhì)層120。
此步驟可以采用本領(lǐng)域內(nèi)常見的形成側(cè)墻的步驟。首先參考附圖8，在生長窗口 111、 112與113以及第一鍺硅層101的表面覆蓋一層介質(zhì)層120，再參考附圖9，采用干 法刻蝕的方法由上至下刻蝕介質(zhì)層120，露出支撐襯底103。該步驟中，優(yōu)選的方案是只 將覆蓋支撐襯底103的介質(zhì)層120除去，而保留覆蓋第一鍺硅層101的介質(zhì)層，以保證在 后續(xù)生長第二鍺硅層的步驟中，避免在第一鍺硅層101的表面也發(fā)生繼續(xù)生長的現(xiàn)象， 盡量避免第一鍺硅層101與第二鍺硅層之間的相互影響。 由于側(cè)壁位置的介質(zhì)層120是從側(cè)壁橫向生長出來的，因此在由上至下的刻蝕 步驟中能夠得以保留。以上工藝是一種常見的側(cè)墻工藝，在其他的具體實施方式
中，也 可以選擇其他的本領(lǐng)域內(nèi)常見工藝，都應(yīng)視為不超出本發(fā)明的保護范圍。
所述側(cè)墻的材料優(yōu)選為非晶體，并優(yōu)選為氧化硅或者氮化硅。非晶體在生長中 不會受到襯底晶向的影響，可以認(rèn)為其向各個方向的生長是均勻的，以此才能夠才側(cè)壁 處不僅有從襯底向上的縱向生長，也有從側(cè)壁位置的橫向生長，從而通過刻蝕獲得側(cè)墻 121 126。并且，在后續(xù)步驟中，所述窗口lll、 112和113之中會進一步生長具有第 二晶向的第二鍺硅層，因此側(cè)墻121 126能夠降低第二鍺硅層與第一鍺硅層101之間的 晶格失配應(yīng)力。非晶材料可以進一步避免側(cè)墻121 126與第一和第二鍺硅層之間產(chǎn)生 額外的晶格失配應(yīng)力，因此是優(yōu)選的技術(shù)方案。上述機理與隔離層102選用非晶材料的 原因是類似的。 所述側(cè)墻121 126的材料優(yōu)選為絕緣材料，其優(yōu)點在于能夠?qū)Φ谝绘N硅層101 和后續(xù)生長的第二鍺硅層之間實現(xiàn)電學(xué)隔離。 基于上述原因，所述側(cè)墻121 126的厚度優(yōu)選大于20nm，以確保其實現(xiàn)降低 晶格失配應(yīng)力和實現(xiàn)電學(xué)隔離的技術(shù)效果。 附圖10所示，參考步驟S13，在生長窗口中外延生長第二鍺硅層130，所述第二 鍺硅層130與支撐襯底103具有相同的第二晶向。 此步驟中可以采用任何常見的外延工藝生長第二鍺硅層130，由于支撐襯底103 是暴露出來的，因此所述第二鍺硅層130的晶向必然與支撐襯底103的晶向相同。
由于本具體實施方式
中第一鍺硅層101的表面形成了介質(zhì)層120，因此本步驟中 只會在支撐襯底103的表面生長第二鍺硅層130，而不會影響到第一鍺硅層101的狀態(tài)。 在生長時間足夠長的情況下，在窗口中的第二鍺硅層130能夠在介質(zhì)層120的上方相互連
成一體，如附圖io所示。 附圖11所示，參考步驟S14，拋光第一鍺硅層101與第二鍺硅層130，使第一鍺 硅層101與第二鍺硅層130的表面處于同一平面。 無論第二鍺硅層130是否連成一體，本步驟中拋光的結(jié)果都是使第一鍺硅層101 與第二鍺硅層130的表面暴露出來并且處于同一平面上。 附圖12所示，參考步驟S15，注入氧離子并退火，以形成連續(xù)的絕緣埋層140。
該步驟采用本領(lǐng)域內(nèi)常見的隔離氧注入工藝，并根據(jù)所需深度調(diào)整注入的能量 與劑量。 如果位于第一鍺硅層101下方的隔離層102的材料為絕緣材料，可以只在第二鍺 硅層130的下方注入氧離子以形成絕緣埋層，氧離子的注入位置與隔離層的位置水平， 以保證形成的絕緣埋層能夠和隔離層102連成一體。
如果位于第一鍺硅層101下方的隔離層102的材料不是絕緣材料，或者根本未設(shè) 置隔離層102，則需要在第一鍺硅層101與第二鍺硅層130的下方都注入氧離子，以形成 連續(xù)的絕緣埋層140。 在第一鍺硅層101下方的隔離層102的材料為絕緣材料的情況下，為了保證絕緣 埋層140的完整性，也可以在第一鍺硅層101與第二鍺硅層130的下方都注入氧離子，注 入深度與隔離層的水平位置不同，以避免隔離層102對絕緣埋層的形成產(chǎn)生影響，進而 退火形成連續(xù)的絕緣埋層140。 附圖13所示，參考步驟S16，在第一鍺硅層101與第二鍺硅層130表面生長具 有第一晶向的第一應(yīng)變硅層151與具有第二晶向的第二應(yīng)變硅層152。
具體的說，是在在第一鍺硅層101表面生長具有第一晶向的第一應(yīng)變硅層151， 并在第二鍺硅層130表面生長具有第二晶向的第二應(yīng)變硅層152。 本具體實施方式
，已經(jīng)預(yù)先制備了具有兩種不同晶向的材料作為應(yīng)變硅生長的 "籽晶層"，即采用上述已經(jīng)生長了第一鍺硅層101與第二鍺硅層130的襯底進行混合晶 向應(yīng)變硅的生長，其優(yōu)點在于應(yīng)變硅層151與152生長完畢后無需再進行拋光、外延以及 鍵合等工藝，能夠保持應(yīng)變硅的應(yīng)變程度，避免其在后續(xù)工藝中由于環(huán)境的變化而發(fā)生 晶格的弛豫，導(dǎo)致應(yīng)變特性喪失。 附圖14與附圖15所示，參考步驟S17與S18，在第一應(yīng)變硅層101與第二應(yīng)變 硅層130的界面處形成溝槽，并在溝槽中填充非晶材料，以形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
以上步驟為形成淺溝槽隔離的典型工藝，此處不再贅述。 以上步驟S17與S18為可選步驟，由于第一應(yīng)變硅層與第二應(yīng)變硅層之間并無介 質(zhì)隔離，因此上述步驟形成淺溝槽隔離，并與側(cè)墻121 126相互連接，能夠進一步確保 具有不同晶向的第一應(yīng)變硅層與第二應(yīng)變硅層之間充分隔離。 如果考慮到制作淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致應(yīng)變特性的喪失，也可以選用局部氧 化物隔離等其他電學(xué)隔離手段?；蛘卟辉僦苽湟r底的工藝中采取介質(zhì)隔離，而是在制作 器件的工藝中采用PN結(jié)隔離的手段。 本具體實施方式
中，所述第一晶向為(100)晶向，第二晶向為(110)晶向，或者 第一晶向為(110)晶向而第二晶向為(100)晶向。上述兩種晶向分別用于制備N型和P型 MOSFET，可以獲得最大的載流子遷移率。在其他的具體實施方式
中，為了滿足器件對 晶向的特殊需求，也可以選用其他的晶向，例如(lll)等。 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和潤飾，這些改進和潤飾也 應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制備方法，其特征在于，包括如下步驟提供一半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底包括第一鍺硅層與支撐襯底，所述第一鍺硅層具有第一晶向，支撐襯底具有第二晶向；在第一鍺硅層中形成生長窗口，所述生長窗口貫穿至下方的支撐襯底；在生長窗口側(cè)壁的表面形成側(cè)墻；在生長窗口中外延生長第二鍺硅層，所述第二鍺硅層與支撐襯底具有相同的第二晶向；拋光第一與第二鍺硅層，使第一鍺硅層與第二鍺硅層的表面處于同一平面；注入氧離子至半導(dǎo)體襯底中并退火，以形成連續(xù)的絕緣埋層；在第一鍺硅層表面生長具有第一晶向的第一應(yīng)變硅層，并在第二鍺硅層表面生長具有第二晶向的第二應(yīng)變硅層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制備方法，其特征在 于，所述半導(dǎo)體襯底中進一步包括隔離層，所述隔離層設(shè)置于支撐襯底與第一鍺硅層之 間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制備方法，其特征在 于，所述隔離層和側(cè)墻的材料為非晶體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制備方法，其特征在 于，所述隔離層和側(cè)墻的材料為絕緣材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2至4任意一項所述的具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制備方 法，其特征在于，所述隔離層和側(cè)墻的厚度大于20nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制備方法，其特征在 于，在第二鍺硅層的下方注入氧離子以形成絕緣埋層，氧離子的注入位置與隔離層的位 置水平，以保證形成的絕緣埋層能夠和隔離層連成一體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制備方法，其特征在 于，所述第一鍺硅層的厚度大于100nm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制備方法，其特征在 于，所述第一晶向為(100)晶向，第二晶向為(110)晶向，或者第一晶向為(110)晶向而第 二晶向為(IOO)晶向。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制備方法，其特征在 于，進一步包括如下步驟在第一應(yīng)變硅層與第二應(yīng)變硅層的界面處形成溝槽； 在溝槽中填充非晶材料，以形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種具有絕緣埋層的混合晶向應(yīng)變硅襯底制備方法，包括如下步驟提供一半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底包括第一鍺硅層與支撐襯底，所述第一鍺硅層具有第一晶向，支撐襯底具有第二晶向；在第一鍺硅層中形成生長窗口；在生長窗口側(cè)壁的表面形成側(cè)墻；在生長窗口中外延生長第二鍺硅層；拋光第一與第二鍺硅層；注入氧離子至半導(dǎo)體襯底中并退火；在第一與第二鍺硅層表面生長具有第一應(yīng)變硅層與第二應(yīng)變硅層。本發(fā)明的優(yōu)點在于，保證了所有的器件層的下方都有絕緣埋層，以實現(xiàn)器件層和襯底之間的介質(zhì)隔離。并且能夠保持應(yīng)變硅的應(yīng)變程度，避免其在后續(xù)工藝中由于環(huán)境的變化而發(fā)生晶格的弛豫，導(dǎo)致應(yīng)變特性喪失。
文檔編號H01L21/762GK101692436SQ20091019707
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月13日
發(fā)明者張苗, 李顯元, 林成魯, 王曦, 王湘, 魏星 申請人:上海新傲科技股份有限公司;中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所