專利名稱：一種利用層轉(zhuǎn)移和離子注入技術(shù)制備sgoi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(SGOI)的方法，更確切地說是一種利用層轉(zhuǎn)移和離子注入技術(shù)制備SGOI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(biāo)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(SOI)技術(shù)成為推動摩爾定律的兩大利器。現(xiàn)在結(jié) 合了應(yīng)變硅和SOI技術(shù)的絕緣體上應(yīng)變硅技術(shù)受到了大家的日益重視，它被認(rèn)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)(SGOI)。sSOI中張應(yīng)力的存在有利于提高電 子遷移率，但是對空穴遷移率的提升作用并不明顯，而SGOI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SGOI材料，已有一類公知的方法報道，較為典型的方法可以參考 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 wafer bonding fabrication techniques”。在該篇文章中介紹了使用層轉(zhuǎn)移制備SGOI材料的方法。在所 述的方法中，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S iGe材料，需要先在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。為此，本發(fā)明擬將介紹一種制備SGOI材料的新方法。首先制備應(yīng)變SiGe材料，在 應(yīng)變材料轉(zhuǎn)移到Si02/Si結(jié)構(gòu)的支撐襯底上后，通過離子注入和退火工藝使其弛豫，不僅使 材料外延時間縮短而且使所制備的材料性能提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備SGOI材料的方法。包括如下步驟首先在體硅襯 底上(Sisub)使用化學(xué)氣相沉積的方法依次外延Sii_yGey、Siepi, SihGex三種不同的薄膜，其 中0 < χ < 1，0 < y < 1。依據(jù)外延材料中x，y值的不同，選擇外延的SihyGepSihGex薄 膜的厚度，使其都小于臨界厚度，(現(xiàn)在研究和實(shí)驗(yàn)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(dāng)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。臨界厚度與Ge組分χ的關(guān) 系為 hc 0. 0234/ (1+0. 04x)2 X In (hc/4))，對于 SihyGvSihGex 之間外延的 Siepi 則可以是 任意厚度。外延完成后，得到SihGeySiepiZiSihGeyZiSisub結(jié)構(gòu)的多層材料，SihGej^外延材料的上表面，Siepi為外延的Si，Sisub為襯底硅材料。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^/SihGe/S^/SihGeySiCVSi結(jié)構(gòu)的多層材料。通過研磨 的方法，去掉Sisub，得到SihGe/Si^/SihGeySiCVSi結(jié)構(gòu)的材料。其中Si^yGey上面可能 還存在部分的Sisub，選擇合適的第一種化學(xué)溶液，采用選擇性腐蝕的方法，去掉SipyGey上 面存在的Sisub，腐蝕停止在SipyGey表面上。然后選擇合適的第二種化學(xué)溶液，采用選擇性 腐蝕的方法，腐蝕掉剩余的SipyGey，腐蝕停止在Siepi材料上，即得到Si^/SihGeySiCVSi 材料。使用較低劑量(IX IO15CnT2 3X 1016cm_2)的H+、He+或者其他離子注入到Si1Jex/ SiO2材料的界面上，或者注入到SiO2材料中靠近SipxGex的地方，在700 1100°C溫度下 進(jìn)行退火，一方面增加鍵合強(qiáng)度，另一方面使得SihGex材料發(fā)生弛豫，最終形成了 SGOI材 料?；蛲ㄟ^研磨或刻蝕方法先去掉Siepi層，然后再注入和退火，則需在SihGex材料上外延 一層新的Si薄層(詳見實(shí)施例1)。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。
在一個優(yōu)選實(shí)施例中，外延制備出SihGex/Si^/SihGe/Si-結(jié)構(gòu)的多層材料 后，將一定劑量的H+或者He+離子注入到SipyGey材料中，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^/SihGe/Si^/SihGeySiCVSi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SihGe/Si/SihGeySiOySi結(jié)構(gòu)的材料。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SipyGey，腐蝕停止在Siepi材料上，即得到S^/SihGeySiCVSi材料。使 用較低劑量(1015CnT21016Cnr2)的H+、He+或者其他離子注入到SihGeiZSiO2材料的界面上， 或者注入到SiO2材料中靠近SihGex的地方，在700 1100°C溫度下進(jìn)行退火，一方面增加 鍵合強(qiáng)度，另一方面使得SihGex材料發(fā)生弛豫，最終形成了 SGOI材料，或通過研磨或刻蝕 方法先去掉Siepi層，然后再注入和退火，則需在SihGex材料上外延一層新的Si薄層(詳 見實(shí)施例2)。


圖1為本發(fā)明涉及的體硅襯底上外延SihyGvSiepiJihGex截面示意圖，1為體硅 襯底，2 為 SipyGey 層，3 為 Siepi 層，4 為 SihGex 層。圖2為本發(fā)明涉及的外延材料同支撐襯底材料進(jìn)行鍵合后的截面示意圖。5為 SiO2層，6為支撐硅襯底層。圖3為本發(fā)明涉及的進(jìn)行研磨后的材料截面示意圖。圖4為本發(fā)明涉及的進(jìn)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的材料截面示意圖。7為上表面產(chǎn)生了應(yīng)變的硅層，8 為H+、He+的離子注入?yún)^(qū)。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。9為注入H+或者He+聚集區(qū)。
具體實(shí)施例方式下列實(shí)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(shí)施方式11、在體硅襯底上使用化學(xué)氣相沉積的方法依次外延SihGeyAiepPSihGex三種不同的薄膜，其中0<x< l，0<y< 1。依據(jù)外延材料中x，y值的不同，選擇外延的Sii_yGey、 SihGex薄膜的厚度，使其都小于臨界厚度，對于Sii_yGey、Si1Jex之間外延的Siepi則可以 是任意厚度，χ的優(yōu)選范圍為0 < χ彡0. 30，y的優(yōu)選范圍為0 < y彡0. 20，作為一個最優(yōu) 值，χ為0. 25，y為0. 15 (見附圖1)。2、取另一片的硅襯底材料，通過熱氧化，或者等離子體增強(qiáng)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得到的材料去掉體硅Si，使用所述的第一種化學(xué)溶 液為包括TMAH (Tetramethyl ammonium hydroxide四甲基氫氧化氨)或KOH溶液在內(nèi)的化 學(xué)溶液，選擇性腐蝕掉表面剩余的Si，刻蝕停止在SipyGey層(見附圖3)。5、使用所述的第二種化學(xué)溶液為包括體積配比為HNO3 H2O HF(0.5% )= 40 20 5在內(nèi)的化學(xué)溶液(其中HF(0.5% )表示水HF = 200 1)刻蝕掉步驟4剩 余的SipyGey層，刻蝕作用停止在Siepi外延層上(見附圖4)。6、使用H+、He+或者其他離子以IX 1015cm_2 3X 1016cm_2的劑量注入到SihGex/ SiO2材料的界面上，或者注入到SiO2中靠近Si^Gex的地方，在700 1100°C溫度下進(jìn)行 退火，一方面增加鍵合強(qiáng)度，另一方面使得SihGex材料發(fā)生弛豫，相應(yīng)SihGex材料上面的 Siepi材料產(chǎn)生應(yīng)變，完成SGOI材料的制備。其中，優(yōu)選注入離子為H+或者He+，優(yōu)選注入劑 量為IX IO1V2 (見附圖5)。7、如果在步驟5之后用的研磨或刻蝕方法去掉了 Siepi層，則通過化學(xué)氣相沉積的 方法，在步驟6弛豫的SihGex上面外延一層新的Si薄層，由于該層是在SihGex上外延， Si層將保持張應(yīng)變。實(shí)施方式21、在體硅襯底上使用化學(xué)氣相沉積的方法依次外延Si^GepSi^SihGex三種不 同的薄膜，其中0<x< l，0<y< 1。依據(jù)外延材料中x，y值的不同，選擇外延的Sii_yGey、 SihGex薄膜的厚度，使其都小于臨界厚度，對于Si1JvSihGex之間外延的Siepi則可以是 任意厚度(見附圖1)，x的優(yōu)選范圍為0 < χ彡0. 30，y的優(yōu)選范圍為0 < y彡0. 20，作為 一個最優(yōu)值，χ為0. 25，y為0. 15。2、將H+或者He+以5X IO16CnT2 IX 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SipyGey層中(見附圖6)，作為一個優(yōu)選值，H+或He+ 注入劑量為6 X IO16cnT2。3、取一片新的硅襯底材料，通過包括熱氧化?；蛘叩入x子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 (PECVD)，在內(nèi)的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。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。6、使用體積配比為HNO3 H2O HF(0. 5% ) = 40 20 5的化學(xué)溶液或者其 他高SiGe Si刻蝕比的化學(xué)溶液作為選擇性腐蝕溶液，刻蝕掉步驟5剩余的SipyGey層，刻蝕作用停止在Siepi外延層上。7、使用H+、He+或者其他離子以1 X IO15CnT2 3X IO16CnT2的劑量注入到SihGex/ SiO2材料的界面上，或者注入到SiO2中靠近Si^Gex的地方，在700 1100°C溫度下進(jìn)行 退火，一方面增加鍵合強(qiáng)度，另一方面使得SihGex材料發(fā)生弛豫，相應(yīng)SihGex材料上面的 Siepi材料產(chǎn)生應(yīng)變，完成SGOI材料的制備。在該工藝中，優(yōu)選注入離子為H+或者He+，優(yōu)選 注入劑量為IX IO16cnT2。8、如果在步驟6之后用研磨或刻蝕方法去掉了 Siepi層，則通過化學(xué)氣相沉積的方法，在步驟7弛豫的SihGex上面外延一層新的Si薄層，由于該層是在SihGex上外延，Si 層將保持張應(yīng)變。
權(quán)利要求
一種利用層轉(zhuǎn)移和離子注入技術(shù)制備SGOI材料的方法，其特征在于采用下述A或B兩種方法中任一種方法A①在襯底硅材料上使用化學(xué)氣相沉積的方法依次外延Si1-yGey、Siepi、Si1-xGex三種不同的薄膜，其中0＜x＜1，0＜y＜1，依據(jù)外延材料中x，y值的不同，選擇外延的Si1-yGey、Si1-xGex薄膜的厚度，使其都小于臨界厚度；而Si1-yGey、Si1-xGex之間外延的Siepi層的厚度是任意厚度；外延完成后，得到Si1-xGex/Siepi/Si1-yGey/Sisub結(jié)構(gòu)的多層材料，Si1-xGex為外延材料的上表面，Siepi為外延的Si，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的硅襯底材料鍵合，得到Sisub/Si1-yGey/Siepi/Si1-xGex/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的多層材料；③通過研磨的方法，去掉Sisub，得到Si1-yGey/Siepi/Si1-xGex/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的材料，采用選擇性腐蝕的方法，去掉Si1-yGey上面存在的Sisub，使腐蝕停止在Si1-yGey表面上；④然后選擇化學(xué)溶液，采用選擇性腐蝕的方法，腐蝕掉Si1-yGey，使腐蝕停止在Siepi材料上，即得到Siepi/Si1-xGex/SiO2/Si材料；⑤使用1×1015cm-2～3×1016cm-2低劑量的H+或He+離子注入到Si1-xGex/SiO2材料的界面上，或者注入到SiO2材料中靠近Si1-xGex的地方，在700～1100℃溫度下進(jìn)行退火，增加鍵合強(qiáng)度的同時，使得Si1-xGex材料發(fā)生弛豫，相應(yīng)Si1-xGex材料上面的Siepi材料發(fā)生應(yīng)變，最終形成了SGOI材料；方法B①在體硅襯底Sisub上使用化學(xué)氣相沉積的方法依次外延Si1-yGey、Siepi、Si1-xGex三種不同的薄膜，其中0＜x＜1，0＜y＜1，依據(jù)外延材料中x，y值的不同，選擇外延的Si1-yGey、Si1-xGex薄膜的厚度，使其都小于臨界厚度；而Si1-yGey、Si1-xGex之間外延的Siepi層的厚度是任意厚度；外延完成后，得到Si1-xGex/Siepi/Si1-yGey/Sisub結(jié)構(gòu)的多層材料，Si1-xGex為外延材料的上表面，Siepi為外延的Si，Sisub為襯底硅材料；②在外延制備出Si1-xGex/Siepi/Si1-yGey/Sisub結(jié)構(gòu)的多層材料后，將5×1016cm-2～1×1017cm-2的低劑量的H+或者He+離子注入到Si1-yGey材料中；③然后同另一片表面已經(jīng)制備出SiO2的硅襯底材料鍵合，形成Sisub/Si1-yGey/Siepi/Si1-xGex/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的多層材料；④將步驟2制備的多層材料在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Si1-yGey/Si/Si1-xGex/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的材料；⑤選擇化學(xué)溶液，采用選擇性腐蝕的方法，腐蝕掉剩余的Si1-yGey，使腐蝕停止在Siepi材料上，即得到Siepi/Si1-xGex/SiO2/Si材料；⑥再使用1×1015cm-2～3×1016cm-2劑量的H+或He+離子注入到Si1-xGex/SiO2材料的界面上，或者注入到SiO2材料中靠近Si1-xGex處，在700～1100℃溫度下進(jìn)行退火，增加鍵合強(qiáng)度的同時使得Si1-xGex材料發(fā)生弛豫，相應(yīng)Si1-xGex材料上面的Siepi材料發(fā)生應(yīng)變，最終形成了SGOI材料。
2.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于方法A或方法B中0< xO. 30,0 < y ^ 0. 25。
3.按權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于方法A或方法B中x= 0. 25，y = 0. 15。
4.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于方法A或B中另一片硅襯底材料表面的 Si02是通過熱氧化或等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法制備的，厚度為200nm-l u m。
5.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于①在方法A的步驟4之后用研磨或刻蝕方法去掉層，則通過化學(xué)氣相沉積的方法， 在步驟5弛豫的SihGe,上面外延一層新的Si薄層，Si薄層將保持張應(yīng)變；②在方法B的步驟5之后用研磨或刻蝕方法去掉層，則通過化學(xué)氣相沉積的方法， 在步驟6弛豫的SihGe,上面外延一層新的Si薄層，Si薄層將保持張應(yīng)變。
6.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于①方法A步驟3中采用包括TMAH或K0H溶液的化學(xué)溶液選擇性腐蝕襯底硅材料；②方法A步驟4和方法B步驟5所述的選擇化學(xué)溶液包括體積比為HN03 H20 0.5% HF = 40 20 5在內(nèi)的化學(xué)溶液作為選擇性腐蝕液，其中0.5% HF表示水HF = 200 1。
7.按權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于①方法A步驟5中H+或He+注入劑量為1X 1016cm_2 ；②方法B步驟2中H+或He+注入劑量為6X 1016cm_2 ；③方法B步驟6中H+或He+注入劑量為1X 1016Cm_2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備絕緣體上鍺硅(SGOI)材料的方法。首先在體硅上外延Si1-xGex/Siepi/Si1-yGey結(jié)構(gòu)的多層材料，其中0＜x＜1，0＜y＜1，Si1-xGex為外延材料的上表面。控制外延的Si1-xGex和Si1-yGey薄膜的厚度，使其都小于臨界厚度，以保證這兩層薄膜都是完全應(yīng)變的。然后使用層轉(zhuǎn)移的方法將Si1-xGex/Si/Si1-yGey轉(zhuǎn)移到一個SiO2/Si結(jié)構(gòu)的支撐材料上，形成Si1-yGey/Si/Si1-xGex/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的多層材料。使用選擇性腐蝕的方法去掉頂層的Si1-yGey，最后通過離子注入及退火，使得材料中的Si1-xGex發(fā)生弛豫，相應(yīng)的頂層Si發(fā)生應(yīng)變，得到Si/Si1-xGex/SiO2/Si的SGOI材料。
文檔編號H01L21/20GK101866875SQ20101018931
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