專利名稱：在絕緣襯底上形成有高Ge應(yīng)變層的結(jié)構(gòu)及形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體設(shè)計(jì)及制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在絕緣襯底上形成有高Ge 應(yīng)變層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法。
背景技術(shù)：
近年來開發(fā)出SOI (絕緣體上硅)的絕緣襯底來代替體硅襯底的集成電路，通過使 用SOI襯底，可以減小晶體管的漏極與襯底之間的寄生電容，從而可以提供半導(dǎo)體集成電 路的性能。然而隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸的不斷縮小使得單個(gè)晶體管的尺寸逐漸達(dá)到物理 和技術(shù)的雙重極限，因此以Si作為溝道材料的CMOS器件的遷移率變得越來越低，已經(jīng)無法 滿足器件性能不斷提升的要求。為了解決這種問題，現(xiàn)有技術(shù)引入了應(yīng)變技術(shù)來提高硅材 料的遷移率，或者直接采用其它的遷移率更高的材料來代替Si作為器件的溝道材料，其中 由于Ge材料具有比較高的空穴載流子遷移率而得到廣關(guān)注。Ge材料或高Ge組分的SiGe 材料在研究中都呈現(xiàn)出了遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有Si材料的空穴遷移率，因此非常適合于應(yīng)用于在 未來CMOS工藝中制備PMOS器件。因此，現(xiàn)有技術(shù)已將絕緣層(例如SiO2)應(yīng)用在Ge材料器件中以改善半導(dǎo)體器件 的性能，例如采用在絕緣層之上直接形成Ge層作為溝道層?，F(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)是，絕緣層和Ge層之間的界面非常差，因此會(huì)引起比較嚴(yán)重 的散射和漏電，從而影響器件性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是解決現(xiàn)有技術(shù)中絕緣層和 高Ge組分層之間界面差的問題。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面提出一種在絕緣襯底上形成有高Ge應(yīng)變層的半 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括襯底層；形成在所述襯底層之上的絕緣層；形成在所述絕緣層之上的應(yīng)變 薄膜層；形成在所述應(yīng)變薄膜層之上的高Ge應(yīng)變層；和形成在所述高Ge應(yīng)變層之上的柵堆疊。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可以在所述高Ge應(yīng)變層之上形成應(yīng)變Si層或者低Ge 組分的應(yīng)變SiGe層，從而形成Si-Ge-Si結(jié)構(gòu)，不僅可以解決BTBT漏電問題，還可以解決柵 介質(zhì)層與溝道間的表面態(tài)問題。本發(fā)明另一方面提出了一種在絕緣襯底上形成高Ge應(yīng)變層的方法，包括以下步 驟提供第一基板，所述第一基板包括第一襯底和形成在所述第一襯底之上的弛豫SiGe 層；在所述弛豫SiGe層之上形成應(yīng)變薄膜層；注入H以所述應(yīng)變薄膜層之下形成H注入層； 將所述第一基板和所述應(yīng)變薄膜層翻轉(zhuǎn)，并鍵合至第二基板，其中，所述第二基板包括第二 襯底和形成在所述第二襯底之上的絕緣層；進(jìn)行熱處理以剝離所述第一基板；和在所述應(yīng) 變薄膜層之上形成高Ge應(yīng)變層。
且在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可在弛豫SiGe層之上重復(fù)形成應(yīng)變薄膜層，因此可 以極大地降低制造成本。本發(fā)明通過在絕緣層和高Ge應(yīng)變層之間形成的應(yīng)變薄膜層，從而可以有效解決 絕緣層和高Ge組分層之間界面差的問題。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的在絕緣襯底上形成有高Ge應(yīng)變層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意 圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例二的在絕緣襯底上形成有高Ge應(yīng)變層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意 圖；圖3-9為本發(fā)明實(shí)施例的在絕緣襯底上形成高Ge應(yīng)變層的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。下文的公開提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡 化本發(fā)明的公開，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且 目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重 復(fù)是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此 夕卜，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到 其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之 “上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實(shí)施例，也可以包括另外的特征形 成在第一和第二特征之間的實(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例的在絕緣襯底上形成有高Ge應(yīng)變層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的 示意圖。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括襯底層110，例如體Si層等，形成在襯底層110之上的絕緣層 120，例如SiO2等，形成在絕緣層120之上的應(yīng)變薄膜層130、和形成在應(yīng)變薄膜層130之上 的高Ge應(yīng)變層140，以及形成在高Ge應(yīng)變層140之上的柵堆疊160。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施 例中，高Ge應(yīng)變層140可包括Ge層或高Ge組分的SiGe層，應(yīng)變薄膜層130可包括應(yīng)變Si 層或者低Ge組分的應(yīng)變SiGe層。其中，優(yōu)選地，應(yīng)變薄膜層130的厚度約為3-50nm。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，還可在高Ge應(yīng)變層140之上再形成一層應(yīng)變Si 層或者低Ge組分的應(yīng)變SiGe層150，如圖2所示，從而形成Si-Ge-Si結(jié)構(gòu)，不僅可以解決 BTBT漏電問題，還可以解決柵介質(zhì)層與溝道間的表面態(tài)問題。為了更清楚的理解本發(fā)明實(shí)施例提出的上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還提出了形成上 述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的實(shí)施例，需要注意的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)選擇多種工藝進(jìn)行制造，例如不同類型的產(chǎn)品線，不同的工藝流程等等，但是這些工藝制造 的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)如果采用與本發(fā)明上述結(jié)構(gòu)基本相同的結(jié)構(gòu)，達(dá)到基本相同的效果，那么也 應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。為了能夠更清楚的理解本發(fā)明，以下將具體描述形成本 發(fā)明上述結(jié)構(gòu)的方法及工藝，還需要說明的是，以下步驟僅是示意性的，并不是對(duì)本發(fā)明的 限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可通過其他工藝實(shí)現(xiàn)。如圖3-9所示，為本發(fā)明實(shí)施例的在絕緣襯底上形成高Ge應(yīng)變層的方法流程圖， 包括以下步驟步驟SlOl，分別提供第一基板200和第二基板300，其中，第一基板200包括第一 襯底210和形成在第一襯底210之上的弛豫SiGe層220，如圖3所示。例如，第一襯底210 可為體Si襯底等。其中，第二基板300包括第二襯底310和形成在第二襯底310之上的絕 緣層320，例如SiO2等，如圖3所示。步驟S102，在第一基板200的弛豫SiGe層220之上形成應(yīng)變薄膜層230，優(yōu)選地， 應(yīng)變薄膜層230約為3-50nm，如圖4所示。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)變薄膜層230可包 括應(yīng)變Si層或者低Ge組分的應(yīng)變SiGe層。步驟S103，注入高濃度H，以在應(yīng)變薄膜層230之下形成一層高濃度H注入層，如 圖5所示。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，還可注入含H的物質(zhì)，例如H/He、H/Ar共注入等，當(dāng) 然本領(lǐng)域技術(shù)人員還可選擇其他還H物質(zhì)進(jìn)行注入，這些均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之 內(nèi)。步驟S104，將第一基板200和應(yīng)變薄膜層230翻轉(zhuǎn)，并轉(zhuǎn)移至第二基板300，如圖 6所示。步驟S105，進(jìn)行熱處理并剝離第一基板200，如圖7所示，例如加熱到400-600°C左 右，使得H與H原子結(jié)合形成H2分子，或者利用微波輔助加熱技術(shù)，在加熱至200°C以上的 同時(shí)對(duì)第一基板200施加微波輻照，使得H與H原子在較低溫度下結(jié)合形成H2分子，從而 將應(yīng)變薄膜層230與弛豫SiGe層220在H注入層的地方分開，以將第一基板200剝離。在 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可通過對(duì)H注入的精確控制，使得H注入層恰形成在弛豫SiGe層 220和應(yīng)變薄膜層230之間。當(dāng)然H注入層也可形成在應(yīng)變薄膜層230中，或者也可形成在 弛豫SiGe層220之中，之后在將殘留在應(yīng)變薄膜層230之上的SiGe材料去除即可，例如可 通過化學(xué)機(jī)械拋光去除，當(dāng)然也可采用其他方式去除。步驟S106，在所述應(yīng)變薄膜層230之上形成高Ge應(yīng)變層240，如圖8所示。在本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，高Ge應(yīng)變層330可包括Ge層或高Ge組分的SiGe層。步驟S107，優(yōu)選地，還可在高Ge應(yīng)變層240之上，形成應(yīng)變Si層或者低Ge組分的 應(yīng)變SiGe層250，以及形成柵堆疊260，如圖9所示。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可通過化 學(xué)氣相淀積的方式形成應(yīng)變Si層或者低Ge組分的應(yīng)變SiGe層250。在本發(fā)明上述實(shí)施例中，可以重復(fù)地在弛豫SiGe層220之上形成應(yīng)變薄膜層230 并重復(fù)利用弛豫SiGe層220，接著將其剝離，從而可以大大地降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明通過在絕緣層和高Ge應(yīng)變層之間形成應(yīng)變薄膜層，從而可以有效解決絕 緣層和高Ge組分層之間界面差的問題。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以 理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換
5和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限 定。
權(quán)利要求
一種在絕緣襯底上形成有高Ge應(yīng)變層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括襯底層；形成在所述襯底層之上的絕緣層；形成在所述絕緣層之上的應(yīng)變薄膜層；形成在所述應(yīng)變薄膜層之上的高Ge應(yīng)變層；和形成在所述高Ge應(yīng)變層之上的柵堆疊。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中，所述高Ge應(yīng)變層包括Ge層或 高Ge組分的SiGe層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中，所述應(yīng)變薄膜層包括應(yīng)變 Si層或者低Ge組分的應(yīng)變SiGe層。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中，所述應(yīng)變薄膜層的厚度為 3_50nmo
5.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括形成在所述高Ge應(yīng)變層和 所述柵堆疊之間的應(yīng)變Si層或者低Ge組分的應(yīng)變SiGe層。
6.一種在絕緣襯底上形成高Ge應(yīng)變層的方法，其特征在于，包括以下步驟提供第一基板，所述第一基板包括第一襯底和形成在所述第一襯底之上的弛豫SiGe層；在所述弛豫SiGe層之上形成應(yīng)變薄膜層； 注入H以所述應(yīng)變薄膜層之下形成H注入層；將所述第一基板和所述應(yīng)變薄膜層翻轉(zhuǎn)，并鍵合至第二基板，其中，所述第二基板包括 第二襯底和形成在所述第二襯底之上的絕緣層； 進(jìn)行熱處理以剝離所述第一基板；和 在所述應(yīng)變薄膜層之上形成高Ge應(yīng)變層。
7.如權(quán)利要求6所述的在絕緣襯底上形成高Ge應(yīng)變層的方法，其特征在于，其中，所述 高Ge應(yīng)變層包括Ge層或高Ge組分的SiGe層。
8.如權(quán)利要求6或7所述的在絕緣襯底上形成高Ge應(yīng)變層的方法，其特征在于，其中， 所述應(yīng)變薄膜層包括應(yīng)變Si層或者低Ge組分的應(yīng)變SiGe層。
9.如權(quán)利要求8所述的在絕緣襯底上形成高Ge應(yīng)變層的方法，其特征在于，其中，所述 應(yīng)變薄膜層的厚度為3-50nm。
10.如權(quán)利要求8所述的在絕緣襯底上形成高Ge應(yīng)變層的方法，其特征在于，還包括 在所述高Ge應(yīng)變層之上形成應(yīng)變Si層或者低Ge組分的應(yīng)變SiGe層。
11.如權(quán)利要求8所述的在絕緣襯底上形成高Ge應(yīng)變層的方法，其特征在于，在所述剝 離應(yīng)變薄膜層之后，還包括在所述第一基板的弛豫SiGe層之上再次形成應(yīng)變薄膜層，以重復(fù)生成應(yīng)變薄膜層并 重復(fù)利用所述弛豫SiGe層。
全文摘要
本發(fā)明提出一種在絕緣襯底上形成有高Ge應(yīng)變層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括襯底層；形成在所述襯底層之上的絕緣層；形成在所述絕緣層之上的應(yīng)變薄膜層；形成在所述應(yīng)變薄膜層之上的高Ge應(yīng)變層；和形成在所述高Ge應(yīng)變層之上的柵堆疊。本發(fā)明通過在絕緣層和高Ge應(yīng)變層之間形成應(yīng)變薄膜層，從而可以有效解決絕緣層和高Ge組分層之間界面差的問題。
文檔編號(hào)H01L27/12GK101882624SQ20101021208
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者王敬, 許軍, 郭磊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)