一种利用层转移和离子注入技术制备ＳＧＯＩ材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备绝缘体上锗硅（ＳＧＯＩ）材料的方法。首先在体硅上外延Ｓｉ１－ｘＧｅｘ／Ｓｉｅｐｉ／Ｓｉ１－ｙＧｅｙ结构的多层材料，其中０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，Ｓｉ１－ｘＧｅｘ为外延材料的上表面。控制外延的Ｓｉ１－ｘＧｅｘ和Ｓｉ１－ｙＧｅｙ薄膜的厚度，使其都小于临界厚度，以保证这两层薄膜都是完全应变的。然后使用层转移的方法将Ｓｉ１－ｘＧｅｘ／Ｓｉ／Ｓｉ１－ｙＧｅｙ转移到一个ＳｉＯ２／Ｓｉ结构的支撑材料上，形成Ｓｉ１－ｙＧｅｙ／Ｓｉ／Ｓｉ１－ｘＧｅｘ／ＳｉＯ２／Ｓｉ结构的多层材料。使用选择性腐蚀的方法去掉顶层的Ｓｉ１－ｙＧｅｙ，最后通过离子注入及退火，使得材料中的Ｓｉ１－ｘＧｅｘ发生弛豫，相应的顶层Ｓｉ发生应变，得到Ｓｉ／Ｓｉ１－ｘＧｅｘ／ＳｉＯ２／Ｓｉ的ＳＧＯＩ材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制备绝缘体上锗硅(SGOI)的方法，更确切地说是一种利用层转移和离子注入技术制备SGOI材料的方法，属于微电子与固体电子学

技术介绍
制备更小尺寸、更高性能的器件一直是半导体工业发展的目标和方向，随着半导 体技术的发展，单纯依靠硅材料已经无法制备出足够高速，低功耗的晶体管。从90nm工艺 开始，应变硅(sSi)技术和绝缘体上硅(SOI)技术成为推动摩尔定律的两大利器。现在结 合了应变硅和SOI技术的绝缘体上应变硅技术受到了大家的日益重视，它被认为是下一代 CMOS工艺的优选衬底材料之一。绝缘体上应变硅材料一般分成两种，一种是应变硅材料直接结合到硅衬底的绝 缘层上，形成sSi/Si02/Si的三明治结构(sSOI)；另一种是应变硅和绝缘层之间还有一层 SiGe层，形成sSi/SiGe/Si02/Si的四层结构(SGOI)。sSOI中张应力的存在有利于提高电 子迁移率，但是对空穴迁移率的提升作用并不明显，而SGOI作为一种双沟道材料，由于应 变硅层中的张应力和SiGe层中的压应力的共同作用，材料中的电子和空穴迁移率同时得 到提高。对于制备SGOI材料，已有一类公知的方法报道，较为典型的方法可以参考 Taraschi 等人于 2004 年发表在 Solid-State Electronics 的第 48 卷第 8 期 1297-1305 页的文章，题目为"Strained Si, SiGe, and Ge on-insulator :reviewof wafer bonding fabrication techniques”。在该篇文章中介绍了使用层转移制备SGOI材料的方法。在所 述的方法中，首先外延弛豫SiGe材料，然后将弛豫的SiGe材料转移到Si02/Si结构的支撑 衬底上。为了外延弛豫S iGe材料，需要先在体硅上外延几个微米的渐变缓冲层，材料外延 往往需要几个甚至十几个小时的时间。为此，本专利技术拟将介绍一种制备SGOI材料的新方法。首先制备应变SiGe材料，在 应变材料转移到Si02/Si结构的支撑衬底上后，通过离子注入和退火工艺使其弛豫，不仅使 材料外延时间缩短而且使所制备的材料性能提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备SGOI材料的方法。包括如下步骤首先在体硅衬 底上(Sisub)使用化学气相沉积的方法依次外延Sii_yGey、Siepi, SihGex三种不同的薄膜，其 中0 < χ < 1，0 < y < 1。依据外延材料中x，y值的不同，选择外延的SihyGepSihGex薄 膜的厚度，使其都小于临界厚度，(现在研究和实验已经发现，在Si衬底上外延SiGe薄膜的 时候，存在一个临界厚度，当外延的SiGe薄膜厚度小于该临界厚度的时候，SiGe材料是完 全应变的，该临界厚度随SiGe材料中Ge的组分的增加而降低。临界厚度与Ge组分χ的关 系为 hc 0. 0234/ (1+0. 04x)2 X In (hc/4))，对于 SihyGvSihGex 之间外延的 Siepi 则可以是 任意厚度。外延完成后，得到SihGeySiepiZiSihGeyZiSisub结构的多层材料，SihGej^外延材料的上表面，Siepi为外延的Si，Sisub为衬底硅材料。将该材料同另一片表面已经制备出SiO2 的Si衬底材料键合，得到Si^/SihGe/S^/SihGeySiCVSi结构的多层材料。通过研磨 的方法，去掉Sisub，得到SihGe/Si^/SihGeySiCVSi结构的材料。其中Si^yGey上面可能 还存在部分的Sisub，选择合适的第一种化学溶液，采用选择性腐蚀的方法，去掉SipyGey上 面存在的Sisub，腐蚀停止在SipyGey表面上。然后选择合适的第二种化学溶液，采用选择性 腐蚀的方法，腐蚀掉剩余的SipyGey，腐蚀停止在Siepi材料上，即得到Si^/SihGeySiCVSi 材料。使用较低剂量(IX IO15CnT2 3X 1016cm_2)的H+、He+或者其他离子注入到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温度下 进行退火，一方面增加键合强度，另一方面使得SihGex材料发生弛豫，最终形成了 SGOI材 料。或通过研磨或刻蚀方法先去掉Siepi层，然后再注入和退火，则需在SihGex材料上外延 一层新的Si薄层(详见实施例1)。相对于传统方法需要外延几微米甚至十几微米的缓冲 层，使用本专利技术制备SGOI只需要外延0. 1-0. 5微米左右的薄膜，可以大大节省外延时间，降 低成本。 在一个优选实施例中，外延制备出SihGex/Si^/SihGe/Si-结构的多层材料 后，将一定剂量的H+或者He+离子注入到SipyGey材料中，然后同另一片表面已经制备出 SiO2的Si衬底材料键合，形成Si^/SihGe/Si^/SihGeySiCVSi结构的多层材料。将该 材料在400 600°C温度下退火，使得材料在H+或者He+离子注入射程附近发生层分离，得 到SihGe/Si/SihGeySiOySi结构的材料。选择合适的化学溶液，采用选择性腐蚀的方 法，腐蚀掉剩余的SipyGey，腐蚀停止在Siepi材料上，即得到S^/SihGeySiCVSi材料。使 用较低剂量(1015CnT21016Cnr2)的H+、He+或者其他离子注入到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温度下进行退火，一方面增加 键合强度，另一方面使得SihGex材料发生弛豫，最终形成了 SGOI材料，或通过研磨或刻蚀 方法先去掉Siepi层，然后再注入和退火，则需在SihGex材料上外延一层新的Si薄层(详 见实施例2)。附图说明图1为本专利技术涉及的体硅衬底上外延SihyGvSiepiJihGex截面示意图，1为体硅 衬底，2 为 SipyGey 层，3 为 Siepi 层，4 为 SihGex 层。图2为本专利技术涉及的外延材料同支撑衬底材料进行键合后的截面示意图。5为 SiO2层，6为支撑硅衬底层。图3为本专利技术涉及的进行研磨后的材料截面示意图。图4为本专利技术涉及的进行了选择性腐蚀后的材料截面示意图。图5为本专利技术涉及的SGOI的材料截面示意图。7为上表面产生了应变的硅层，8 为H+、He+的离子注入区。图6为本专利技术涉及的H+或者He+以5X IO16cnT2 IX IO17cnT2的剂量注入到外延 薄膜后的材料截面示意图。9为注入H+或者He+聚集区。具体实施例方式下列实施例将有助于理解本专利技术，但并不限制本专利技术的内容。实施方式11、在体硅衬底上使用化学气相沉积的方法依次外延SihGeyAiepPSihGex三种不同的薄膜，其中0<x< l，0<y< 1。依据外延材料中x，y值的不同，选择外延的Sii_yGey、 SihGex薄膜的厚度，使其都小于临界厚度，对于Sii_yGey、Si1Jex之间外延的Siepi则可以 是任意厚度，χ的优选范围为0 < χ彡0. 30，y的优选范围为0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用层转移和离子注入技术制备ＳＧＯＩ材料的方法，其特征在于采用下述Ａ或Ｂ两种方法中任一种：方法Ａ①在衬底硅材料上使用化学气相沉积的方法依次外延Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］、Ｓｉ↓［ｅｐｉ］、Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］三种不同的薄膜，其中０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，依据外延材料中ｘ，ｙ值的不同，选择外延的Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］、Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］薄膜的厚度，使其都小于临界厚度；而Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］、Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］之间外延的Ｓｉ↓［ｅｐｉ结构的多层材料，Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］为外延材料的上表面，Ｓｉ↓［ｅｐｉ］为外延的Ｓｉ，Ｓｉ↓［ｓｕｂ］为衬底硅材料；②在外延制备出Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］／Ｓｉ↓［ｅｐｉ］／Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］／Ｓｉ↓［ｓｕｂ］结构的多层材料后，将５×１０↑［１６］ｃｍ↑［－２］～１×１０↑［１７］ｃｍ↑［－２］的低剂量的Ｈ↑［＋］或者Ｈｅ↑［＋］离子注入到Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］材料中；③然后同另一片表面已经制备出ＳｉＯ↓［２］的硅衬底材料键合，形成Ｓｉ↓［ｓｕｂ］／Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］／Ｓｉ↓［ｅｐｉ］／Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］／ＳｉＯ↓［２］／Ｓｉ结构的多层材料；④将步骤２制备的多层材料在４００～６００℃温度下退火，使得材料在Ｈ↑［＋］或者Ｈｅ↑［＋］离子注入射程附近发生层分离，得到Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］／Ｓｉ／Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］／ＳｉＯ↓［２］／Ｓｉ结构的材料；⑤选择化学溶液，采用选择性腐蚀的方法，腐蚀掉剩余的Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］，使腐蚀停止在Ｓｉ↓［ｅｐｉ］材料上，即得到Ｓｉ↓［ｅｐｉ］／Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］／ＳｉＯ↓［２］／Ｓｉ材料；⑥再使用１×１０↑［１５］ｃｍ↑［－２］～３×１０↑［１６］ｃｍ↑［－２］剂量的Ｈ↑［＋］或Ｈｅ↑［＋］离子注入到Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］／ＳｉＯ↓［２］材料的界面上，或者注入到ＳｉＯ↓［２］材料中靠近Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］处，在７００～１１００℃温度下进行退火，增加键合强度的同时使得Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］材料发生弛豫，相应Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］材料上面的Ｓｉ↓［ｅｐｉ］材料发生应变，最终形成了ＳＧＯＩ材料。］层的厚度是任意厚度；外延完成后，得到Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］／Ｓｉ↓［ｅｐｉ］／Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］／Ｓｉ...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张苗，薛忠营，张波，魏星，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海新傲科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]