絕緣體上半導體結構以及製備方法與流程

2023-10-26 14:46:12

本發明涉及半導體技術以及半導體製造領域，具體而言，本發明涉及絕緣體上半導體結構以及製備方法。

背景技術：

隨著半導體技術的發展，金屬-氧化物-半導體場效應電晶體(MOSFET)的特徵尺寸不斷縮小，其工作速度也不斷提高。然而，基於「摩爾定律」(Moore’s law)的矽集成電路已快速發展數十年，對於基於Si材料本身而言，目前的MOSFET器件已經接近於物理與技術的雙重極限。因而，為了進一步提升MOSFET器件的性能，本領域技術人員提出了各種提升MOSFET器件性能的方法。例如，將III-V族銻化物半導體材料，與具有SiO2絕緣層的Si片直接鍵合形成絕緣體上半導體(Semiconductor-on-insulator)結構就是一種具有高電子和空穴遷移率的半導體材料，具有很好的應用前景。例如，GaSb材料與具有SiO2絕緣層的Si片鍵合，可以形成GaSbOI(GaSb-on-insulator)結構。該結構不僅具有很高的電子遷移率，也具有較高的空穴遷移率，還使得GaSb等材料可以避免由於不易與Si晶片集成在一起，而無法應用於Si基MOSFET元件和電路的限制。

然而，目前的絕緣體上半導體結構及其製備方法仍有待改進。

技術實現要素：

本發明是基於發明人對以下事實和問題的發現和認識而做出的：

現有的絕緣體上半導體製備技術是智能剝離(Smart-cut)技術，即先向III-V族銻化物半導體晶片中注入氫離子，然後將III-V族銻化物半導體晶片與具有SiO2等絕緣氧化物表層的Si片直接鍵合，再利用高溫退火實現剝離，形成絕緣體上半導體結構。然而，目前的III-V族銻化物半導體晶片的晶片直徑不大。例如，現有的可售GaSb拋光片直徑大約在2英寸，因此利用上述智能剝離技術難以獲得更大直徑(例如8-12英寸)的絕緣體上半導體結構，而目前主流Si片直徑為8-12英寸，因此製備的絕緣體上半導體結構難以直接替代Si基半導體結構用於MOSFET器件。並且，上述智能剝離技術不易獲得銻化物層很薄(小於100nm)的絕緣體上半導體結構，而先進的器件結構往往要求絕緣體上半導體薄膜中的銻化物薄膜厚度要低於100nm以下。

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

在本發明的一個方面，本發明提出了一種製備絕緣體上半導體結構的方法。根據本發明的實施例，該方法包括：(1)在基底的上表面依次形成銻化物過渡層和銻化物半導體層，以便獲得第一複合體；(2)對所述第一複合體進行離子注入處理，所述注入的離子中含氫離子；(3)將所述第一複合體與襯底進行鍵合處理，以便獲得第二複合體，其中，所述襯底的上表面具有絕緣層，並且所述鍵合處理中所述絕緣層與所述銻化物半導體層接觸；以及(4)對所述第二複合體進行剝離處理，以便分別獲得第三複合體和所述絕緣體上半導體結構。該方法操作步驟簡單，對儀器設備要求較低，並且可以避免利用銻化物晶片進行製備時，由於晶片尺寸過小而對絕緣體上半導體結構的尺寸造成限制。

根據本發明的實施例，所述銻化物過渡層和所述銻化物半導體層分別獨立地由III-V族銻化物半導體材料形成的。

根據本發明的實施例，所述III-V族銻化物半導體材料為MSb，其中，所述M為Ga、In、以及Al的至少之一。

根據本發明的實施例，所述III-V族銻化物半導體材料為GaSb、InSb、AlSb、InxGa1-xSb、AlyGa1-ySb、InzAl1-zSb以及InmAlnGa1-m-nSb的至少之一，其中，x、y、z、m以及n分別獨立地大於0且小於1。

根據本發明的實施例，所述銻化物半導體層以及所述銻化物過渡層分別獨立地通過外延生長形成。由此，可以進一步提高形成的銻化物半導體層的質量。

根據本發明的實施例，在步驟(1)中，形成所述銻化物過渡層之前，預先在所述基底的上表面形成基底過渡層。銻化物半導體層與基底過渡層之間具有更加優質的界面狀態，基底過渡層可以起到降低異質外延時的缺陷密度，阻礙基底元素(如Si)向表面擴散而進入銻化物過渡層，從而可以進一步提高最終形成的絕緣體上半導體結構的質量。

根據本發明的實施例，所述基底過渡層的厚度不小於1微米。由此，可以進一步提高基底過渡層的質量。

根據本發明的實施例，在步驟(1)中，形成所述銻化物半導體層之前，預先在所述銻化物過渡層的上表面形成離子吸附層。由此，可以利用離子吸附層提高對注入的氫離子的吸附以及聚集能力，從而有利於降低剝離處理所需要的氫離子的注入劑量。

根據本發明的實施例，所述離子吸附層包括前面所述的III-V族銻化物半導體材料，所述離子吸附層中的所述III-V族銻化物半導體材料與所述銻化物過渡層和所述銻化物半導體層中的所述III-V族銻化物半導體材料具有不同的晶格常數。由此，可以進一步提高離子吸附層對注入的氫離子的吸附以及聚集能力。

根據本發明的實施例，所述離子吸附層的厚度為2-50nm。

根據本發明的實施例，在步驟(4)中，所述剝離處理是在所述離子吸附層中進行的。

根據本發明的實施例，所述襯底與所述基底分別獨立地是由矽形成的。

根據本發明的實施例，在步驟(1)中進一步包括：在所述銻化物半導體層上表面形成第一鈍化層。由此，可以進一步改善銻化物半導體層與絕緣層(氧化物)之間的界面狀態。

根據本發明的實施例，進一步包括：在所述絕緣體上半導體結構上表面形成第二鈍化層。由此，可以進一步提高絕緣體上半導體結構的性能。

根據本發明的實施例，所述離子注入處理的注入劑量為：0.5×1016/cm2～1×1017/cm2。本發明所提出的方法可以在上述注入劑量下實現剝離處理，較現有的智能剝離技術有較大的降低，從而有利於降低生產成本。

根據本發明的實施例，所述離子注入處理時，所述第一複合體的溫度為200-600攝氏度。由此，有利於進一步降低注入劑量。

根據本發明的實施例，在所述絕緣體上半導體結構中，所述銻化物半導體層的厚度小於100nm。由此，有利於進一步提高絕緣體上半導體結構的性能。

根據本發明的實施例，在步驟(1)之後，步驟(2)之前，預先對所述第一複合體的上表面進行拋光處理和/或退火處理。由此，有利於獲得平坦的上表面，從而可以改善後續鍵合處理的鍵合質量。

根據本發明的實施例，所述退火處理是在含氫氣氣氛中以及600～1100攝氏度的條件下進行的。由此，可以提高退火處理的效果。

根據本發明的實施例，所述剝離處理包括溫度為200-600攝氏度的退火。

根據本發明的實施例，該方法進一步包括：在步驟(4)之後，對獲得的所述絕緣體上半導體結構表面進行拋光處理和/或退火處理。由此，可以進一步提高獲得的絕緣體上半導體結構的表面平整度。

根據本發明的實施例，該方法進一步包括：將所述第三複合體回收利用，返回至步驟(2)中進行離子注入處理。由此，可以對第三複合體進行反覆利用，一方面可以節省生產成本，另一方面可以提高生產效率，縮短生產時間。

根據本發明的實施例，在將所述第三複合體返回至步驟(2)之前，預先對所述第三複合體進行下列處理：對所述第三複合體的上表面進行拋光處理和/或退火處理；和在所述第三複合體的上表面形成所述銻化物半導體層。由此，可以進一步提高對第三複合體進行重複利用的效果。

在本發明的另一方面，本發明提出了一種絕緣體上半導體結構。根據本發明的實施例，所述絕緣體上半導體結構是由前面所述的方法形成的。由此，該絕緣體上半導體結構具有前面描述的方法獲得的絕緣體上半導體結構所具有的全部特徵以及優點，在此不再贅述。

根據本發明的實施例，所述絕緣體上半導體結構中所述銻化物半導體層的直徑不小於6英寸。由於該絕緣體上半導體結構是利用前面所述的方法形成的，因此，該絕緣體上半導體結構中，銻化物半導體層的尺寸可以不受銻化物晶片尺寸的限制。

附圖說明

圖1是根據本發明一個實施例的製備絕緣體上半導體結構的方法的流程示意圖；

圖2是根據本發明另一個實施例的製備絕緣體上半導體結構的方法的流程示意圖；

圖3是根據本發明又一個實施例的製備絕緣體上半導體結構的方法的流程示意圖；

圖4是根據本發明又一個實施例的製備絕緣體上半導體結構的方法的流程示意圖；

圖5是根據本發明又一個實施例的製備絕緣體上半導體結構的方法的流程示意圖；

圖6是根據本發明一個實施例的絕緣體上半導體結構的結構示意圖；以及

圖7是根據本發明另一個實施例的絕緣體上半導體結構的結構示意圖。

附圖說明：

1000：第一複合體；2000：第二複合體；3000：第三複合體；4000：絕緣體上半導體結構；

100：基底；200：銻化物過渡層；300：銻化物半導體層；400：離子吸附層；500：襯底；600：絕緣層；

700：絕緣體上半導體結構中的銻化物半導體層；800：第三複合體中剩餘銻化物半導體層；10：基底過渡層；20：第一鈍化層；30：第二鈍化層；1A：絕緣體上半導體結構中殘留離子吸附層；1B：第三複合體中剩餘離子吸附層。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號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施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語「上」、「下」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

在本發明中，術語「絕緣體上半導體結構」特指絕緣層上表面具有III-V族銻化物半導體材料的結構(Semiconductor on insulator)。該絕緣體上半導體結構包括III-V族銻化物半導體材料、絕緣層以及襯底。也即是說，當III-V族銻化物半導體材料為GaSb時，絕緣體上半導體結構為GaSbOI結構；當III-V族銻化物半導體材料為InSb時，絕緣體上半導體結構為InSbOI結構；當III-V族銻化物半導體材料為AlSb時，絕緣體上半導體結構為AlSbOI結構。

在本發明的一個方面，本發明提出了一種製備絕緣體上半導體結構的方法。根據本發明的實施例，參考圖1，該方法包括：

S1：形成第一複合體

根據本發明的實施例，在該步驟中，在基底的上表面依次形成銻化物過渡層以及銻化物半導體層，以便獲得第一複合體。根據本發明的實施例，銻化物過渡層以及銻化物半導體層是由III-V族銻化物半導體材料形成的。形成銻化物過渡層以及銻化物半導體層的材料分別獨立地選自III-V族銻化物半導體材料，也即是說，銻化物過渡層以及銻化物半導體層的材料可以相同，也可以不相同。根據本發明的具體實施例，III-V族銻化物半導體材料可以為MSb，其中，M為Ga、In、以及Al的至少之一。也即是說，III-V族銻化物半導體材料可以為GaSb、InSB或者AlSb，也可以為由Ga、In、Al以及Sb構成的三元銻化物或是四元銻化物。當MSb為三元或者四元銻化物時，構成三元銻化物或四元銻化物的多個IIIA族元素之和與Sb元素的原子比為1:1。例如，根據本發明的具體實施例，MSb可以為GaSb、InSb或者AlSb，也可以為InxGa1-xSb、AlyGa1-ySb或InzAl1-zSb，或為InmAlnGa1-m-nSb。其中，x、y、z、m以及n分別獨立地大於0且小於1。根據本發明的具體實施例，基底可以為矽基底。銻化物過渡層可以起到減少基底中的Si向表面的擴散、緩解晶格失配以及減少缺陷等作用。根據本發明的具體實施例，銻化物過渡層可以為非應變的過渡層，其厚度可以為1-3微米。第一複合體中銻化物半導體層是間接形成在基底的上表面上的，因此銻化物半導體層的橫向尺寸可以與基底的尺寸相等。銻化物半導體層在後續步驟中將為最終製備的絕緣體上半導體結構提供III-V族銻化物半導體材料，從而可以使得獲得的絕緣體上半導體結構的尺寸不必受常規III-V族銻化物晶片尺寸較小的限制。

根據本發明的一些實施例，銻化物過渡層以及銻化物半導體層可以分別獨立地通過外延生長形成。由此，可以進一步提高形成的銻化物過渡層以及銻化物半導體層的質量。外延可以是常規的金屬有機物化學氣相沉積技術(MOCVD)，或者分子束外延(MBE)等。外延生長技術可以較好的控制銻化物半導體層的質量以及厚度，且MOCVD外延生長技術成本較為低廉，所需的設備也較容易獲得，有利於降低生產成本。

根據本發明的實施例，為了進一步提高基底以及銻化物半導體層之間的界面質量，可以在形成銻化物過渡層之前，預先在基底的上表面形成基底過渡層。根據本發明的實施例，基底過渡層可以包括鍺過渡層以及砷化物過渡層的至少之一。也即是說，基底過渡層可以含有Ge以及砷化物的至少之一。例如，基底過渡層可以為鍺過渡層或是GaAs過渡層，或者，基底過渡層還可以包括鍺亞層以及GaAs亞層，其中鍺亞層設置在基底的上表面，GaAs亞層設置在鍺亞層的上表面。根據本發明的具體實施例，基底過渡層的厚度可以為1微米以上。與矽相比，鍺和砷化鎵與銻化鎵的晶格常數更接近，以鍺以及砷化鎵為過渡層可以起到降低過渡層中缺陷密度的作用。此外，基底過渡層還可以起到阻礙基底元素(如Si)向銻化物過渡層擴散的作用。優化地，以鍺為過渡層更容易控制過渡層與矽基底的界面質量，降低各過渡層和銻化物半導體層中的晶體缺陷密度。具體的，基底過渡層也可以是通過外延生長形成的。例如，可以利用低溫外延生長形成基底過渡層。發明人經過大量實驗發現，當採用Ge為基底過渡層時，溫度低於450攝氏度的低溫外延可以有效控制Si襯底和Ge之間的失配位錯，由此，可以進一步提高形成的基底過渡層的質量，進而提高後續的銻化物半導體層外延質量。

根據本發明的實施例，該步驟中形成的基底過渡層、銻化物過渡層以及銻化物半導體層的具體厚度以及外延生長條件均不受特別限制，本領域技術人員可以根據最終需要形成的絕緣體上半導體結構的具體要求進行調節。發明人經過大量實驗發現，適當增大基底過渡層的厚度，則有利於控制其表面的穿通位錯，因而形成低穿通位錯密度的基底過渡層。根據本發明的具體實施例，基底過渡層的厚度可以為1微米以上。

為了進一步提高該步驟中形成的第一複合體的質量，並提高最終獲得的絕緣體上半導體結構的性能，根據本發明的實施例，在形成銻化物半導體層之前，還可以進一步包括：

預先在銻化物過渡層的上表面形成離子吸附層。也即是說，在銻化物過渡層以及銻化物半導體層之間，形成離子吸附層。具體的，離子吸附層可以為具有應變的銻化物材料形成的。根據本發明的具體實施例，離子吸附層可以為前面描述的III-V族銻化物半導體材料形成的，離子吸附層中的III-V族銻化物半導體材料與銻化物過渡層以及銻化物半導體層中的III-V族銻化物半導體材料具有不同的晶格常數。具體的，離子吸附層中的III-V族銻化物半導體材料可以為MSb，其中，M為Ga、In、以及Al的至少之一。也即是說，離子吸附層可以為GaSb、InSB或者AlSb形成的，也可以為由Ga、In、Al以及Sb構成的三元銻化物或是四元銻化物形成的。當MSb為三元或者四元銻化物時，構成三元銻化物或四元銻化物中的多個IIIA族元素之和與Sb元素的原子比為1:1。例如，根據本發明的具體實施例，MSb可以為GaSb、InSb、AlSb、InxGa1-xSb、AlyGa1-ySb、InzAl1-zSb以及InmAlnGa1-m-nSb的至少之一，其中，x、y、z、m以及n分別獨立地大於0且小於1。同時，離子吸附層與銻化物過渡層和銻化物半導體層的材料具有不同的晶格常數，以便在離子吸附層中引入應變。例如，當銻化物過渡層由GaSb形成時，離子吸附層可以為InxGa1-xSb，而銻化物半導體層可以由GaSb形成，也可以由AlGaSb或InpGa1-pSb形成(x≠p)，亦即，離子吸附層與銻化物過渡層和銻化物半導體層可以採用不同元素組成的材料，也可採用相同元素組成的材料(但其中元素含量是不同的)。離子吸附層的厚度可以為2-50nm。根據本發明的另一些實施例，離子吸附層的厚度可以為10-30nm。發明人經過深入研究以及大量實驗發現，由上述材料形成的離子吸附層對於氫離子具有較強的吸附和聚集功能。由於在後續步驟中，需要通過注入氫離子，實現剝離處理，由此，可以利用離子吸附層提高對注入的氫離子的吸附以及聚集能力，從而有利於降低剝離處理所需要的氫離子的注入劑量，有利於降低生產成本。另外，離子吸附層可以有效地控制後續剝離處理時剝離的位置，實現具有超薄銻化物半導體層厚度的絕緣體上半導體結構。常規的智能剝離技術中，銻化物剝離所需的離子注入劑量大(氫離子注入劑量大約需要5×1016/cm2～3×1017/cm2)，注入能量高(離子注入時，高的注入能量下容易獲得大的離子束流，也容易獲得大的注入劑量；相應地，為了獲得高的注入劑量，往往需要高的注入能量，造成的注入深度也大)，離子注入的深度往往100nm以上，最終獲得的銻化物半導體層厚度大於100nm。而在採用離子吸附層之後，剝離所需要的離子注入劑量下降(氫離子注入劑量可以下降到5×1016/cm2以下，甚至可以降到0.5×1016/cm2)，注入能量也可以降低，注入的氫離子聚集在離子吸附層中，第一複合體中銻化物半導體層的厚度與最終獲得的絕緣體上半導體結構中銻化物半導體材料的薄膜厚度是一致的，因此可以容易獲得銻化物半導體層厚度小於100nm的絕緣體上半導體結構。離子注入時，既可以採用常溫離子注入，也可以採用高溫離子注入，即離子注入時第一複合體的溫度為200-600攝氏度。高溫離子注入時，氫離子更容易擴散到離子吸附層中，增加氫離子在離子吸附層中的聚集程度，有利於降低離子注入的劑量，降低成本。

根據本發明的實施例，為進一步提高鍵合處理的效果，改善鍵合質量，在進行後續離子注入處理之前，還可以預先對第一複合體的上表面進行拋光處理和/或退火處理。由此，有利於獲得平坦的上表面，從而可以改善鍵合質量。根據本發明的具體實施例，退火處理可以是在含氫氣的氣氛中，以及600～1000攝氏度的條件下進行的。退火溫度與銻化物半導體材料的組分相關，其中AlSb所需要的溫度最高，而InSb所需要的溫度最低。退火時，退火溫度不能超過銻化物半導體層的熔點。氫氣氛下高溫退火(如600～1000攝氏度)可以有效促進銻化物半導體材料的表面原子遷移，降低銻化物半導體層表面的粗糙度，改善鍵合質量。優選地，採用拋光工藝對第一複合體的上表面進行處理，以獲得平坦表面。拋光之後，需要對第一複合體表面進行清洗，以獲得清潔表面。

根據本發明的實施例，參考圖5，為改善絕緣體上半導體結構中銻化物半導體層與絕緣層的界面質量，在進行後續離子注入處理之前，還可以預先在第一複合體1000的上表面形成第一鈍化層20。由於在後續步驟中，需要將第一複合體1000中的銻化物半導體層300通過鍵合與絕緣層600接觸，以形成絕緣體上半導體結構4000，但銻化物半導體層400與氧化物(絕緣層600)之間的界面質量往往不夠理想。因此，可以利用第一鈍化層20改善銻化物半導體層與絕緣層的界面質量，進而改善具有絕緣體上半導體結構的器件的電學性能。形成第一鈍化層的材料可以根據實際情況進行選擇，例如，根據本發明的具體實施例，當銻化物半導體層由GaSb、AlGaSb、InGaSb等材料構成時，第一鈍化層20可以為硫化物或者Al2O3。第一鈍化層的厚度可以為0.5-10nm。優化地，第一鈍化層為0.5-2nm厚的硫化物。硫化物可以由銻化物表面經硫化處理形成，硫化處理可以用在含硫氣氛中低溫退火或在含硫離子的溶液中浸泡的工藝，而採用Al2O3作為第一鈍化層時，可以由原子層沉積(ALD)等方法形成。

S2：離子注入處理

根據本發明的實施例，在該步驟中，對第一複合體進行離子注入處理，注入的離子中含氫離子。在該步驟中，進行離子注入的具體方法不受特別限制，本領域技術人員可根據實際情況，選擇熟悉的方法或技術實現離子注入。離子注入時，既可以採用常溫離子注入，也可以採用高溫離子注入，即離子注入時第一複合體的溫度為200-600攝氏度。根據本發明的具體實施例，注入的離子可以為H離子，也可以為H/He離子共注入，或者為H/Ar共注入。通過He或Ar離子與氫離子共注入，通過He或Ar可增加氫離子聚集形成氫氣泡的壓力，可降低氫離子的注入劑量。根據本發明的實施例，離子注入處理的注入劑量可以為0.5×1016/cm2～1×1017/cm2。該步驟中注入的離子將聚集在銻化物半導體層，從而可以在後續剝離處理步驟中，在銻化物半導體層中實現剝離，進而實現絕緣體上半導體結構的製備。如前所述，當第一複合體中具有離子吸附層時，由於離子吸附層對於H離子的吸附以及聚集作用，可以大幅降低離子注入處理的注入劑量，此時後續的剝離過程也將在離子吸附層中進行。根據本發明的具體實施例，在第一複合體中具有離子吸附層時，離子注入處理的注入劑量可以降低至5×1016/cm2或以下，而具有離子吸附層，同時採用He/H離子共注入的情況下，離子注入處理的注入劑量甚至可以降低到0.5×1016/cm2。本發明所提出的方法可以在上述注入劑量下實現剝離處理，較現有的智能剝離技術有較大的降低，從而有利於降低生產成本。

S3：形成第二複合體

根據本發明的實施例，在該步驟中，將經過離子注入處理的第一複合體與襯底進行鍵合處理，以便獲得第二複合體。具體的，襯底的上表面具有絕緣層，並且鍵合處理中，絕緣層與銻化物半導體層接觸。根據本發明的具體實施例，襯底可以為矽襯底，絕緣層可以為二氧化矽、氧化鉿、氧化鋁等。襯底以及絕緣層為最終形成的絕緣體上半導體結構中的襯底以及絕緣層，因此，本領域技術人員能夠理解的是，在鍵合處理過程中，需要將前面形成的第一複合體倒置，使第一複合體上表面的銻化物半導體層與襯底的絕緣層鍵合在一起。鍵合處理的具體操作步驟以及鍵合條件不受特別限制，本領域技術人員可以根據實際情況進行選擇。

S4：剝離處理

根據本發明的實施例，在該步驟中，對第二複合體進行剝離處理，以便分別獲得第三複合體和絕緣體上半導體結構。具體的，剝離處理可以包括溫度為200-600攝氏度的常規退火，或溫度低於300攝氏度(例如，200-300攝氏度)的微波退火。溫度越高，則注入離子形成氣泡所需的時間越短。常規退火過程中，當採用He或Ar離子與氫離子共注入時，可以採用較低的退火溫度(例如，200-400攝氏度)，而當僅有氫離子注入時，可以採用較高的退火溫度(例如，400-600攝氏度)。在上述剝離處理過程中，預先注入的含氫的離子將在上述退火過程中形成氣體，從而實現第二複合體的剝離。如前所述，在離子注入過程中，注入的離子將存在於銻化物半導體層或是離子吸附層中，因此，剝離處理也是在銻化物半導體層或者離子吸附層中進行的。具體地，上述剝離處理是在銻化物半導體層中，靠近銻化物半導體層以及銻化物過渡層之間的界面處發生的；或者，上述剝離處理是在離子吸附層中，靠近離子吸附層與銻化物半導體層之間的界面處發生的。由此，可以將第二複合體剝離分割為兩部分。參考圖3，剝離後的第二複合體2000被分割為：絕緣體上半導體結構4000(由襯底500、絕緣層600、以及絕緣體上半導體結構中的銻化物半導體層700形成)，以及第三複合體3000(由第三複合體中剩餘銻化物半導體層800、銻化物過渡層200以及基底100形成)，根據本發明的一些實施例，當剝離在極靠近銻化物半導體層以及銻化物過渡層之間的界面處發生時，獲得的第三複合體3000中可以不含有剩餘銻化物半導體層800(圖中未示出)。本領域技術人員能夠理解的是，當第一複合體中含有基底過渡層以及離子吸附層時，參考圖4，剝離處理之後形成的第三複合體3000由基底100、基底過渡層10、銻化物過渡層200以及第三複合體中剩餘離子吸附層1B構成，形成的絕緣體上半導體結構4000表面有殘留離子吸附層1A；同樣，當第一複合體表面含有第一鈍化層20時，參考圖5，剝離之後形成的絕緣體上半導體結構4000由襯底500、絕緣層600、第一鈍化層20、絕緣體上半導體結構中的銻化物半導體層700和表面的殘餘離子吸附層1A構成。

根據本發明的實施例，最終形成的絕緣體上半導體結構4000中的銻化物半導體層700(由第一複合體中的銻化物半導體層或是離子吸附層經剝離處理形成)的厚度小於100nm。根據本發明的具體實施例，當第一複合體中具有離子吸附層時，一方面可以利用離子吸附層實現對注入的氫離子的吸附以及聚集，另一方面，可以利用離子吸附層以及第一複合體的銻化物半導體層的界面處優先吸附H離子的特徵，在離子吸附層中靠近該界面處實現剝離。由此，剝離後形成的絕緣體上半導體結構中銻化物半導體層的厚度，可以通過控制第一複合體中形成的銻化物半導體層的厚度控制。而第一複合體中的銻化物半導體層厚度可以通過外延生長進行控制，從而可以在第一複合體中的銻化物半導體層較薄時，剝離仍然在第一複合體的銻化物半導體層以及離子吸附層的界面處實現。而常規的Smart-cut工藝中，離子注入的深度最小在100nm以上，因此，Smart-cut工藝獲得的絕緣體上半導體結構的銻化物半導體層的厚度最小大約為100nm。而本發明中，則可以獲得銻化物半導體層厚度小於50nm甚至小於30nm的絕緣體上半導體結構。根據本發明的實施例，為了進一步提高獲得的絕緣體上半導體結構的性能，還可以去除絕緣體上半導體薄膜表面殘餘的離子吸附層。

根據本發明的實施例，在形成絕緣體上半導體結構之後，還可以在絕緣體上半導體結構的銻化物半導體層的上表面形成第二鈍化層。根據本發明的具體實施例，第二鈍化層可以是硫化物，也可以是Al2O3，厚度為0.5-10nm。硫化物可以由銻化物表面經硫化處理形成，而採用Al2O3作為第二鈍化層時，可以由原子層沉積(ALD)等方法形成。第二鈍化層與第一鈍化層可以採用相同的材料，也可以採用不同的材料。優化地，第二鈍化層為0.5-2nm厚的硫化物薄膜。而且硫化物與氧化物絕緣層之間的界面性能明顯優於GaSb、InSb或者AlSb與氧化物絕緣層的界面性能。由此，可以進一步提高絕緣體上半導體結構的性能。根據本發明的實施例，當第一複合體中具有離子吸附層時，形成的絕緣體上半導體結構表面也具有殘留的離子吸附層。在形成第二鈍化層之前，該殘留的離子吸附層可以除去，也可以不除去。最終形成的絕緣體上半導體結構如圖6或圖7所示。

根據本發明的實施例，該方法還可以進一步包括對獲得的絕緣體上半導體薄膜表面進行拋光處理和/或退火處理。也即是說，可以對絕緣體上半導體結構進行拋光處理以及退火處理的至少之一。即：對絕緣體上半導體結構依次進行拋光處理和退火處理，或者對該絕緣體上半導體結構進行單獨的拋光處理或者退火處理。由此，可以進一步提高獲得的絕緣體上半導體結構的表面平整度。根據本發明的具體實施例，退火處理可以是在含氫氣氣氛中以及600～1000攝氏度的條件下進行的，氫氣氛下高溫退火可以有效促進銻化物半導體層表面的原子遷移，降低銻化物半導體層表面的粗糙度，進而改善絕緣體上半導體結構的表面平整度。本領域技術人員能夠理解的是，上述拋光處理和/或退火處理在改善絕緣體上半導體結構表面平整度的同時，還可以去除其表面殘留的離子吸附層。因此，根據本發明的一個實施例，可以在形成第二鈍化層30之前進行上述拋光處理和/或退火處理，以便形成如圖7所示的絕緣體上半導體結構。

根據本發明的實施例，參考圖2，該方法進一步包括：

第三複合體的回收利用

根據本發明的實施例，在剝離處理之後，除去絕緣體上半導體結構，還可以獲得第三複合體。將第三複合體返回至步驟S2中進行離子注入處理，可以重新利用第三複合體中的剩餘銻化物半導體層，從而避免了每生產一個絕緣體上半導體結構均需要製備一次第一複合體。如前所述，當第一複合體中無離子吸附層時，剝離處理是在銻化物半導體層中進行的。由此，剝離後形成的第三複合體表面殘留有一部分銻化物半導體層。此時，第三複合體可以直接返回至離子注入處理的步驟中做為第一複合體使用，也可以在銻化物半導體層表面繼續外延，加厚銻化物半導體層，再返回至離子注入處理的步驟中做為第一複合體使用；而當第一複合體中含有離子吸附層時，則剝離後形成的第三複合體的上表面為離子吸附層，此時可以直接在離子吸附層上表面重新形成銻化物半導體層，然後將其返回至離子注入處理步驟，做為第一複合體使用。由此，可以對第三複合體進行反覆利用，一方面可以節省生產成本，另一方面僅需要一片基底、進行一次層的生長，即可獲得多個絕緣體上半導體結構，從而可以提高生產效率，縮短生產時間。

根據本發明的具體實施例，在將所述第三複合體返回至離子注入處理之前，可以預先對第三複合體進行下列處理以便提後續處理的效率以及效果：

對第三複合體的上表面進行拋光處理和/或退火處理。根據本發明的具體實施例，退火處理可以是在含氫氣氣氛中以及600～1000攝氏度的條件下進行的，氫氣氛下高溫退火可以有效促進表面原子遷移，降低銻化物半導體層表面的粗糙度。進行上述處理有利於獲得較為平整的表面，從而可以提高後續鍵合處理的鍵合質量。

具體的，參考圖3，上述方法可以首先通過包括但不限於外延生長等技術，在基底100的上表面形成銻化物半導體層200，做為第一複合體1000。對第一複合體1000進行離子注入處理；隨後，提供上表面具有絕緣層600的襯底500(可以為上表面具有SiO2的Si襯底)，然後將襯底500以及第一複合體1000進行鍵合，使絕緣層600與銻化物半導體層300相接觸，形成第二複合體2000；在後續的剝離處理中，第二複合體2000沿圖中所示出的實現剝離邊界發生剝離，形成絕緣體上半導體結構4000(包括襯底500、絕緣層600以及剝離形成的絕緣體上半導體結構中的銻化物半導體層700)，以及第三複合體3000。其中，第三複合體3000包括基底100、銻化物過渡層200以及第三複合體中剩餘銻化物半導體層800。第三複合體3000返回離子注入步驟中進行處理，即可實現第三複合體的重複利用。本領域技術人員能夠理解的是，當第三複合體3000表面的第三複合體中剩餘銻化物半導體層800不足時，在進行離子注入之前，還需要在第三複合體3000的表面重新形成銻化物半導體層(圖中未示出)。

根據本發明的另一些實施例，參考圖4，上述方法也可以首先形成含有基底過渡層10以及離子吸附層400的第一複合體1000。對第一複合體1000進行離子注入處理；隨後，提供上表面具有絕緣層600的襯底500，然後將襯底500以及第一複合體1000進行鍵合，使絕緣層600與銻化物半導體層300相接觸，形成第二複合體2000；在後續的剝離處理中，第二複合體2000沿圖中所示出的實現剝離邊界(在離子吸附層300中)發生剝離，形成絕緣體上半導體結構4000(包括襯底500、絕緣層600、剝離形成的絕緣體上半導體結構中的銻化物半導體層700、以及殘留離子吸附層1A)，以及第三複合體3000。其中，第三複合體3000包括基底100、基底過渡層10以及剩餘離子吸附層1B。在第三複合體3000的表面重新形成銻化物半導體層後，即可將第三複合體3000返回離子注入步驟中進行處理，實現第三複合體的重複利用。

綜上所述，該方法具有以下優點的至少之一：

(1)操作步驟簡單、對儀器設備要求較低；

(2)可以在較小的離子注入劑量下實現剝離，有利於降低絕緣體上半導體結構的生產成本；

(3)可以避免利用銻化物半導體材料晶片進行製備對絕緣體上半導體結構的尺寸造成限制，獲得大尺寸的絕緣體上半導體結構；

(4)通過離子吸附層的引入，可以實現製備50nm及以下厚度的銻化物半導體層的絕緣體上半導體結構的製備；

(5)實現對基底等結構的重複利用，有利於降低生產成本，縮短製備周期。

在本發明的另一方面，本發明提出了一種絕緣體上半導體結構。根據本發明的實施例，該絕緣體上半導體結構是由前面所述的方法形成的。由此，該絕緣體上半導體結構具有前面描述的方法獲得的絕緣體上半導體結構所具有的全部特徵以及優點，在此不再贅述。

根據本發明的實施例，該絕緣體上半導體結構中的銻化物半導體層的直徑不小於6英寸。由於該絕緣體上半導體結構是利用前面所述的方法形成的，因此，該絕緣體上半導體結構中，銻化物半導體層的尺寸可以不受銻化物半導體材料晶片尺寸的限制，可以形成8-12英寸甚至更大尺寸的絕緣體上半導體結構。

本發明所提出的上述絕緣體上半導體結構可以用於製備諸如屬-氧化物-半導體場效應電晶體等半導體器件。由此，可以使該金屬-氧化物-半導體場效應電晶體具有性能優良、製備簡便等優點的至少之一。

下面通過具體實施例對本發明進行說明，需要說明的是，下面的具體實施例僅僅是用於說明的目的，而不以任何方式限制本發明的範圍，另外，如無特殊說明，則未具體記載條件或者步驟的方法均為常規方法，所採用的試劑和材料均可從商業途徑獲得。其中，銻化物外延生長設備使用為Aixtron公司生產的AIX 2800G4-TM型金屬有機物化學氣相沉積系統。

實施例一

(1)利用金屬有機物化學氣相沉積技術，三甲基鎵(TMG)、三甲基銦和三甲基銻作為氣源，以8英寸的矽拋光片為基底，首先外延形成GaSb銻化物過渡層，外延時基底溫度為640攝氏度，形成約3微米厚的GaSb銻化物過渡層。再在同一設備內，降低溫度至600攝氏度，形成約200nm的GaSb銻化物半導體層。再將晶片表面拋光清洗，以提高銻化鎵表面的平整度，利於後續的鍵合。這樣獲得了第一複合體。

(2)對第一複合體進行氫離子注入，注入劑量為1×1017/cm2，注入深度為120nm。

(3)以另一片8英寸矽拋光片為襯底，經1000攝氏度熱氧化在襯底表面形成10nm厚的SiO2絕緣層。將第一複合體與襯底鍵合，獲得第二複合體(包含基底/GaSb銻化物過渡層/GaSb銻化物半導體層/SiO2絕緣層/Si襯底)。其中，SiO2絕緣層與GaSb銻化物半導體層相接觸。

(4)在500攝氏度氮氣氛下退火1小時，在氫離子注入的位置實現智能剝離，獲得第三複合體(包含Si基底/GaSb銻化物過渡層/剩餘GaSb銻化物半導體層)和絕緣體上半導體結構(包含Si襯底/SiO2絕緣層/GaSb銻化物半導體層)。對所獲得的絕緣體上半導體結構拋光清洗，提高GaSb銻化物半導體層表面平整度。

實施例二

(1)利用減壓化學氣相沉積技術GeH4作為氣源，以8英寸的矽拋光片為基底，首先外延形成Ge形成的基底過渡層，外延時基底溫度先為400攝氏度30分鐘，形成約30nm厚的Ge外延種子層並控制穿通位錯密度，然後升高溫度至750攝氏度，形成約1.5微米厚的基底過渡層(該過渡層含Ge外延種子層)。

(2)利用金屬有機物化學氣相沉積技術，三甲基鎵(TMG)、三甲基銦和三甲基銻作為氣源，在基底過渡層表面外延形成GaSb銻化物過渡層，外延時基底溫度為640攝氏度，形成約1.5微米厚的GaSb銻化物過渡層。將晶片表面拋光清洗，以提高銻化鎵表面的平整度，利於後續的鍵合。繼續利用金屬有機物化學氣相沉積技術，升高溫度至600攝氏度，形成約20nm厚的InGaSb離子吸附層。再在同一設備內，溫度升至650攝氏度，形成約50nm厚的GaSb銻化物半導體層。這樣獲得了第一複合體。

(3)對第一複合體進行氫離子注入，注入劑量為4×1016/cm2，注入深度為70nm。

(4)以另一片8英寸矽拋光片為襯底，經1000攝氏度熱氧化在襯底表面形成10nm厚的SiO2絕緣層。將第一複合體與襯底鍵合，獲得第二複合體(包含基底/基底過渡層/GaSb銻化物過渡層/InGaSb離子吸附層/GaSb銻化物半導體層/SiO2絕緣層/Si襯底)。其中，SiO2絕緣層與GaSb銻化物半導體層相接觸。

(5)在500攝氏度氮氣氛下退火1小時，在InGaSb離子吸附層中實現智能剝離，獲得第三複合體(包含Si基底/基底過渡層/GaSb銻化物過渡層/部分InGaSb離子吸附層)和絕緣體上半導體結構(包含Si襯底/SiO2絕緣層/GaSb銻化物半導體層/殘餘InGaSb離子吸附層)。對所獲得的絕緣體上半導體結構進行拋光清洗，去除殘餘離子吸附層，並提高GaSb銻化物半導體層表面平整度。

實施例三

步驟(1)和(2)同實施例二。

(3)將第一複合體在室溫下的硫化氨水溶液中做硫化處理，形成約2nm厚的硫化物作為第一鈍化層。這樣獲得了具有第一鈍化層的第一複合體。

(4)對第一複合體進行氫離子注入，注入劑量為4×1016/cm2，注入深度為70nm。

(5)以另一片8英寸矽拋光片為襯底，經1000攝氏度熱氧化在襯底表面形成10nm厚的SiO2絕緣層。將第一複合體與襯底鍵合，獲得第二複合體(包含基底/基底過渡層/GaSb銻化物過渡層/InGaSb離子吸附層/GaSb銻化物半導體層/第一鈍化層/SiO2絕緣層/Si襯底)。其中，SiO2絕緣層與第一鈍化層相接觸。

(6)在300攝氏度下微波退火1小時，在InGaSb離子吸附層中實現智能剝離，獲得第三複合體(包含Si基底/基底過渡層/GaSb銻化物過渡層/部分InGaSb離子吸附層)和絕緣體上半導體結構(包含Si襯底/SiO2絕緣層/第一鈍化層/GaSb銻化物半導體層/殘餘InGaSb離子吸附層)。對所獲得的絕緣體上半導體結構進行拋光清洗，提高所獲得的絕緣體上半導體結構表面平整度。

在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。

此外，在本發明中，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。

儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。