一種製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法
2023-11-30 14:14:01 1
專利名稱：一種製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法
技術領域：
本發明涉及本專利涉及的弛豫SiGe及應變Si的應用領域，特別是涉及一種製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法。
背景技術：
近年來，隨著半導體器件尺寸的縮小，傳統的體矽材料正接近其物理極限，SiGe材料由於其高遷移率和可以作為其他材料的虛擬襯底而受到廣泛關注，應變SiGe和應變Si以其相對於體Si的諸多優點，成為遵循摩爾定律發展的新材料技術。由於SiGe與襯底之間存在較大的晶格失配，所以異質外延得到的薄膜往往具有很高的位錯密度，這些位錯極大地限制了器件的性能和可靠性。為了更好的降低和控制穿透位錯密度，對矽基應變與弛豫材料缺陷機理及表徵方法的研究顯得尤為重要。在現有的技術中，製備低缺陷密度的高質量弛豫鍺矽主要是採用鍺濃度梯度遞增生長方法，但是，通常需要幾個微米的生長厚度，如此一來，不但增加了生產的成本，而且會由於鍺矽的較差的熱導性影響器件性能；另外，離子注入和鍵合也是一種有效的層轉移方法,但是，由於需要較高的注入劑量，同樣增加了生產時間和成本。因而，如何提供一種低成本的製備高質量弛豫材料以實現應力釋放和層轉移的方法，實已成為本領域從業者亟待解決的技術問題。
發明內容
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，用於解決現有技術中製備的半導體弛豫、應變材料實現應力釋放和層轉移作業中低效率高成本的問題。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，其特徵在於，所述方法至少包括以下步驟1)提供一Si襯底，在所述Si襯底上依次外延生長中間薄層、Si外延層、以及頂5;[1_!￡66!￡層,其中Ge組分X為O < x<0. 5,並使所述頂的厚度不超過其生長在所述Si外延層上的臨界厚度，以製備出樣品；
2)對所述樣品進行氦離子注入，並使氦離子的峰值分布在所述中間薄層，然後進行退火，使所述頂SihGex層弛豫，所述氦離子在中間薄層處的均勻分布以降低所述頂SihGex層的缺陷密度，並增加所述頂SihGex層弛豫度；3)對所述樣品進行氫離子注入，並使氫離子的峰值分布在所述中間薄層，藉由所述中間薄層對注入的氫離子有效吸附以使剝離發生在所述中間薄層；4)提供一支撐襯底，將所述樣品與所述支撐襯底鍵合，並依次進行預鍵合、剝離、以及加強鍵合作業，最後經選擇性腐蝕去除殘餘的中間薄層及Si外延層，實現材料的層轉移。在本發明製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法中，於所述步驟I)中還包括在所述頂SihGex層上外延生長Si帽層的步驟，以及於所述步驟4)中還包括經選擇性腐蝕去除殘餘的中間薄層、頂SihGex層及Si外延層的步驟。
在本發明方法步驟I)中，系通過化學氣相沉澱工藝在所述Si襯底上分別外延生長中間薄層、Si外延層、以及頂SipxGex層。所述中間薄層為SiGe、Ge、或SiC材料,其厚度小於20nm。所述Si外延層的厚度為O 300nm。在本發明方法步驟2)中，注入氦尚子的劑量為1E14 3E16cm 2。在本發明方法步驟3)中，注入氫尚子的劑量為1E15 8E16cm 2。在本發明方法步驟4)中，所述預鍵合及加強鍵合均為退火加固工藝，所述剝離作業是將所述應變弛豫材料的頂SihGex層自離子注入峰值分布的所述中間薄層中剝離。如上所述，本發明的製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，利用薄層吸附和離子注入的方法製備低缺陷密度的弛豫鍺矽和應變矽，並實現了低注入劑量下的層轉移，本發明的方法在兩次注入時薄層對注入離子有效吸附，使離子分布均勻，從而使得到的弛豫鍺矽或應變矽中缺陷較少，由於第一次注入和第二次注入都分布在薄層處，形成共注入，有效降低剝離所需注入劑量，進而達到了提高生產效率和降低生產成本的目的。
圖1至圖5顯示為本發明製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法中各步驟示意圖。元件標號說明IlSi 襯底12中間薄層13Si 外延層
14 頂 Si1Jex 層15支撐襯底
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖1至圖5。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。如圖所示，本發明提供一種製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，在本實施方式中，所述的半導體弛豫、應變材料暫以例如為弛豫鍺矽為例進行說明。所述方法至少包括以下步驟步驟一,請參閱圖1,如圖所示,提供一 Si襯底11,在所述Si襯底11上依次外延生長中間薄層12、Si外延層13、以及頂SihGex層14，其中Ge組分x為O < x彡O. 5，並使所述SihGex層14的厚度不超過其生長在所述Si外延層13上的臨界厚度，以製備出樣品。於本實施例中，系通過化學氣相沉澱工藝在所述Si襯底11上分別外延生長中間薄層12、Si外延層13、以及頂Si^Gex層14。所述中間薄層12為SiGe、Ge、或SiC材料，其厚度小於20nm，所述Si外延層13的厚度為O 300nm。需要說明的是，一般來說，晶體薄膜只要生長在與其晶格不匹配(晶格常數或者熱膨脹係數不同)的襯底上面時，如果保持外延薄膜平行於生長平面的晶格參數與襯底的相同，其中就一定存在應變；隨著生長薄膜厚度的增大，外延薄膜中積累的應力也增大，當大到一定的程度就會產生晶面的滑移而產生位錯(失配位錯)，同時釋放出應力。因此，為了保存外延薄膜中的應變，不致因產生失配位錯而得到釋放，薄膜的厚度就應當小於某一個臨界值，這個臨界值就是臨界厚度。所以，由於外延薄膜的組分不同，下面的襯底種類不同，薄膜的應變也都將相應有所不同，從而其臨界厚度也就不一樣。對於上述實施例中所述Si外延層13上生長所述SihGex層14來說，Ge組分x的取值越大，所述SipxGex的臨界厚度值也越小，具體值也可以參照J. W. Mattews等的理論模型得到，換言之，臨界厚度的概念應為本領域技術人員所熟知，在此不予贅述。步驟二，請參閱圖2，如圖所示，對所述樣品進行氦離子注入(圖示中箭頭所示方向)，注入氦離子的劑量為1E14 3E16cnT2，並使氦離子的峰值分布在所述中間薄層12，，然後進行退火，使所述頂SihGex層14弛豫，所述氦離子在中間薄層12處的均勻分布以降低所述頂SihGex層14的缺陷密度，並增加所述頂SihGex層14弛豫度，由於所述氦離子的注入，所述中間薄層12對注入的氦離子有效吸附，使氦離子分布均勻，從而使得到的弛豫鍺矽中的缺陷較少，弛豫度較大。
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步驟三，請參閱圖3，如圖所示，對所述樣品進行氫離子注入(圖示中箭頭所示方向)，注入氫離子的劑量為1E15 8E16cnT2，並使氫離子的峰值分布在所述中間薄層12，藉由所述中間薄層12對注入的氫離子有效吸附以使剝離發生在所述中間薄層，由於所述中間薄層12能夠有效吸附註入的氫離子，從而使氫離子在中間薄層12處密度有效增加，從而降低剝離所需注入劑量。上述的氦離子和氫離子二次注入都分布在中間薄層12處，形成氫氦共注，有效地降低了氫離子注入劑量。步驟四，請參閱圖4及圖5，如圖所示，提供一支撐襯底15，將所述樣品與所述支撐襯底15鍵合，並依次進行預鍵合、剝離、以及加強鍵合作業，最後經選擇性腐蝕去除殘餘的中間薄層12及Si外延層13，實現材料的層轉移，在本實施例中，所述預鍵合及加強鍵合均為退火加固工藝。所述剝離作業是將所述應變弛豫材料的頂SihGex層自離子注入界面起剝離，即將所述應變弛豫材料的頂SihGex層自離子注入峰值分布的所述中間薄層中剝離。在另一實施方式中，所述的半導體弛豫、應變材料為應變矽時，於所述步驟一中還包括在所述頂SihGex層14上外延生長Si帽層(未圖示)的步驟；以及於所述步驟四中還包括經選擇性腐蝕去除殘餘的中間薄層、頂SihGex層及Si外延層的步驟。綜上所述，本發明的製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，利用薄層吸附和離子注入的方法製備低缺陷密度的弛豫鍺矽和應變矽，並實現了低注入劑量下的層轉移，本發明的方法在兩次注入時薄層對注入離子有效吸附，使離子分布均勻，從而使得到的弛豫鍺矽或應變矽中缺陷較少，由於第一次注入和第二次注入都分布在薄層處，形成氫氦共注，有效降低剝離所需注入劑量，進而達到了提高生產效率和降低生產成本的目的。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍 應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，其特徵在於，所述方法至少包括以下步驟 1)提供一Si襯底，在所述Si襯底上依次外延生長中間薄層、Si外延層、以及頂SihGex層，其中Ge組分X為O < X < O. 5，並使所述頂SihGex層的厚度不超過其生長在所述Si外延層上的臨界厚度，以製備出樣品； 2)對所述樣品進行氦離子注入，並使氦離子的峰值分布在所述中間薄層，然後進行退火，使所述頂SihGex層弛豫，所述氦離子在中間薄層處的均勻分布以降低所述頂SihGex層的缺陷密度，並增加所述頂SihGex層弛豫度； 3)對所述樣品進行氫離子注入，並使氫離子的峰值分布在所述中間薄層，藉由所述中間薄層對注入的氫離子有效吸附以使剝離發生在所述中間薄層； 4)提供一支撐襯底，將所述樣品與所述支撐襯底鍵合，並依次進行預鍵合、剝離、以及加強鍵合作業，最後經選擇性腐蝕去除殘餘的中間薄層及Si外延層，實現材料的層轉移。
2.根據權利要求1所述的製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，其特徵在于于所述步驟I)中還包括在所述頂SihGex層上外延生長Si帽層的步驟，以及於所述步驟4)中還包括經選擇性腐蝕去除殘餘的中間薄層、頂SihGex層及Si外延層的步驟。
3.根據權利要求1所述的製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，其特徵在于于所述步驟I)中，系通過化學氣相沉澱工藝在所述Si襯底上分別外延生長中間薄層、Si外延層、以及頂SipxGex層。
4.根據權利要求1所述的製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，其特徵在于于所述步驟I)中，所述中間薄層為3166、66、或51(材料，其厚度小於2011111。
5.根據權利要求1所述的製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，其特徵在于于所述步驟I)中，所述Si外延層的厚度為O 300nm。
6.根據權利要求1所述的製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，其特徵在于于所述步驟2)中，注入氦離子的劑量為1E14 3E16cnT2。
7.根據權利要求1所述的製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，其特徵在于于所述步驟3)中，注入氫離子的劑量為1E15 8E16cnT2。
8.根據權利要求1所述的製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，其特徵在于于所述步驟4)中，所述預鍵合及加強鍵合均為退火加固工藝。
9.根據權利要求1所述的製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，其特徵在于于所述步驟4)中，所述剝離作業是將所述應變弛豫材料的頂SihGex層自離子注入峰值分布的所述中間薄層中剝離。
全文摘要
本發明提供一種製備半導體弛豫、應變材料並使其層轉移的方法，首先在Si襯底上依次外延生長中間薄層、Si外延層、及頂Si1-xGex層，其中Ge組分x為0﹤x≤0.5，並使Si1-xGex層的厚度不超過其生長在Si外延層上的臨界厚度；然後對樣品進行氦離子注入及氫離子，並使離子的峰值分布在中間薄層，經退火後使頂Si1-xGex層弛豫；最後將樣品與支撐襯底鍵合，並依次進行預鍵合、剝離、以及加強鍵合作業，最後經選擇性腐蝕去除殘餘的中間薄層及Si外延層，實現材料的層轉移，本發明由於兩次注入的離子都分布在薄層處，形成氫氦共注，有效降低剝離所需注入劑量，進而達到了提高生產效率和降低生產成本的目的。
文檔編號H01L21/02GK103065931SQ20111032458
公開日2013年4月24日 申請日期2011年10月24日 優先權日2011年10月24日
發明者張苗, 劉林傑, 卞建濤, 陳達, 姜海濤, 薛忠營, 狄增峰 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所