专利名称：包括基片上覆锗层的结构体的制造方法
技术领域：
本发明涉及包括基片上覆锗层的结构体的制造方法。
背景技术：
在微电子、光电子和光电领域中包括基片上覆锗层的半导体层的制造是特别有 前景的，所述半导体层中在所述锗层和所述基片之间可以选择性地插入绝缘层。确实，锗具有比硅更为有利的电性质，这特别是由于锗材料中的电荷(电子和 空穴)具有更大的迁移率导致。因此，绝缘体上覆锗(也称为GeOI)结构体可有利地用来形成MOS晶体管。利用锗的狭窄的禁带及其与其他活性层(例如AsGa，InP等)的形成相容的晶 格参数，这些结构体也有利于制造锗层中或锗层上的光检测器或太阳能电池。与其中绝缘层可以是氧化硅层的绝缘体上覆硅(SOI)结构体不同，GeOI结构体 的绝缘层不能是氧化锗，因为该氧化物不够稳定。因此，GeOI结构体的绝缘层通常包括 通过沉积或通过支持基片的氧化而形成的氧化硅(SiO2)。此外，在光电应用中，包括诸如硅等廉价基片上覆锗层的具有导电性界面的异 质结构体代表了极为昂贵的锗基片上形成的多层结构体的经济有利的替代品。在任何情况中，锗层必须具有适于由其所形成的元件正常运行的结晶性、电性 质和形态学品质。可使用称为Smart Cut 的层转移技术制造GeOI结构体。根据所述工艺的一个实施方式，利用第一基片上的外延生长形成锗层或者提供 块状锗基片，并且使氧化硅绝缘层沉积在所述锗层上；随后进行离子注入以在基片中在 锗层之下形成脆性区。该结构体随后粘接至第二基片，SiO2层位于粘接界面处，然后通 过使第一基片沿脆性区断裂而将锗层转移至第二基片。然而，目前使用已知技术获得的具有锗/氧化硅界面的GeOI结构体具有相对不 能令人满意的电性质，特别是关于界面陷阱密度(DIT)，一般数量级为IO12eV^cm 2 1013eV 1Xm 2。实际上，因为锗必然与氧反应，特别是在锗层与氧化硅绝缘层之间的界面处生 成了氧化锗层，这损害了锗层的电性质。在SOI的情况中，可以接受的DIT值达到IO11eVAcm2的数量级，如果GeOI打
算用于诸如CMOS元件等微电子应用，则上述DIT值对于获得所述GeOI也是期望的。为了改善锗层和/或锗层与绝缘层之间的界面的电性质，已经开发了不同的制
造工艺ο因此，文献US 7,229,898涉及在锗层和绝缘层之间形成例如由氮氧化锗(通式为 GeOxNy)构成的钝化层。确实，观察到锗层和氮氧化锗层之间的界面具有非常好的电性 质。文献WO 2007/045759涉及在中性气氛中于500°C 600°C的温度下应用热退
4火。该退火能够明显改善锗层和绝缘层之间的界面的品质。通过降低DIT值而特别传达 了该改善。此外，使用Smart Cut 工艺时，注入在比硅的情况中的更大厚度上损害锗。这些残留的注入缺陷损害了锗层的形态学品质和结晶性品质，必须于在该层上 或该层中制造元件之前通过热处理修复这些缺陷。关于包括基片上覆锗层和具有导电性界面并在锗层和基片之间未插入绝缘层的 结构体，可以参考文献WO 02/08425，该文献描述了形成该结构体的方法。不过，在不存在其中粘合性使得可以获得良好粘接品质的氧化硅绝缘层时，使 锗直接粘接在基片上是存在问题的。实际上，在粘接界面处形成了泡状物，因而不能使 锗层令人满意的转移至基片。因此，本发明的目的之一是限定包括基片上覆锗层，并在锗层和基片之间可选 地具有绝缘层的结构体的制造方法，所述方法可以改善该结构体的电性质。该方法应当也有利于制造所述结构体，特别是能够使得锗层令人满意地粘附于基片。
发明内容
根据本发明，提出了包括支持基片上覆锗层的结构体的制造方法，所述方法包 括下列步骤(a)形成包括所述支持基片、氧化硅层和所述锗层的中间结构体，所述氧化硅层 与所述锗层直接接触，(b)在中性或还原性气氛中于规定的温度下对所述中间结构体施加规定时间的热 处理，从而使来自所述氧化硅层的至少一部分氧通过所述锗层扩散。在本文献中明确指出的是，术语“在……上”是指在从基底至其表面的给定结 构中一层位于另一层之上的事实，应当理解，一层或更多层可以选择性地插入所述层之 间。另一方面，当两层具有共同表面时，将其称之为“直接接触”。优选的是，步骤(b)中的所述热处理在800°C 900°C的温度进行，且步骤(b) 中的处理气氛中的氧含量为小于lppm。所述锗层的厚度为小于500nm，优选为小于lOOnm。所述中间结构的氧化硅层的厚度为小于6纳米，优选为小于2nm，而且，在所述 步骤(b)中，来自所述层的所有的氧通过所述锗层扩散。根据本发明的第一实施方式，步骤(a)包括下列步骤i)在所述支持基片上或锗施主基片上形成所述氧化硅层， )在锗施主基片中形成脆性区，所述脆性区限定待转移的锗层，iii)将所述锗施主基片粘接在所述支持基片上，所述氧化硅层位于粘接界面处，iv)使所述锗施主基片沿所述脆性区断裂，并将所述锗层转移到所述支持基片 上，由此形成所述中间结构体。根据本发明的第二实施方式，步骤(a)包括下列步骤i)在所述支持基片上或锗施主基片上形成所述氧化硅层， )将所述锗施主基片粘接在所述支持基片上，所述氧化硅层位于粘接界面处，
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iii)使所述锗施主基片减薄以至仅保留所述锗层的厚度，由此形成所述中间结构 体。根据本发明的第三实施方式，步骤(a)包括下列步骤i)形成绝缘体上覆硅型结构体，所述结构体包括所述支持基片、氧化硅层和硅 层，ii)在所述硅层上沉积SiGe层，iii)对所述SiGe层施加氧化热处理，结果通过浓缩(condensation)在所述氧化硅
层上形成锗层并在所述锗层上形成上部氧化硅层，iv)移除所述上部氧化硅层，由此形成所述中间结构体。本发明的另一目的涉及包括支持基片上覆锗层的结构体，所述结构体包括位于 所述支持基片和所述锗层之间的硅层，所述硅层与所述锗层接触，其中所述硅层的厚度 为1纳米 3纳米。根据本发明的一个具体的实施方式，所述结构包括位于所述支持基片和所述硅 层之间的氧化硅层。
参考附图，本发明的其他特征和优点将由下文中的具体描述而显现，其中图1图示了绝缘体上覆锗型中间结构体，图2图示了本发明的绝缘体上覆锗型结构体，图3图示了本发明的另一结构体，该结构体包括支持基片上覆锗层，其具有导 电性界面，图4A和4B表示使用Smart Cut 工艺制造中间结构体的步骤，图5表示利用粘接工艺并随后通过减薄来制造中间结构体的步骤，图6A 6C图示了利用浓缩工艺制造中间结构体的步骤。为便于理解这些附图，明确指出的是，并未观察不同层的厚度的各自比例。
具体实施例方式现在将描述形成包括支持基片1上覆锗层3的结构体的各种可能的实施方式，其 中所述锗层和所述锗层与下层之间的界面的电性质得以最优化。作为一般的规则，所述方法基本上包括两个连续的步骤，所述步骤如下(a)形成中间结构体(10)，该结构体包括支持基片1、SiO2层20和与所述SiO2 层20直接接触的锗层3。图1中图示了该中间结构体10。下面将详细描述该结构体的 不同制造方式。(b)对所述中间结构体施加热处理以使SiO2层20的至少一部分氧扩散，由此使 得SiO2层20全部或部分分解。SiO,层的氧扩散处理申请人:限定了在规定的温度、时间和气氛条件下施加的热处理，以能够扩散来 自嵌埋在基片与锗层之间的SiO2层的全部或部分氧原子。通过将GeOI中间结构体放置在其内部应用中性或还原性气氛(例如氩、氢或所述元素的混合物)的熔炉中来进行所述热处理。重要的是控制所述气氛中的氧的残余量，从而使其保持为低于Ippm的阈值。为此，必须在开口处为熔炉配备特殊装置，例如与周围环境绝缘的绝缘单元。在该受控气氛中加热中间结构体至800°C 900°C的温度时，发生氧原子通过锗 层的扩散。自800°C开始观察到氧扩散，而且氧通过锗层的扩散速率随温度升高而增大。不过，由于锗的熔点是938°C，热处理的温度必须保持为低于该界限值，优选为 低于900°C。已知氧从氧化硅层通过SOI的薄硅层的扩散仅在1150°C量级的温度下发生，在 低至800°C的温度下观察到该扩散现象是出人意料的。由于锗的熔点明显低于该温度，先前并未设想将用于SOI的扩散处理应用于 GeOI结构体。该现象似乎可以通过氧在锗中的扩散速率明显大于氧在硅中的扩散速率来 角军释。 Vanhellemont 等的文章"Brother Silicon, Sister Germanium “ , Journal of the Electrochemical Society, 154(7)H572-H583(2007)因此明确指出氧在锗中的扩散速率为 O.Ws"1,而氧在硅中的扩散速率为0.HcmY1。由于支持基片的厚度所致，氧原子仅易于通过上覆的锗层扩散，而不会通过基 片扩散。热处理的时间为几个小时。然而，应当理解的是，为了能够使氧扩散并且特别是获得足够快的可观察到的 扩散速率以使处理时间最短，锗层的厚度必须小于极限厚度。因此，中间结构体10的锗层3的厚度必须小于几百纳米，例如500纳米，优选 为小于lOOnm。氧从SiO2层通过锗层的扩散形成了硅层4 (其中厚度随处理的进行而增大)和残 留的SiO2层2 (其中厚度随处理的进行而相反地降低)。自2nm 6nm的SiO2层的氧扩散导致形成了 Inm 3nm的硅层。所述硅层4位于SiO2层2和锗层3之间并与它们接触。实际上，位于最靠近自由表面(即，最靠近锗层3)的氧原子首先离开SiO2层 20。当硅层4达到几个纳米(一般为2nm 3nm)的厚度时，由于氧原子在所述处理 温度下不能通过这样的硅厚度，因而扩散现象中断。如果SiO2层20的初始厚度大于约为6nm的极限厚度，则获得图2所示的结构 体，该结构体自基底至其表面依次包括支持基片1、残留的幻02层2、硅层4和锗层 3。因此，其由绝缘体上覆锗型结构体构成。不过，在锗层3和SiO2层2之间存在硅层4是特别有利的，因为这使得能够钝 化Ge/Si02界面，由此使得GeOI结构体具有增强的电性质，即，降低的DIT值，从而获 得与SOI可能得到的相同的量级，即，通常达到IO11eVicm 2的量级。如果SiO2层20的初始厚度小于所述极限厚度，则所述层20中包含的所有的氧均 可通过锗层扩散。因此，在处理之后仅残留有位于支持基片1和锗层3之间的硅层4。
图3中图示了该结构体。在该情况中，锗层3与硅层4之间的界面具有导电性。由于中间结构体中存在锗层与支持基片之间的SiO2层，因此获得了锗与支持基 片之间的极高品质的粘接。在该结构体上然后可以在锗层中或锗层上形成元件，例如FET(场效应)晶体管 或双极性晶体管。在锗层3之下形成的硅层4非常薄，使得可以限制容易因Ge和Si之间的晶格参 数的失配而导致的晶体缺陷的出现。该硅层4的晶体品质强于在粘接至支持基片之前通过沉积形成在锗施主基片上 的层的晶体品质。实际上，由于该硅层4是在形成GeOI结构体之后获得，限制了该层中的锗扩 散。当使两层Si-Ge结构体遭受一定的热预算时，通常观察到锗和硅的相互扩散现象。 在本发明中，另一方面，所施加的热预算极低。为限制该相互扩散现象，可以在接近于 所提出的温度范围的下限值的温度，即，约800°C下进行氧扩散处理。GeOI中间结构体的形成由上可知，步骤(b)中的处理导致最初存在于锗层3之下的SiO2层20全部或部 分分解。根据要获得的最终结构体，即GeOI结构体或包括支持基片上覆锗层并具有导电 性界面的结构体，将形成具有SiO2层的中间结构体，其中确定所述层的厚度以使氧能够 部分或全部地扩散。因此，如果期望形成具有位于锗和支持基片之间的导电性界面的最终结构体， 则将形成其中SiO2层的厚度为小于6纳米，优选为小于2nm的中间结构体。氧扩散热处 理能够使得SiO2层完全分解，从而形成厚度小于3nm的Si层。另一方面，如果期望获得GeOI型最终结构体，则将形成其中SiO2层的厚度为大 于几个纳米，优选大于6nm的中间结构体。氧扩散热处理因此将能够保留残留的SiO2绝 缘层。确定中间结构体中的SiO2层的最初厚度以及处理条件以获得所期望最终厚度的绝缘层。以下描述用于形成GeOI型中间结构体10的三个可能的但非限制性的方式。参考图4A和4B描述该工艺的不同步骤。图4A图示了利用原子物种(atomic species)注入在施主基片30中形成脆性区
31。所述脆性区由此限定了待转移至支持基片的锗层3。施主基片30可由块状锗构成，或者是包括上部锗层的复合基片如文献EP 1016129中说明的，其可以由其上沉积有锗层的硅基片构成。SiO2层随后形成于锗施主基片上或一个其上待转移锗层的支持基片上。在第一种情况中，利用沉积技术形成SiO2层。如果在支持基片上形成SiO2层，则可以执行沉积技术或热氧化，特别是在支持 基片由硅构成时。参考图4B，锗施主基片30和支持基片1以接触的方式布置，以使SiO2层20位 于粘接界面处。
随后施加(热和/或机械)能预算，由此使得施主基片30沿脆性区31断裂。然后形成图1所示的GeOI型中间结构体10，其中锗层3与SiO2层20直接接触。利用粘接并随后减薄来形成GeOI结构体如图5所示，该技术包括粘接锗施主基片30和支持基片1，以使SiO2层20存在 于粘接界面处。如上所述，SiO2层20可通过在支持基片1的施主基片30上的沉积形成，或者当 所述基片由硅构成时通过支持基片1的氧化获得。此外也明确指出的是，所述施主基片可以是块状锗基片，或是包括表面锗层的
复合基片。施主基片30的减薄随后经由其背面进行，从而仅保留所期望厚度的锗层3。减 薄通过研磨、抛光和/或蚀刻进行。由此提供了图1所示的中间结构体10，该结构体包括支持基片1、SiO2层20和 锗层3，其中锗层3与SiO2层20直接接触。利用浓缩技术形成GeOI结构体图6A 6C中描述了该技术的不同步骤。在 Shu Nakaharai 等 的题为 “Characterization of 7-nm—thick strained Ge-on-insulator layer fabricated by Ge-condensation technique” 的文章中描述了浓缩技术 (Applied Physics Letters,第 83 卷，No.17，2003 年 10 月 27 日)。参考图6A，利用CVD (化学气相沉积)外延生长，SiGe层5沉积在绝缘体上覆 硅(SOI)型结构体50上，所述结构体依次包括支持基片1、SiO2绝缘层20和硅层40。 使用任何本领域的技术人员已知的技术，如Smart Cut 工艺等预先制得绝缘体上覆硅型 结构体50。SiGe层5中的锗浓度为百分之几至50%，优选为10% 30%。为选择层5的厚度及该层的Ge浓度，将考虑锗的保存量例如，厚度为E的 SiGe层在浓缩后将给出包含100%的Ge且厚度为E/5的一层，而与下面的SOI的厚度无关。步骤(b)中，如果期望完全分解锗层下的氧化层，则使用UT-BOX(Ultra Thin BuriedOXide)型SOI，即，其中的氧化层具有几个纳米的厚度，将是有利的。参考图6B，对SiGe层5进行热氧化。该处理的条件如下在O2气氛中的时间量级达到1个小时，温度低于SiGe的熔 点。图7中的曲线描绘了 SiGe的熔点与Si含量的函数关系。处理温度必须保持为低于 较低的曲线以防止锗熔化。在该处理过程中，在SiGe层上形成含有硅和锗的上层6。不过，上层6排斥锗 原子，而同时通过所述层6和下面的绝缘层20防止其扩散到所述结构体之外。SiGe层中的锗原子的总量因而在氧化处理时得以保存。此外，由于Si原子和Ge原子的相互扩散，Si 40和Ge 5层融合而形成均勻的 SiGe层，其中随着处理的进行Si原子被氧化。SiGe层中的Ge的比例随该层厚度的减小 而增大。在该情况下实施的工艺称为锗浓缩技术。
由此得到了图6C中的结构体，该结构体包括支持基片1、绝缘层20、与&02层 20接触的Ge层3和上部SiO2层6。例如，通过将所述结构体浸没在稀释的HF溶液中进行刻蚀来除去上部SiO2层 6。由此给出GeOI型中间结构体10，其中Ge层3与SiO2层20直接接触。
权利要求
1.包括支持基片(1)上覆锗层(3)的结构体的制造方法，其特征在于该方法包括下列 步骤(a)形成包括所述支持基片(1)、氧化硅层(20)和所述锗层(3)的中间结构体(10)， 所述氧化硅层(20)与所述锗层(3)直接接触，(b)在中性或还原性气氛中于规定的温度下对所述中间结构体(10)施加规定时间的 热处理，从而使来自所述氧化硅层(20)的至少一部分氧通过所述锗层(3)扩散。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(b)中的所述热处理在800°C 900°C 的温度下进行。
3.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于步骤(b)中的处理气氛中的氧 含量为小于lppm。
4.如权利要求1 3中任一项所述的方法，其特征在于所述锗层(3)的厚度为小于 500nm,优选为小于lOOnh。
5.如权利要求1 4中任一项所述的方法，其特征在于所述中间结构体(10)的氧化 硅层(20)的厚度为小于6纳米，优选为小于2nm，而且，在所述步骤(b)中，来自所述 层(20)的所有的氧通过所述锗层(3)扩散。
6.如权利要求1 5中任一项所述的方法，其特征在于步骤(a)包括下列步骤i)在所述支持基片(1)上或锗施主基片(30)上形成所述氧化硅层(20)，ii)在锗施主基片(31)中形成脆性区(31)，所述脆性区限定待转移的锗层(3)，iii)将所述锗施主基片(30)粘接在所述支持基片(1)上，所述氧化硅层(20)位于粘 接界面处，iv)使所述锗施主基片(30)沿所述脆性区(31)断裂，并将所述锗层(3)转移到所述 支持基片(1)上，由此形成所述中间结构体(10)。
7.如权利要求1 5中任一项所述的方法，其特征在于步骤(a)包括下列步骤i)在所述支持基片(1)上或锗施主基片(30)上形成所述氧化硅层(20)，ii)将所述锗施主基片(30)粘接在所述支持基片(1)上，所述氧化硅层(20)位于粘 接界面处iii)使所述锗施主基片(30)减薄以至仅保留所述锗层(3)的厚度，由此形成所述中间 结构体(10)。
8.如权利要求1 5中任一项所述的方法，其特征在于步骤(a)包括下列步骤i)形成绝缘体上覆硅型结构体(50)，所述结构体包括所述支持基片(1)、氧化硅层 (20)和硅层(40)，ii)在所述硅层(40)上沉积SiGe层(5)，iii)对所述层(5)施加氧化热处理，结果通过浓缩在所述氧化硅层(20)上形成锗层 (3)并在所述锗层(3)上形成上部氧化硅层(6)，iv)移除所述上部氧化硅层(6)，由此形成所述中间结构体(10)。
9.包括支持基片(1)上覆锗层(3)的结构体，其特征在于所述结构体包括位于所述支 持基片(1)和所述锗层(3)之间的硅层(4)，所述硅层(4)与所述锗层(3)接触，所述硅 层(4)的厚度为1纳米 3纳米。
10.如权利要求9所述的结构体，其特征在于所述结构体包括位于所述支持基片(1)和所述硅层(4)之间的氧化硅层(2)。
全文摘要
本发明涉及包括支持基片(1)上覆锗层(3)的结构体的制造方法，其特征在于该方法包括下列步骤(a)形成包括所述支持基片(1)、氧化硅层(20)和所述锗层(3)的中间结构体(10)，所述氧化硅层(20)与所述锗层(3)直接接触，(b)在中性或还原性气氛中于规定的温度下对所述中间结构体(10)施加规定时间的热处理，从而使来自所述氧化硅层(20)的至少一部分氧通过所述锗层(3)扩散。
文档编号H01L21/762GK102017124SQ200980114593
公开日2011年4月13日 申请日期2009年6月12日 优先权日2008年7月3日
发明者克里斯托夫·菲盖, 埃里克·圭奥特, 塞西尔·奥尔内特, 奥列格·科农丘克, 尼古拉斯·达瓦尔, 法布里斯·拉勒门特, 迪迪埃·朗德吕 申请人:硅绝缘体技术有限公司