专利名称：在绝缘衬底上形成有高Ge应变层的结构及形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体设计及制造技术领域，特别涉及一种在绝缘衬底上形成有高Ge 应变层的半导体结构及其形成方法。
背景技术：
近年来开发出SOI (绝缘体上硅)的绝缘衬底来代替体硅衬底的集成电路，通过使 用SOI衬底，可以减小晶体管的漏极与衬底之间的寄生电容，从而可以提供半导体集成电 路的性能。然而随着半导体器件特征尺寸的不断缩小使得单个晶体管的尺寸逐渐达到物理 和技术的双重极限，因此以Si作为沟道材料的CMOS器件的迁移率变得越来越低，已经无法 满足器件性能不断提升的要求。为了解决这种问题，现有技术引入了应变技术来提高硅材 料的迁移率，或者直接采用其它的迁移率更高的材料来代替Si作为器件的沟道材料，其中 由于Ge材料具有比较高的空穴载流子迁移率而得到广关注。Ge材料或高Ge组分的SiGe 材料在研究中都呈现出了远远高于现有Si材料的空穴迁移率，因此非常适合于应用于在 未来CMOS工艺中制备PMOS器件。因此，现有技术已将绝缘层(例如SiO2)应用在Ge材料器件中以改善半导体器件 的性能，例如采用在绝缘层之上直接形成Ge层作为沟道层。现有技术存在的缺点是，绝缘层和Ge层之间的界面非常差，因此会引起比较严重 的散射和漏电，从而影响器件性能。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决现有技术中绝缘层和 高Ge组分层之间界面差的问题。为达到上述目的，本发明一方面提出一种在绝缘衬底上形成有高Ge应变层的半 导体结构，包括衬底层；形成在所述衬底层之上的绝缘层；形成在所述绝缘层之上的应变 薄膜层；形成在所述应变薄膜层之上的高Ge应变层；和形成在所述高Ge应变层之上的栅堆叠。在本发明的一个实施例中，可以在所述高Ge应变层之上形成应变Si层或者低Ge 组分的应变SiGe层，从而形成Si-Ge-Si结构，不仅可以解决BTBT漏电问题，还可以解决栅 介质层与沟道间的表面态问题。本发明另一方面提出了一种在绝缘衬底上形成高Ge应变层的方法，包括以下步 骤提供第一基板，所述第一基板包括第一衬底和形成在所述第一衬底之上的弛豫SiGe 层；在所述弛豫SiGe层之上形成应变薄膜层；注入H以所述应变薄膜层之下形成H注入层； 将所述第一基板和所述应变薄膜层翻转，并键合至第二基板，其中，所述第二基板包括第二 衬底和形成在所述第二衬底之上的绝缘层；进行热处理以剥离所述第一基板；和在所述应 变薄膜层之上形成高Ge应变层。
且在本发明的一个实施例中，可在弛豫SiGe层之上重复形成应变薄膜层，因此可 以极大地降低制造成本。本发明通过在绝缘层和高Ge应变层之间形成的应变薄膜层，从而可以有效解决 绝缘层和高Ge组分层之间界面差的问题。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中图1为本发明实施例一的在绝缘衬底上形成有高Ge应变层的半导体结构的示意 图；图2为本发明实施例二的在绝缘衬底上形成有高Ge应变层的半导体结构的示意 图；图3-9为本发明实施例的在绝缘衬底上形成高Ge应变层的方法流程图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简 化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且 目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重 复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此 夕卜，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到 其他工艺的可应用于性和/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”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形 成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。如图1所示，为本发明实施例的在绝缘衬底上形成有高Ge应变层的半导体结构的 示意图。该半导体结构包括衬底层110，例如体Si层等，形成在衬底层110之上的绝缘层 120，例如SiO2等，形成在绝缘层120之上的应变薄膜层130、和形成在应变薄膜层130之上 的高Ge应变层140，以及形成在高Ge应变层140之上的栅堆叠160。在本发明的一个实施 例中，高Ge应变层140可包括Ge层或高Ge组分的SiGe层，应变薄膜层130可包括应变Si 层或者低Ge组分的应变SiGe层。其中，优选地，应变薄膜层130的厚度约为3-50nm。在本发明的一个优选实施例中，还可在高Ge应变层140之上再形成一层应变Si 层或者低Ge组分的应变SiGe层150，如图2所示，从而形成Si-Ge-Si结构，不仅可以解决 BTBT漏电问题，还可以解决栅介质层与沟道间的表面态问题。为了更清楚的理解本发明实施例提出的上述半导体结构，本发明还提出了形成上 述半导体结构的方法的实施例，需要注意的是，本领域技术人员能够根据上述半导体结构选择多种工艺进行制造，例如不同类型的产品线，不同的工艺流程等等，但是这些工艺制造 的半导体结构如果采用与本发明上述结构基本相同的结构，达到基本相同的效果，那么也 应包含在本发明的保护范围之内。为了能够更清楚的理解本发明，以下将具体描述形成本 发明上述结构的方法及工艺，还需要说明的是，以下步骤仅是示意性的，并不是对本发明的 限制，本领域技术人员还可通过其他工艺实现。如图3-9所示，为本发明实施例的在绝缘衬底上形成高Ge应变层的方法流程图， 包括以下步骤步骤SlOl，分别提供第一基板200和第二基板300，其中，第一基板200包括第一 衬底210和形成在第一衬底210之上的弛豫SiGe层220，如图3所示。例如，第一衬底210 可为体Si衬底等。其中，第二基板300包括第二衬底310和形成在第二衬底310之上的绝 缘层320，例如SiO2等，如图3所示。步骤S102，在第一基板200的弛豫SiGe层220之上形成应变薄膜层230，优选地， 应变薄膜层230约为3-50nm，如图4所示。在本发明的一个实施例中，应变薄膜层230可包 括应变Si层或者低Ge组分的应变SiGe层。步骤S103，注入高浓度H，以在应变薄膜层230之下形成一层高浓度H注入层，如 图5所示。在本发明的其他实施例中，还可注入含H的物质，例如H/He、H/Ar共注入等，当 然本领域技术人员还可选择其他还H物质进行注入，这些均应包含在本发明的保护范围之 内。步骤S104，将第一基板200和应变薄膜层230翻转，并转移至第二基板300，如图 6所示。步骤S105，进行热处理并剥离第一基板200，如图7所示，例如加热到400-600°C左 右，使得H与H原子结合形成H2分子，或者利用微波辅助加热技术，在加热至200°C以上的 同时对第一基板200施加微波辐照，使得H与H原子在较低温度下结合形成H2分子，从而 将应变薄膜层230与弛豫SiGe层220在H注入层的地方分开，以将第一基板200剥离。在 本发明的一个实施例中，可通过对H注入的精确控制，使得H注入层恰形成在弛豫SiGe层 220和应变薄膜层230之间。当然H注入层也可形成在应变薄膜层230中，或者也可形成在 弛豫SiGe层220之中，之后在将残留在应变薄膜层230之上的SiGe材料去除即可，例如可 通过化学机械抛光去除，当然也可采用其他方式去除。步骤S106，在所述应变薄膜层230之上形成高Ge应变层240，如图8所示。在本 发明的一个实施例中，高Ge应变层330可包括Ge层或高Ge组分的SiGe层。步骤S107，优选地，还可在高Ge应变层240之上，形成应变Si层或者低Ge组分的 应变SiGe层250，以及形成栅堆叠260，如图9所示。在本发明的一个实施例中，可通过化 学气相淀积的方式形成应变Si层或者低Ge组分的应变SiGe层250。在本发明上述实施例中，可以重复地在弛豫SiGe层220之上形成应变薄膜层230 并重复利用弛豫SiGe层220，接着将其剥离，从而可以大大地降低生产成本。本发明通过在绝缘层和高Ge应变层之间形成应变薄膜层，从而可以有效解决绝 缘层和高Ge组分层之间界面差的问题。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
5和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限 定。
权利要求
一种在绝缘衬底上形成有高Ge应变层的半导体结构，其特征在于，包括衬底层；形成在所述衬底层之上的绝缘层；形成在所述绝缘层之上的应变薄膜层；形成在所述应变薄膜层之上的高Ge应变层；和形成在所述高Ge应变层之上的栅堆叠。
2.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，其中，所述高Ge应变层包括Ge层或 高Ge组分的SiGe层。
3.如权利要求1或2所述的半导体结构，其特征在于，其中，所述应变薄膜层包括应变 Si层或者低Ge组分的应变SiGe层。
4.如权利要求3所述的半导体结构，其特征在于，其中，所述应变薄膜层的厚度为 3_50nmo
5.如权利要求3所述的半导体结构，其特征在于，还包括形成在所述高Ge应变层和 所述栅堆叠之间的应变Si层或者低Ge组分的应变SiGe层。
6.一种在绝缘衬底上形成高Ge应变层的方法，其特征在于，包括以下步骤提供第一基板，所述第一基板包括第一衬底和形成在所述第一衬底之上的弛豫SiGe层；在所述弛豫SiGe层之上形成应变薄膜层； 注入H以所述应变薄膜层之下形成H注入层；将所述第一基板和所述应变薄膜层翻转，并键合至第二基板，其中，所述第二基板包括 第二衬底和形成在所述第二衬底之上的绝缘层； 进行热处理以剥离所述第一基板；和 在所述应变薄膜层之上形成高Ge应变层。
7.如权利要求6所述的在绝缘衬底上形成高Ge应变层的方法，其特征在于，其中，所述 高Ge应变层包括Ge层或高Ge组分的SiGe层。
8.如权利要求6或7所述的在绝缘衬底上形成高Ge应变层的方法，其特征在于，其中， 所述应变薄膜层包括应变Si层或者低Ge组分的应变SiGe层。
9.如权利要求8所述的在绝缘衬底上形成高Ge应变层的方法，其特征在于，其中，所述 应变薄膜层的厚度为3-50nm。
10.如权利要求8所述的在绝缘衬底上形成高Ge应变层的方法，其特征在于，还包括 在所述高Ge应变层之上形成应变Si层或者低Ge组分的应变SiGe层。
11.如权利要求8所述的在绝缘衬底上形成高Ge应变层的方法，其特征在于，在所述剥 离应变薄膜层之后，还包括在所述第一基板的弛豫SiGe层之上再次形成应变薄膜层，以重复生成应变薄膜层并 重复利用所述弛豫SiGe层。
全文摘要
本发明提出一种在绝缘衬底上形成有高Ge应变层的半导体结构，包括衬底层；形成在所述衬底层之上的绝缘层；形成在所述绝缘层之上的应变薄膜层；形成在所述应变薄膜层之上的高Ge应变层；和形成在所述高Ge应变层之上的栅堆叠。本发明通过在绝缘层和高Ge应变层之间形成应变薄膜层，从而可以有效解决绝缘层和高Ge组分层之间界面差的问题。
文档编号H01L27/12GK101882624SQ20101021208
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者王敬, 许军, 郭磊 申请人:清华大学