专利名称：绝缘体上锗硅衬底的制备方法
绝缘体上锗硅衬底的制备方法
技术领域：
本发明涉及集成电路材料的制备方法，尤其涉及绝缘体上锗硅衬底的制备 方法。
背景技术：
硅器件与集成电路技术作为电子工业的发展主流已经取得了巨大的成功。 然而，随着集成电路的超高速化的发展，硅材料的局限性开始显露。锗硅新材 料的出现对利用强大而成熟的硅工艺制作超高速集成电路带来了生机。锗硅材 料由于禁带宽度可由锗含量调节、易于与硅工艺兼容以及载流子迁移率高等优
点，被广泛用于高频双极型晶体管(HBT)、 MOSFET和MODFET的制作， 同时还可以应用在光电子领域。
近些年来，绝缘体上的硅(Silicon on Insulator, SOI)材料以其独特的绝缘 埋层结构，可以降低衬底的寄生电容和漏电电流，因此在在低压、低功耗、高 温、抗辐射器件等诸多领域得到了广泛的应用。
绝缘体上锗硅(GSOI)材料结合了锗硅材料和SOI材料的优点，是近几年发 展起来的一项新的高端硅基衬底材料。其结合了锗硅和SOI的优点，在提高载 流子迁移率的同时，减小了衬底的寄生电容、和漏电电流，在业内上引起了广 泛的童视。
目前，制备SGOI的技术主要有智能剥离(SmartCut)技术、SOI上外延 锗硅和注氧隔离技术(SIMOX)。
SmartCut技术是通过锗硅与硅片键合得到，此方法的步骤繁多，工艺非常 复杂。
SOI上外延SiGe主要是通过锗硅在高温下，锗原子扩散与顶层硅结合形 成SiGe，此方法的缺点在于需要具有超薄顶层硅的SOI材料，且锗在高温下 扩散的均匀性也不容易控制。200810200072.5
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SIMOX技术是目前制备SOI的主流技术之一，也可应用到SGOI的材料 制备中。现有的SIMOX工艺制备SGOI是采用氧离子注入锗硅材料中，再经 高温退火形成绝缘埋层。现有的SIMOX技术制备SGOI的缺点在于高温退火 的过程中，注入的氧与锗硅中的硅结合形成二氧化硅，而将锗硅中的锗排出， 锗在高温下向顶层锗硅层远离绝缘埋层的方向扩散，直至从衬底中逸出。上述 现象被称为锗硅的"排出效应"。现有技术中，由于排出效应而产生的锗的流 失非常严重，造成顶层硅锗层和绝缘埋层的质量不好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种绝缘体上锗硅衬底的制备方法， 避免锗在高温退火的情况下发生流失，从而提高绝缘体上锗硅衬底的质量。 为了解决上述问题，本发明提供了一种绝缘体上锗硅衬底的制备方法，包
括如下步骤(a)提供单晶硅衬底；(b)在单晶硅衬底表面生长锗硅层；(C)将起 泡离子注入单晶硅衬底中；(d)退火，从而形成气孔层；(e)将氧离子注入至气 孔层中；(f)退火，从而形成绝缘埋层。
作为可选的技术方案，还包括如下步骤在步骤(b)实施完毕之后，继续在 硅锗层远离单晶硅衬底的表面生长盖帽层，以抑制锗硅层中的锗原子向环境中 扩散。
作为可选的技术方案，所述盖帽层为硅。 作为可选的技术方案，所述盖帽层的厚度范围是2nm 20nm。 作为可选的技术方案，所述之起泡离子选自于氦离子、氢离子以及氩离子 中的至少一种。
作为可选的技术方案，所述起泡离子的注入剂量范围是lxl016cnT2 lxl017cm-2o
作为可选的技术方案，所述在单晶硅衬底表面生长的锗硅层的厚度小于 lOOnm。
作为可选的技术方案，所述步骤(d)中的退火温度是200°C 1000°C。 作为可选的技术方案，所述步骤(e)中的退火温度是1000°C 1300°C。
本发明的优点在于，采用起泡离子注入单晶硅衬底中，通过退火在单晶硅 衬底与锗硅层之间形成气孔层，并将氧离子注入至气孔层中，退火后在气孔层 的位置形成绝缘埋层。由于绝缘埋层均形成于单晶硅衬底而非锗硅层中，因此 可以对锗的排出现象起到抑制的作用，并且所述的气孔层可以有效地束缚氧原 子，有利于绝缘埋层的形成。
作为可选的技术方案，采用生长盖帽层的方法，抑制锗硅层中的锗原子向 环境中扩散，可以进一步避免锗排除现象的发生。
附图1所示为本发明所述绝缘体上锗硅衬底制备方法具体实施方式
的工艺
流程附图2至附图8所示为本发明所述绝缘体上锗硅衬底制备方法具体实施方 式的工艺步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的绝缘体上锗硅衬底的制备方法具体实施方 式做详细说明。
附图L所示为本发明所述绝缘体上锗硅衬底制备方法具体实施方式
的工艺 流程图，包括如下步骤步骤SIO，提供单晶硅衬底；步骤Sll,在单晶硅衬 底表面生长锗硅层；步骤S12，在硅锗层远离单晶硅衬底的表面生长盖帽层， 以抑制锗硅层中的锗原子向环境中扩散；步骤S13，将起泡离子注入单晶硅衬 底靠近锗硅层一侧的表面；步骤S14，退火，从而在单晶硅衬底与锗硅层之间 形成气孔层；步骤S15，将氧离子注入至气孔层中；步骤S16，退火，从而形 成绝缘埋层。
附图2至附图8所示为本发明所述绝缘体上锗硅衬底制备方法具体实施方 式的工艺步骤示意图。
附图2所示，参考步骤SIO，提供单晶硅衬底100。所述单晶硅衬底可以 是N型、P型或者本征单晶硅衬底。
附图3所示，参考步骤Sll，在单晶硅衬底100的表面生长锗硅层110。 为了保证锗硅层的晶体质量，应该将锗硅层的厚度控制在临界厚度以内，避免 锗硅的晶格产生无法恢复的塑性应变。通常来说，在单晶硅衬底100表面生长 的锗硅层110的厚度小于100nm是一种优选的技术方案。生长锗硅层110可以 采用化学气相外延的方法。
附图4所示，参考步骤S12，继续在硅锗层110远离单晶硅衬底100的表 面生长盖帽层120，以抑制锗硅层110中的锗原子向环境中扩散。
以上步骤是可选步骤。盖帽层的作用在于防止后续离子注入对锗硅层的损 伤，并且防止锗硅层中的锗原子在退火的过程中向外扩散，因此是一种优选的 技术方案。
所述盖帽层120为硅，包括单晶硅、多晶硅或者非晶硅等，厚度范围是 2nm 20nm。采用硅作为盖帽层120的优点在于生长工艺成熟、工艺成本低， 且不会对锗硅层引起额外的污染，因此硅作为盖帽层是一种优选材料。
附图5所示，参考步骤S13，将起泡离子注入单晶硅衬底100中。
为了获得更好的技术效果，所述之起泡离子选自于氦离子、氢离子以及氩 离子中的至少一种。上述离子在注入单晶硅衬底后比较容易产生气泡。
所述起泡离子的优选注入剂量范围是lxl016 cm々 lxlO"cm气低于lx1016 cm'2的注入剂量不容易在单晶硅衬底100中产生气泡，而lxl017cm-2已经可以 保证在单晶硅衬底100中产生气泡，超过这一剂量会造成注入时间的浪费。
考虑到在后续形成绝缘层的工艺中可以形成高质量的连续埋层，此步骤中 起泡离子注入浓度分布高斯分布的峰值位置与单晶硅衬底100靠近锗硅层120 的表面之间的距离小于lMm。
附图6所示，参考步骤S14,退火，从而形成气孔层130。所述退火的温 度受起泡离子注入剂量fe影响。通常所采用的退火温度的优选值是200°C 1000°C，可以保证产生气孔层，且不会造成时间的浪费。
此步骤还在气孔层130与锗硅层110之间形成单晶硅插入层101。该层是 单晶硅衬底100的一部分。由于此步骤在单晶硅衬底100之中形成了气泡层， 因此将单晶硅衬底IOO靠近锗硅层IIO—侧的一部分分离而形成单晶硅插入层
101。如果起泡离子的注入位置比较靠近锗硅层110，以至于退火形成的气泡扩 散至单晶硅层100与锗硅层110的界面处，也有可能不形成单晶硅插入层101。
附图7所示，参考步骤S15，将氧离子注入至气孔层130中。根据气孔层 的位置调整氧离子的注入能量，使氧离子注入浓度分布高斯分布的峰值位置恰 好位于气孔层130。
采用起泡离子注入单晶硅衬底100中，通过退火在单晶硅衬底100与锗硅 层110之间形成气孔层130，并将氧离子注入至气孔层130中，再经过后续步 骤退火后将在气孔层130的位置形成绝缘埋层。由于绝缘埋层形成于单晶硅衬 底100而非锗硅层110中，因此可以对锗的排出现象起到抑制的作用，并且所 述的气孔层可以有效地束缚氧原子，有利于绝缘埋层的形成。
氧离子的原子质量比较重，注入到单晶硅衬底中超过lnm深度的技术难 度较大，因此，在步骤S13中控制起泡离子注入浓度分布高斯分布的峰值位置 与单晶硅衬底100靠近锗硅层120的表面之间的距离小于l拜，有利于此步骤 中更容易的将氧离子注入至气孔层130。
附图8所示，参考步骤S16，退火，从而形成绝缘埋层140。
所述退火在氧气气氛中进行，退火温度是1000°C 1300°C。在退火的过程 中，锗硅层110中的锗向单晶硅插入层101以及盖帽层120中扩散，使单晶硅 插入层101和盖帽层120靠近锗硅层110的部分转变成为锗硅层，从而形成了 由锗硅层110、原单晶硅插入层101以及盖帽层120靠近锗硅层的部分所构成 的新锗硅层111。与此同时，盖帽层120远离锗硅层110的部分由于被氧化而 形成二氧化硅层121。 二氧化硅层121的原子排布致密，避免了锗原子进一步 向体系外扩散。
上述步骤实施完毕后，得到由单晶硅衬底100、绝缘埋层140以及新锗硅 层111构成的绝缘体上锗硅结构。在此结构的表面覆盖有二氧化硅层121，对 新锗硅层lll起到保护作用，防止锗硅中的锗原子在空气中氧化。也可以根据 实际应用的需要将二氧化硅层121移除。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通
技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种绝缘体上锗硅衬底的制备方法，其特征在于，包括如下步骤(a)提供单晶硅衬底；(b)在单晶硅衬底表面生长锗硅层；(c)将起泡离子注入单晶硅衬底中；(d)退火，从而形成气孔层；(e)将氧离子注入至气孔层中；(f)退火，从而形成绝缘埋层。
2. 根据权利要求1所述的绝缘体上锗硅衬底的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤在步骤(b)实施完毕之后，继续在硅锗层远离单晶硅衬底的表 面生长盖帽层，以抑制锗硅层中的锗原子向环境中扩散。
3. 根据权利要求2所述的绝缘体上锗硅衬底的制备方法，其特征在于，所述盖帽层为硅。
4. 根据权利要求2所述的绝缘体上锗硅衬底的制备方法，其特征在于，所述 盖帽层的厚度范围是2nm 20nm。
5. 根据权利要求1或2所述的绝缘体上锗硅衬底的制备方法，其特征在于， 所述之起泡离子选自于氦离子、氢离子以及氩离子中的至少一种。
6. 根据权利要求1或2所述的绝缘体上锗硅衬底的制备方法，其特征在于， 所述起泡离子的注入剂量范围是lx1016 cm—2 lxl017cm—2。
7. 根据权利要求1或2所述的绝缘体上锗硅衬底的制备方法，其特征在于， 所述在单晶硅衬底表面生长的锗硅层的厚度小于100nm。
8. 根据权利要求1或2所述的绝缘体上锗硅衬底的制备方法，其特征在于， 所述步骤(d)中的退火温度是200°C 1000°C。
9. 根据权利要求1或2所述的绝缘体上锗硅衬底的制备方法，其特征在于， 所述步骤(e)中的退火温度是1000°C 1300°C。
全文摘要
一种绝缘体上锗硅衬底的制备方法，包括如下步骤(a)提供单晶硅衬底；(b)在单晶硅衬底表面生长锗硅层；(c)将起泡离子注入单晶硅衬底中；(d)退火，从而形成气孔层；(e)将氧离子注入至气孔层中；(f)退火，从而形成绝缘埋层。本发明的优点在于，采用起泡离子注入单晶硅衬底中，通过退火在单晶硅衬底与锗硅层之间形成气孔层，并将氧离子注入至气孔层中，退火后在气孔层的位置形成绝缘埋层。由于绝缘埋层均形成于单晶硅衬底而非锗硅层中，因此可以对锗的排出现象起到抑制的作用，并且所述的气孔层可以有效地束缚氧原子，有利于绝缘埋层的形成。
文档编号H01L21/84GK101359591SQ20081020007
公开日2009年2月4日 申请日期2008年9月17日 优先权日2008年9月17日
发明者波 张, 苗 张, 曦 王 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所