专利名称：一种绝缘体上锗衬底的制备方法
技术领域：
本发明属于新型半导体材料器件领域，具体涉及一种绝缘体上锗(GeOI)衬底制备技术。
背景技术：
集成电路技术遵循着摩尔定律已发展了 40多年，通过减小器件几何尺寸提高工作速度的方法正面临晶体管尺寸物理极限和技术极限的双重考验。为了继续提高器件的工作速度，就需要采用新的材料和器件结构。锗材料由于其高的载流子迁移率(常温下，电子迁移率是硅的2. 4倍，空穴迁移率是硅的4倍)，被认为是未来CMOS器件非常有潜力的候选材料。因此，Ge基器件成为近年来国际研究热点之一。另外，“绝缘体上(On Insulator)” 结构，由于具有良好的栅控制能力、源/漏寄生电容小和源/漏间耦合弱等优势，而被认为是制作小尺寸器件优选结构之一。因此，结合了锗沟道高载流子迁移率优点与“绝缘体上 (On hsulator)”结构有效抑制短沟道效应优势的绝缘体上锗(GeOI)衬底，被认为制作高速小尺寸MOSFET的优选结构。目前制作GeOI衬底的方法主要有两种智能剥离(Smart Cut )的方法和锗聚集 (Ge condensation)的方法。但不论是智能剥离还是锗聚集制备的GeOI衬底，都存在一个共同的缺点，就是上层的锗膜与埋氧层的界面(背界面)质量太差，存在大量的悬挂键，界面态密度很高。
发明内容
鉴于目前GeOI衬底背界面质量较差的问题，本发明提供一种GeOI衬底制备方法。 该方法在制备GeOI衬底过程中可同步实现对背界面的钝化处理，显著提高背界面质量，并降低埋氧化层的介电常数，有利于抑制GeOI MOSFET器件的短沟道效应。本发明提供的GeOI衬底制备方法，其实现步骤如下1)分别提供半导体锗衬底和硅衬底，对锗衬底和硅衬底进行必要的清洗；2)去除锗衬底和硅衬底表面的自然氧化层；3)在锗衬底上淀积一层SiO2,做为埋氧层；4)在 SW2 上淀积一层 SixNy ；5)向SW2中注入氟离子(氟离子穿过SixNy)；6)在SixNy上淀积一层用于键合的SW2 ；7)在硅衬底上生长一层用于键合的SW2 ；8)对SixNy上SW2和硅衬底上的SW2做表面激活处理，并将两衬底沿激活表面对准键合；9)键合后退火；10)对锗衬底进行减薄；所述步骤1)中对锗衬底的清洗步骤可以为有机清洗、盐酸清洗等，目的是对锗衬底上的有机和无机污染物、金属颗粒等进行去除，但不局限于上述清洗方法；对硅衬底的清洗步骤为1号标准清洗液清洗，2号标准清洗液清洗，以去除硅衬底上的颗粒、有机物和金属等污染物，但不局限于上述清洗方法；所述步骤2)中去除锗衬底自然氧化层可以采用HF、HCl溶液浸泡的方法，亦可采用高温真空退火的方法，但并不局限于上述去除锗自然氧化层的方法；对于去除硅衬底表面的自然氧化物，可以采用HF、BOE溶液浸泡的方法，但并不局限于上述去除硅自然氧化层的方法；所述步骤3)中淀积SW2的方法有APCVD、LPCVD, PECVD, ALD、PLD等，但不局限于上述淀积SW2的方法；所述步骤4)中的SixNy可以通过APCVD、LPCVD, PECVD, ALD、PLD和溅射等方法淀积，但不局限于上述淀积SixNy的方法，这层SixNy的作用a)对于后续将氟离子注入到S^2 中，用这层SixNy作缓冲层，避免将氟离子直接打在SiO2上，造成严重的晶格损伤；b)阻挡注入到SW2中的氟离子在后续的键合或者退火过程中扩散离SiA层；所述步骤5)中注入的氟离子能量要足够穿过SixNy，到达SiA层；所述步骤6)中淀积SW2的方法有APCVD、LPCVD, PECVD, ALD、PLD等，但不局限于上述淀积SW2的方法；所述步骤7)中生长SW2的方法有热氧化、APCVD、LPCVD、PECVD、ALD、PLD等，但不局限于上述生长Sio2W方法；所述步骤8)中表面激活处理可以是亲水处理，也可以是队或吐的等离子体激活处理，但不局限于上述表面激活处理的方法；键合的方法有直接键合、阳极键合，但不局限于上述键合的方法；所述步骤9)中的退火可以在N2、H2、NH3、Ar等气氛中进行，但不局限于上述退火气氛，退火的目的是使S^2键合得更牢固，并且使注入到S^2中的氟离子扩散到锗衬底与埋氧层(SiO2)的界面处，以钝化背界面悬挂键，减少界面态密度，提高背界面质量；所述步骤10)中的减薄可以通过化学机械抛光(CMP)的方法，也可以通过先进行智能剥离，再对进行化学机械抛光的方法。若是要先进行智能剥离，就要在键合前向锗衬底中注入H+，并且需要在键合后进行剥离。本发明在制备的GeOI质量上与传统的智能剥离或者锗聚集制备的GeOI衬底相比，具有如下优势a)在制备GeOI衬底的同时实现了锗与埋氧层界面的钝化处理，减少界面态密度， 有利于提高GeOI衬底的背界面质量。这是由于注入到SiO2中的氟离子，有一部分会在后续退火工艺中扩散到锗与埋氧层的界面处，实现对背界面悬挂键的钝化；b)有利于增强基于GeOI衬底上制备的MOSFET抑制短沟道效应的能力，这是由于注入到SiO2中的氟离子会使部分SiO2变成SiOxFy，能降低埋氧层(SiO2)的介电常数。
图1是本发明GeOI衬底制备方法流程图；图2是本发明GeOI衬底制备实施例示意图，图中1_锗衬底；2_硅衬底；3_锗衬底上淀积SiO2 ；4-SixNy ；5-注入氟离子的SiA ；6-SixNy上淀积的SW2 ；7-硅衬底上淀积
4SiO2 ；8-SixNy上的SiA和硅衬底上SiA的SiA结合层；9-减薄后的锗衬底。 具体实施方案步骤1.选择半导体锗衬底和硅衬底，如图2(a)所示。分别对锗衬底和硅衬底进行清洗。首先对锗衬底进行有机清洗，依次用丙酮和乙醇浸泡清洗，再用DI水冲洗干净，去除锗衬底上的油污和有机污染物。再用盐酸清洗，在稀盐酸中加热煮沸，随后用DI水冲洗干净，去除无机污染物、金属颗粒等；先用1号清洗液(NH4OH H2O2 H2O=I 1 5 1:2: 7)对硅衬底进行清洗，然后用去离子水清洗干净，去除衬底上的颗粒和有机物质。 再用2号清洗液(HCl H2O2 H2O = 1 1 6 1 2 8)清洗，之后再用去离子水清洗干净，去除衬底上的金属污染；步骤2.去除锗衬底和硅衬底表面的自然氧化物。对于去除锗衬底表面的自然氧化物可以采用HF、HC1溶液浸泡的方法，亦可采用高温真空退火的方法。本实施优选例为的 HF溶液浸泡的方法。具体过程如下先用稀释的HF (HF H2O=I 5 1 60)溶液浸泡10 50秒，再用DI水冲洗10 50秒，如此循环5 15次；对于去除硅衬底表面的自然氧化物可以采用HF、BOE溶液浸泡的方法，本实施优选例为HF溶液浸泡的方法。用稀释的HF (HF H2O = 1 5 1 60)溶液浸泡10 50秒，再用DI水冲洗10 50秒，如此循环5 15次；步骤3.在清洗过的锗衬底上淀积一层Si02。淀积SW2的方法有APCVD、LPCVD, PECVD, ALD、PLD等，本实施优选例为APCVD的方法淀积一层厚度为IOnm 500nm的SiO2, 本实施优选例为50nm，如图2(b)所示；步骤4.在 SiR 上淀积一层 SixNy，淀积 SixNy 的方法有 APCVD、LPCVD、PECVD、ALD、 PLD和溅射等，本实施优选例为PECVD。在250 500°C下，用PECVD的方法在SW2上淀积 5 500nm的SixNy，本实施优选例为10nm，如图2(c)所示；步骤5.向SW2中注入氟离子(氟离子穿过SixNy),如图2(d)所示。注入氟离子的能量为^eV IOOkeV,注入能量根据锗衬底上的SW2和SixNy层的厚度而定，本实施优选例为25keV ；注入剂量为1 X IO12 1 X IO17enT2，本实施优选例为1 X IO1W2 ；步骤6.在SixNy上淀积一层用于键合的Si02。淀积SW2的方法有APCVD、LPCVD、 PECVD、ALD、PLD等。本实施优选例为用PECVD的方法。淀积SiO2的厚度为5nm 500nm， 本实施优选例为lOnm，如图2(e)所示；步骤7.在硅衬底上生长一层用于键合的Si02。生长SW2的方法有热氧化、APCVD、 LPCVD、PECVD、ALD、PLD等。本实施优选例为用热氧化的方法在硅衬底上生长Si02。生长 SiO2的厚度为20nm 500nm，本实施优选例为lOOnm，如图2(f)所示；步骤8.室温下，对硅衬底的SW2和SixNy上的SW2做表面激活处理，激活的方法有亲水处理，N2或H2的等离子体处理，本实施优选例为N2的等离子体处理，用氮的等离子体处理10 30s ；将硅衬底上的SW2和SixNy上的SW2键合，键合的方法有直接键合、阳极键合，本实施优选例为直接键合。在300 700°C的真空中键合5 20h，本实施优选例为在 400°C的真空中键合10h，使SixNy上的SW2和硅衬底上SW2的结合成一层SiO2，如图2(g) 所示；步骤9.键合后退火。在N2、H2、NH3、Ar等气氛中退火，但不局限于上述退火气氛。本实施优选例为H2气氛，在400°C 700°C的H2气氛中退火30min Mh，使SW2中的氟扩散到锗与埋氧层的界面处，实现对背界面悬挂键的钝化，改善背界面质量。本实施优选例为在400°〇的!12气氛中退火lh，如图2(h)所示；步骤10.对锗进行减薄。减薄可以通过化学机械抛光(CMP)的方法，也可以通过先进行智能剥离，再对进行化学机械抛光的方法。若是要先进行智能剥离，就要在键合前向锗衬底中注入H+，并且需要在键合后进行剥离。本实施优选例为直接用CMP减薄的方法，最终获得的锗的厚度为20nm lum，本实施优选例为200nm，如图2(i)所示。以上通过优选实施例详细描述了本发明所提出的一种GeOI衬底的制备方法，本领域的技术人员应当理解，以上所述仅为本发明的优选实施例，在不脱离本发明实质的范围内，可以使用其它反应材料实现本发明的绝缘体上锗(GeOI)衬底，其制备方法也不限于实施例中所公开的内容，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种GeOI衬底制备方法，其步骤包括1)分别对锗衬底和硅衬底进行必要的清洗；2)去除锗衬底和硅衬底表面的自然氧化层；3)在锗衬底上淀积一层SiO2，做为埋氧层；4)在SW2上淀积一层SixNy；5)向SiO2中注入氟离子；6)在SixNy上淀积一层用于键合的SW2；7)在硅衬底上生长一层用于键合的SW2；8)对SixNy上SW2和硅衬底上的SW2做表面激活处理，并将两衬底沿激活表面对准键合；9)键合后退火；10)对锗衬底进行减薄。
2.如权利要求1所述的GeOI衬底制备方法，其特征在于，所述步骤1)中对锗衬底的清洗步骤为有机清洗、盐酸清洗；对硅衬底的清洗步骤为1号标准清洗液清洗或2号标准清洗液清洗。
3.如权利要求1所述的GeOI衬底制备方法，其特征在于，所述步骤2)中去除锗衬底自然氧化层采用HF、HC1溶液浸泡的方法，亦可采用高温真空退火的方法；对于去除硅衬底表面的自然氧化物，采用HF或BOE溶液浸泡的方法。
4.如权利要求1所述的GeOI衬底制备方法，其特征在于，所述步骤3)或步骤6)中淀积 SiR 的方法有 APCVD、LPCVD、PECVD、ALD 或 PLD。
5.如权利要求1所述的GeOI衬底制备方法，其特征在于，所述步骤4)中的SixNy是通过 APCVD、LPCVD、PECVD、ALD、PLD 或溅射方法淀积。
6.如权利要求1所述的GeOI衬底制备方法，其特征在于，所述步骤5)中注入的氟离子能量为5keV lOOkeV。
7.如权利要求1所述的GeOI衬底制备方法，其特征在于，所述步骤7)中生长SiO2W 方法有热氧化、APCVD、LPCVD、PECVD、ALD 或 PLD。
8.如权利要求1所述的GeOI衬底制备方法，其特征在于，所述步骤8)中表面激活处理是亲水处理，或是队或吐的等离子体激活处理，键合的方法有直接键合或阳极键合。
9.如权利要求1所述的GeOI衬底制备方法，其特征在于，所述步骤9)中键合后的退火是在N2、H2、NH3、Ar等气氛中进行。
10.如权利要求1所述的GeOI衬底制备方法，其特征在于，所述步骤10)中的减薄是采用化学机械抛光的方法，或采用先进行智能剥离，再进行化学机械抛光的方法。
全文摘要
本发明提供一种GeOI衬底制备方法，属于新型半导体材料器件领域。该GeOI衬底制备方法在制备GeOI衬底的同时，利用注入氟离子的SiO2，实现了锗与埋氧层界面的钝化处理，减少界面态密度，有利于提高GeOI衬底的背界面质量。并降低埋氧化层的介电常数，有利于抑制GeOI MOSFET器件的短沟道效应。
文档编号H01L21/762GK102222637SQ20111017095
公开日2011年10月19日 申请日期2011年6月23日 优先权日2011年6月23日
发明者安霞, 张兴, 林猛, 黄如 申请人:北京大学