专利名称：一种硅基锗纳米结构衬底及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体集成技术领域，尤其涉及一种硅基锗纳米结构衬底及其制备方法。
背景技术：
半导体技术作为信息产业的核心和基础，是衡量一个国家科学技术进步和综合国力的重要标志。在过去的40多年中，硅基集成技术遵循摩尔定律通过缩小器件的特征尺寸来提高器件的工作速度、增加集成度以及降低成本，硅基CMOS器件的特征尺寸已经由微米尺度缩小到纳米尺度。然而当MOS器件的栅长缩小到90纳米以下，器件的短沟效应日益明显，传统平面硅基微电子集成技术开始面临来自物理与技术方面的双重挑战，采用高迁移率半导体材料沟道材料和采用新器件结构是获得高性能MOS器件的有效途径，双栅、三栅等多栅FinFET器件有利于提高MOS器件的栅控能力，提高器件性能。锗材料的电子迁移率和空穴迁移率都比硅高很多，是下一代CMOS技术沟道材料·的有力竞争者，新结构多栅锗基CMOS器件在未来有望获得实际的应用。
发明内容
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种硅基锗纳米结构衬底及其制备方法，以将纳米结构的单晶锗集成到硅衬底上，可应用于制备高迁移率新结构多栅锗基CMOS器件的制备。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种硅基锗纳米结构衬底，包括单晶硅衬底；在该单晶硅衬底上形成的多个锗鳍；在该多个锗鳍上形成的帽层；以及填充于该单晶硅衬底上多个锗鳍之间的介质填充层。上述方案中，所述锗鳍为单晶锗，其高度在5纳米至500纳米之间，宽度在3埃至100纳米之间。所述帽层为氧化硅、氧化锗、氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锆以及它们的任意组合，所述帽层的厚度在3埃至200纳米之间。所述介质填充层为氧化硅、氧化锗、氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锆以及它们的任意组合，且所述介质填充层的厚度小于所述锗鳍的高度。为达到上述目的，本发明还提供了一种硅基锗纳米结构衬底的制备方法，该方法包括清洗单晶硅衬底，去除自然氧化层；在单晶硅衬底上沉积非晶锗，在非晶锗上沉积形成帽层的介质，热退火使非晶锗结晶成单晶锗；去除部分形成帽层的介质和单晶锗，形成多个纳米结构的锗鳍及多个位于锗鳍上的帽层；在形成多个锗鳍及帽层的衬底上沉积填充介质，并对衬底表面进行化学机械抛光处理，使填充介质的厚度等于锗鳍与帽层的厚度之和；以及去除部分填充介质获得厚度小于锗鳍厚度的介质填充层。上述方案中，所述清洗单晶硅衬底，是利用标准RCA清洗工艺对单晶硅衬底表面进行清洗，并用HF酸对单晶硅衬底表面进行钝化处理，HF酸浓度在5% -49%之间，抑制单晶硅衬底在空气中自然氧化。上述方案中，所述在单晶硅衬底上沉积非晶锗，在非晶锗上沉积形成帽层的介质，热退火使非晶锗结晶成单晶锗的步骤中，是在所述单晶硅衬底上利用电子束或者热蒸发、等离子增强化学气相沉积、超高真空化学气相沉积、溅射的方法沉积非晶锗层，并在所述非晶锗层上利用等离子增强化学气相沉积、金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积或原子层沉积的方法沉积形成帽层的介质，通过快速热退火，采用固相外延或液相外延的方法使非晶错结晶成为单晶错。 上述方案中，所述去除部分形成帽层的介质和单晶锗，形成多个纳米结构的锗鳍及多个位于锗鳍上的帽层的步骤中，采用光刻、干法刻蚀或湿法腐蚀的方法去除部分形成帽层的介质和单晶锗，形成多个纳米结构的锗鳍及多个位于锗鳍上的帽层。上述方案中，所述在形成多个锗鳍及帽层的衬底上沉积填充介质，并对衬底表面进行化学机械抛光处理的步骤中，采用等离子增强化学气相沉积、金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积或原子层沉积的方法在形成多个锗鳍及帽层的衬底上沉积介质填充层的介质，利用化学机械抛光平坦化衬底表面，平坦化表面终止于帽层处，使填充介质的厚度等于锗鳍与帽层的厚度之和。上述方案中，所述去除部分填充介质获得厚度小于锗鳍厚度的介质填充层的步骤中，采用光刻、干法刻蚀或湿法腐蚀的方法将填充层介质部分去除，获得厚度小于锗鳍厚度的介质填充层。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果I、本发明提供的硅基锗纳米结构衬底，采用具有高电子迁移率和空穴迁移率的锗作为鳍的材料，可应用于制备高迁移率新结构多栅CMOS集成技术，是下一代CMOS集成技术的有力竞争者。2、本发明提供的硅基锗纳米结构衬底，介质填充层的存在避免了锗鳍与单晶硅衬底界面处晶格失配缺陷较多的部分作为沟道材料引起的器件特性退化和一致性差异，帽层的存在可以将该硅基锗纳米结构衬底应用于双栅FinFET，刻蚀或腐蚀掉帽层后可以用于制备三栅FinFET，而多个锗鳍的存在又可以使用该硅基锗纳米结构衬底制备多鳍FinFET。3、本发明提供的硅基锗纳米结构衬底，是以单晶硅为衬底的，可以有效降低半导体器件的制备成本，还可以实现硅基和锗基半导体器件的单片集成。这些特性表明本发明在后摩尔时代CMOS集成技术、硅基和锗基半导体器件集成领域都具备广阔的应用前景和市场前景。
图I为依照本发明实施例的硅基锗纳米结构衬底的侧视截面结构示意图；图2为依照本发明实施例的单晶硅衬底的结构示意图；图3为依照本发明实施例在单晶硅衬底上生长非晶锗后的结构示意图；图4为依照本发明实施例在非晶锗上沉积帽层的介质后的结构示意图；图5为依照本发明实施例在退火使非晶锗结晶成单晶锗后的结构示意图6为依照本发明实施例刻蚀或腐蚀出帽层和锗鳍后的结构示意图；图7为依照本发明实施例在锗鳍和帽层沉积完介质填充层的介质后的结构示意图；图8为依照本发明实施例帽层和介质填充层的介质经过化学机械抛光后的结构示意图；图9为依照本发明实施例硅基锗纳米结构衬底的截面结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本实施例具体描述本发明所提供的一种硅基张应变衬底结构的结构特征及其制 备方法。如图I所示，图I为依照本发明实施例的硅基锗纳米结构衬底的侧视截面结构示意图。该硅基锗纳米结构衬底包括单晶硅衬底1，在该单晶硅衬底上形成的多个锗鳍4b，在该多个锗鳍上形成的帽层3c，以及填充于该单晶硅衬底上多个锗鳍之间的介质填充层5c。其中，单晶硅衬底I位于所述硅基张应变衬底结构的底部，锗鳍4b置于单晶硅衬底I之上，帽层3c置于锗鳍4b之上，介质填充层5c置于单晶硅衬底I之上且介质填充层5c置于锗鳍4b周围。锗鳍4b为单晶锗，其高度在5纳米至500纳米之间，宽度在3埃至100纳米之间。帽层3c为氧化硅、氧化锗、氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锆以及它们的任意组合，帽层的厚度在3埃至200纳米之间。介质填充层5c为二氧化硅、氧化锗、氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锆以及它们的任意组合，且介质填充层的厚度小于锗鳍的高度。基于图I所示的依照本发明实施例的硅基锗纳米结构衬底的侧视截面结构示意图，图2至图9示出了依照本发明实施例的制备硅基锗纳米结构衬底的工艺流程图，具体包括如下步骤步骤I :利用标准RCA清洗工艺对单晶硅衬底表面进行清洗，具体步骤如下首先利用丙酮对单晶硅片进行超声清洗5分钟去除硅片表面油脂，接着利用丙酮对单晶硅片进行超声清洗5分钟去除硅片表面残余丙酮，然后用去离子水冲洗单晶硅片去除表面残余乙醇，接着在120°C清洗温度的浓硫酸双氧水=4 I的溶液中清洗15分钟后用去离子水进行冲洗去除残余溶液，然后在75°C清洗温度的氨水双氧水水=I : I : 5的溶液中清洗15分钟后用去离子水冲洗去除残余溶液，接着在75°C清洗温度的盐酸双氧水水= 1:1: 6的溶液中清洗15分钟后用去离子水冲洗去除残余溶液，最后用HF酸对单晶硅衬底I表面进行钝化处理，HF酸浓度为10%，防止单晶硅衬底I在空气中自然氧化，如图2所示；步骤2 :如图3所示，在所述单晶硅衬底I上利用等离子增强化学气相沉积的方法沉积非晶锗层2，厚度为50纳米，如图3所示；并在所述非晶锗层上利用等离子增强化学气相沉积的方法沉积帽层的氮化硅介质3a，厚度为8纳米，如图4所示；在600°C快速热退火
2分钟，采用固相外延的方法使非晶锗结晶成为单晶锗4a，如图5所示；步骤3 :如图6所示，采用干法刻蚀的方法去除部分帽层介质和单晶锗，获得所述锗鳍4b和帽层3b，锗鳍4b和帽层3b的宽度为15纳米，间距为100纳米；步骤4 :如图7所示，采用等离子增强化学气相沉积的方法在锗鳍4b和帽层3b上沉积介质填充层的二氧化硅介质5a，二氧化硅的厚度为80纳米；如图8所示，采用化学机械抛光对步骤4获得的衬底进行平坦化处理，所述锗鳍4b和帽层3c厚度之和与介质填充层的介质5b厚度相同，为55纳米；步骤5 :如图8和图I所示，采用干法刻蚀的方法去除介质填充层的介质二氧化娃，所述介质填充层5c的厚度为5纳米。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。·
权利要求
1.一种娃基错纳米结构衬底，其特征在于，包括 单晶娃衬底； 在该单晶硅衬底上形成的多个锗鳍； 在该多个锗鳍上形成的帽层；以及 填充于该单晶硅衬底上多个锗鳍之间的介质填充层。
2.根据权利要求I所述的娃基错纳米结构衬底，其特征在于，所述错轄为单晶错，其闻度在5纳米至500纳米之间，宽度在3埃至100纳米之间。
3.根据权利要求I所述的硅基锗纳米结构衬底，其特征在于，所述帽层为氧化硅、氧化 锗、氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锆以及它们的任意组合，所述帽层的厚度在3埃至200纳米之间。
4.根据权利要求I所述的硅基锗纳米结构衬底，其特征在于，所述介质填充层为氧化硅、氧化锗、氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锆以及它们的任意组合，且所述介质填充层的厚度小于所述锗鳍的高度。
5.一种硅基锗纳米结构衬底的制备方法，其特征在于，该方法包括 清洗单晶硅衬底，去除自然氧化层； 在单晶硅衬底上沉积非晶锗，在非晶锗上沉积形成帽层的介质，热退火使非晶锗结晶成单晶错； 去除部分形成帽层的介质和单晶锗，形成多个纳米结构的锗鳍及多个位于锗鳍上的帽层； 在形成多个锗鳍及帽层的衬底上沉积填充介质，并对衬底表面进行化学机械抛光处理，使填充介质的厚度等于锗鳍与帽层的厚度之和；以及 去除部分填充介质获得厚度小于锗鳍厚度的介质填充层。
6.根据权利要求5所述的硅基锗纳米结构衬底的制备方法，其特征在于，所述清洗单晶硅衬底，是利用标准RCA清洗工艺对单晶硅衬底表面进行清洗，并用HF酸对单晶硅衬底表面进行钝化处理，HF酸浓度在5% -49%之间，抑制单晶硅衬底在空气中自然氧化。
7.根据权利要求5所述的硅基锗纳米结构衬底的制备方法，其特征在于，所述在单晶硅衬底上沉积非晶锗，在非晶锗上沉积形成帽层的介质，热退火使非晶锗结晶成单晶锗的步骤中，是在所述单晶硅衬底上利用电子束或者热蒸发、等离子增强化学气相沉积、超高真空化学气相沉积、溅射的方法沉积非晶锗层，并在所述非晶锗层上利用等离子增强化学气相沉积、金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积或原子层沉积的方法沉积形成帽层的介质，通过快速热退火，采用固相外延或液相外延的方法使非晶锗结晶成为单晶锗。
8.根据权利要求5所述的硅基锗纳米结构衬底的制备方法，其特征在于，所述去除部分形成帽层的介质和单晶锗，形成多个纳米结构的锗鳍及多个位于锗鳍上的帽层的步骤中，采用光刻、干法刻蚀或湿法腐蚀的方法去除部分形成帽层的介质和单晶锗，形成多个纳米结构的锗鳍及多个位于锗鳍上的帽层。
9.根据权利要求5所述的硅基锗纳米结构衬底的制备方法，其特征在于，所述在形成多个锗鳍及帽层的衬底上沉积填充介质，并对衬底表面进行化学机械抛光处理的步骤中，采用等离子增强化学气相沉积、金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积或原子层沉积的方法在形成多个锗鳍及帽层的衬底上沉积介质填充层的介质，利用化学机械抛光平坦化衬底表面，平坦化表面终止于帽层处，使填充介质的厚度等于锗鳍与帽层的厚度之和。
10.根据权利要求5所述的硅基锗纳米结构衬底的制备方法，其特征在于，所述去除部分填充介质获得厚度小于锗鳍厚度的介质填充层的步骤中，采用光刻、干法刻蚀或湿法腐蚀的方法将填充层介质部分去除，获得厚度小于锗鳍厚度的介质填充层。
全文摘要
本发明涉及半导体集成技术领域，公开了一种硅基锗纳米结构衬底及其制备方法，该硅基锗纳米结构衬底包括单晶硅衬底；在该单晶硅衬底上形成的多个锗鳍；在该多个锗鳍上形成的帽层；以及填充于该单晶硅衬底上多个锗鳍之间的介质填充层。利用本发明，可以为制备高性能场效应晶体管提供衬底，且该衬底可应用于制备锗基双栅、三栅或多个鳍的多栅场效应晶体管。
文档编号H01L21/8238GK102956686SQ20111023675
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月18日 优先权日2011年8月18日
发明者孙兵, 刘洪刚 申请人:中国科学院微电子研究所