專利名稱：襯底、其制造方法以及半導體器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及襯底、其制造方法以及半導體器件，并且更具體地說，本發(fā)明涉及具有在絕緣體上具有Ge層的GOI(絕緣體上鍺結構)結構的襯底、其制造方法以及半導體器件。
背景技術：
近年來，具有在絕緣體上具有Si層的SOI(絕緣體上硅結構)結構的襯底已受到關注。例如，日本專利No.2,608,351、No.2,877,800以及No.3,048,201都披露了制造所述GOI襯底的方法。
最近已提出了具有在絕緣體上具有Ge層的GOI(絕緣體上鍺結構)結構的半導體器件。具有GOI結構的半導體器件應該是優(yōu)于具有SOI結構的半導體器件，尤其是在執(zhí)行速度方面。例如，USP6,501,135披露了一種具有GOI結構的半導體器件和制造GOI襯底的方法，USP6,501,135中所披露的制造方法將Si襯底鍵合于形成在Ge襯底上的絕緣膜，從而獲得GOI襯底。所述GOI襯底用于獲得使用具有500厚度的薄Ge膜作為活性層的半導體器件。
如USP6,501,135中所披露的，為了使用通過將Ge襯底與Si襯底鍵合在一起而形成的GOI襯底獲得使用薄Ge膜作為活性層的半導體器件，在形成所述半導體器件的步驟之前，需要通過拋光或蝕刻去除掉具有大約幾百μm厚度的大部分Ge襯底。在通過拋光等去除Ge襯底的過程中難于將薄Ge膜的厚度控制得較為均勻。因此，所要獲得的半導體器件不能充分地顯示出其作為具有GOI結構的器件的優(yōu)越性。難于在高產(chǎn)量下制造所述半導體器件，并且?guī)缀跞コ鼼e襯底的整個部分的程序增加了制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述背景作出了本發(fā)明，并且本發(fā)明的一個目的是提供一種制造GOI襯底的方法，所述方法充分顯示出作為具有GOI結構的半導體器件的優(yōu)越性并且可確保良好的經(jīng)濟性。
依照本發(fā)明，提供了一種制造襯底的方法，所述襯底具有絕緣層上的Ge層，其特征在于，所述方法包括以下步驟形成具有分離層和所述分離層上的Ge層的第一襯底、通過將所述第一襯底經(jīng)由絕緣層鍵合于第二襯底而形成鍵合襯底疊層、以及在所述分離層處分開鍵合襯底疊層。
從結合附圖所作出的描述中將明白本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點，其中在所述附圖中相似的附圖標記表示相同或相似的部件。


包含在說明書中并構成說明書一部分的附圖示出了本發(fā)明的實施例并且與其描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1是本發(fā)明一個優(yōu)選實施例所涉及的用于解釋襯底制造方法的視圖；圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例所涉及的用于解釋襯底制造方法的視圖；圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例所涉及的用于解釋襯底制造方法的視圖；圖4是本發(fā)明優(yōu)選實施例所涉及的用于解釋襯底制造方法的視圖；圖5是本發(fā)明優(yōu)選實施例所涉及的用于解釋襯底制造方法的視圖；圖6是本發(fā)明優(yōu)選實施例所涉及的用于解釋襯底制造方法的視圖；圖7是本發(fā)明優(yōu)選實施例所涉及的用于解釋襯底制造方法的視圖；
圖8是本發(fā)明優(yōu)選實施例所涉及的用于解釋襯底制造方法的視圖；以及圖9是本發(fā)明優(yōu)選實施例所涉及的用于解釋半導體器件的視圖。
具體實施模式下面將參照附圖描述本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。
圖1到圖8是本發(fā)明優(yōu)選實施例所涉及的用于解釋制造GOI襯底的方法的視圖。在圖1中所示的步驟中，制備半導體襯底11。在圖2中所示的步驟中，將分離層12形成在半導體襯底11的表面上。最好使用Si襯底和Ge襯底作為半導體襯底11。最好使用通過陽極化處理半導體襯底11的表面所形成的多孔層作為分離層12?？赏ㄟ^例如在包含氫氟酸(HF)的電解液中布置陽極和陰極、在電極之間布置半導體襯底以及在它們之間提供電流而執(zhí)行陽極化處理。所述多孔層可由具有不同多孔性的多個(即，兩個或多個)層構成。
在圖3中所示的步驟中，通過外延生長將Ge層13形成在分離層12上。用作分離層12的多孔層上的外延生長使得Ge層13具有均勻的厚度和良好的結晶度。如果Si襯底用作半導體襯底11的話，Si襯底11與Ge層13之間的多孔Si層12可緩和Si的點陣常數(shù)與Ge的點陣常數(shù)之間的失諧，從而獲得具有良好結晶度的Ge層13。另一方面，當Ge襯底用作半導體襯底11的話，不會出現(xiàn)點陣常數(shù)的失諧，并且可獲得具有更好結晶度的Ge層13。
取代圖2和圖3中所示的程序，例如，可使用在圖1中所示的階段中從半導體襯底11的表面在預定深度下注入離子(氫離子)以形成離子注入層作為分離層12的方法。在這種情況下，Ge襯底最好用作半導體襯底11，并且從分離層12處看到的表面?zhèn)壬系囊徊糠钟米鱃e層13。
在圖4中所示的步驟中，絕緣層14被形成在Ge層13上。以上述方式，形成了具有用作分離層12的離子注入層或多孔層上的Ge層13的第一襯底10?？墒褂枚趸?SiO2)作為絕緣層14。絕緣層14的其他優(yōu)選示例包括氮氧化硅(SiON)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鉭(Ta2O5)等的氧化膜。
在圖5中所示的步驟中，第二襯底20被鍵合于圖4中所示的第一襯底10的表面上以便于形成鍵合襯底疊層30。通常，Si襯底或通過在其表面上形成絕緣膜(諸如SiO2)層所獲得的襯底最好用作第二襯底20。另外，諸如玻璃襯底等任何其他襯底都可用作第二襯底20。
在圖6中所示的步驟中，鍵合襯底疊層30通過在分離層12處切割它而被分成為兩個襯底?？赏ㄟ^例如使用流體的方法執(zhí)行這種分開。最好使用形成流體(液體或氣體)射流并且將所述射流注入到分離層12的方法、使用流體的靜壓力的方法等作為所述方法。在射流注入方法中，使用水作為流體的方法被稱作水注方法。也可通過對鍵合襯底疊層30退火而執(zhí)行所述分開。當離子注入層被形成為分離層12時通過退火的所述分開尤為有效?；蛘?，通過將固體部件(諸如楔)插入到分離層12中可執(zhí)行所述分開。
在圖7中所示的步驟中，使用蝕刻劑等去除遺留在第二襯底20的Ge層13上的分離層12b。此時，Ge層13最好用作蝕刻停止層。然后，當需要使得Ge層13平面化時可執(zhí)行諸如氫氣退火步驟、拋光步驟等平面化步驟。
在上述操作的情況下，獲得了圖8中所示的半導體襯底40。圖8中所示的半導體襯底40在其表面上具有薄Ge層13和剛好位于Ge層13之下的絕緣層14。術語“薄Ge層”是指比通常的半導體襯底薄的層。為了顯示出作為半導體器件的優(yōu)越性，Ge層13的厚度最好落在5nm到2μm的范圍內(nèi)。取決于半導體器件的規(guī)格，可在Ge層13上形成砷化鎵(GaAs)層。由于Ge的點陣常數(shù)與GaAs的點陣常數(shù)之間的失諧較小，可獲得具有良好結晶度的GaAs層。
在圖6中所示的步驟中將鍵合襯底疊層30分開之后，使用蝕刻劑等去除遺留在第一襯底10中的分離層12a。然后，可執(zhí)行氫氣退火步驟、拋光步驟等步驟以使得第一襯底10平面化。平面化的襯底可被重新用作圖1中所示的步驟中將使用的半導體襯底11。半導體襯底11的重復使用可大大減小GOI襯底的制造成本。
如上面已經(jīng)描述的，本發(fā)明所涉及的制造方法可獲得GOI襯底，所述GOI襯底包括具有均勻厚度和良好結晶度的薄Ge膜。另外，本發(fā)明所涉及的制造方法可大大減小GOI襯底的制造成本。
下面將描述本發(fā)明的優(yōu)選示例。
(示例1)制備具有0.01Ω·cm電阻系數(shù)的第一P-型Si襯底11。然后在陽極電解液中陽極化第一Si襯底11以便于形成用作分離層12的多孔Si層。陽極化條件如下所述的。
電流密度7(mA/cm2)陽極電解液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1時間11(分鐘)多孔硅的厚度12(μm)電流密度和陽極電解液的各個成分的濃度可依照將要形成的分離層(多孔Si層)12的厚度、結構等適當?shù)馗淖儭ｋ娏髅芏茸詈寐湓?.5到700mA/cm2的范圍內(nèi)，并且陽極電解液的成分的濃度之間的比例最好落在1∶10∶10到1∶0∶0的范圍內(nèi)。
由于高質(zhì)量外延Ge層被形成在其上因此多孔Si層是有用的，并且多孔Si層用作分離層。多孔Si層的厚度不局限于上述示例中所列舉的。只要厚度落在例如0.1μm到幾百μm的范圍內(nèi)就可獲得較好的結果。
陽極電解液只需要包含HF而不需包含乙醇。然而，乙醇可用于從襯底的表面上去除任何氣泡并且最好被加入到陽極電解液中。具有去除氣泡的功能的化學藥劑的示例除乙醇以外還包括例如諸如甲醇和異丙醇等酒精、表面活性劑等。取代加入這些化學藥劑，可通過超聲波等的振動從襯底表面上消除氣泡。
陽極化襯底在氧氣環(huán)境中在400℃下被氧化1小時。在該氧化步驟中，多孔Si層的小孔的內(nèi)壁被熱氧化膜覆蓋。具有0.3μm厚度的Ge層13通過化學氣相沉積(CVD)被外延生長在多孔Si層上。生長條件如下所述的。
源氣體GeH4/H2氣體流速0.5/180L/分鐘氣體壓力80托溫度600℃生長速度0.3μm/分鐘應該注意的是，這些生長條件可依照Ge層13的要求的規(guī)格適當?shù)馗淖儭?br> 然后，通過在室溫下在超高真空中濺射而在外延Ge層13的表面上將Zr沉積到200nm的厚度。第一Si襯底11在相同腔室的原地中通過臭氧被氧化以形成ZrO2層14。
第一襯底10的表面和第二襯底20的表面被結合在一起并且相互接觸。使得第一襯底10和第二襯底20在800℃下經(jīng)受退火5分鐘，從而增加結合強度。通過這種操作，獲得了鍵合襯底疊層30。
沿平行于鍵合襯底疊層30的結合界面的方向在50Mpa的高壓下從噴水設備的0.1mm噴嘴中朝向鍵合襯底疊層30的圓周的凹入部分(通過這兩個襯底10和20的有斜面部分所形成的凹入部分)注射入純水。通過這種操作，鍵合襯底疊層40在分離層12處被切割并且被分成為兩個襯底。所述純水的壓力最好落在例如幾Mpa到100Mpa的范圍內(nèi)。
在該分開步驟中，可執(zhí)行以下操作的任意一個。
(1)噴嘴執(zhí)行掃描以使得從噴嘴中注射的純水射流沿有斜面部分所形成的凹入部分移動。
(2)鍵合襯底疊層30被晶片固定器固定并且在其軸線上轉(zhuǎn)動以便于將純水噴射到鍵合襯底疊層30的圓周周圍的有斜面部分所形成的凹入部分中。
(3)組合執(zhí)行操作(1)和(2)。
因此，最初形成在第一襯底10側部上的ZrO2層14、外延Ge層13、以及多孔Si層12的一部分12b被轉(zhuǎn)移到第二襯底20側部上。只有多孔Si層12a被遺留在第一襯底10的表面上。
取代通過注水方法分開(分離)鍵合襯底疊層，可使用氣體的射流或可將固體楔插入到鍵合襯底疊層的分離層中?；蛘?，諸如張力、剪切力等機械力可被施加于鍵合襯底疊層或者超聲波可被施加于鍵合襯底疊層。另外，也可使用任何其他方法。
使用蝕刻劑選擇性地蝕刻被轉(zhuǎn)移到第二襯底20的最上層表面的多孔Si層12b，在所述蝕刻劑中混合有至少49％的氫氟酸(HF)溶液、30％過氧化氫(H2O2)溶液、以及水(H2O)。Ge層13被遺留下來未蝕刻而多孔Si層12b被選擇性地蝕刻并且完全去除。如果在轉(zhuǎn)動襯底并且使用與使得蝕刻劑循環(huán)的循環(huán)器相組合的設備開始/停止產(chǎn)生超聲波的同時執(zhí)行選擇性的蝕刻的話，可抑制每個襯底的表面上以及襯底之間的不均勻蝕刻。另外，如果酒精或表面活性劑與蝕刻劑相混合的話，可抑制表面上的反應氣泡所導致的蝕刻中的不均勻性。
具有蝕刻劑的Ge層的蝕刻速度極低，并且與多孔層的蝕刻速度的選擇性比率達到105或更高。Ge層中的蝕刻量實際上可被忽略。
通過上述步驟，獲得了具有ZrO2層14上的0.3μm厚度的Ge層13的半導體襯底。盡管多孔Si層被選擇性地蝕刻，但是在Ge層13中不會出現(xiàn)改變。當在表面上的100個點處測量所形成的Ge層13的膜厚度時，膜厚度的均勻性為301nm+4nm。
使用透射電子顯微鏡觀察橫截面示出了Ge層13保持良好的結晶度。
而且，在氫氣氛中在600℃下使得所述襯底經(jīng)歷1小時退火，并且使用原子力顯微鏡評價Ge的表面粗糙度。50-μm-正方形區(qū)域中的均方粗糙度大約為0.2nm，這相當于市場上可買到的Si晶片的均方粗糙度。
取代氫氣退火，可通過諸如CMP的拋光對表面進行平面化。
如果作為結合(鍵合)步驟的預加工對于所要鍵合的第一和第二表面的相應表面中的至少一個執(zhí)行等離子加工的話，甚至通過在低溫下退火都可增加鍵合強度。另外，最好用水清洗已經(jīng)歷等離子加工的襯底。
在分開步驟中，可沿其平面方向布置多個鍵合襯底疊層，并且注水設備的噴嘴可沿平面方向執(zhí)行掃描，從而連續(xù)地分開多個鍵合襯底疊層。
或者，可沿垂直于每個平面的方向布置多個鍵合襯底疊層，并且可提供具有X-Y掃描功能的注水設備的噴嘴。然后，水射流可相繼朝向鍵合襯底疊層的多個鍵合部分被注射，并且鍵合襯底疊層可被自動地分開。
在分開步驟之后，遺留在第一襯底10上的多孔Si層12a被去除，并且第一襯底10經(jīng)歷平面化。第一襯底的形成步驟中的平面化襯底的再使用可減小GOI襯底的制造成本。重復的再使用可大大減小GOI襯底的制造成本。
(示例2)該示例是示例1的改進示例并且除了陽極化的條件以外與示例1相同。
在該示例中，在以下陽極化條件的任意一個下制備Si襯底11并且在包含HF的電解液中使其陽極化。
(第一陽極化條件)(第一步驟)電流密度8(mA/cm2)陽極電解液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1時間11(分鐘)多孔硅的厚度13(μm)(第二步驟)電流密度22(mA/cm2)陽極電解液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1時間2(分鐘)多孔硅的厚度3(μm)或者(第二陽極化條件)(第一步驟)
電流密度8(mA/cm2)陽極電解液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1時間5(分鐘)多孔硅的厚度6(μm)(第二步驟)電流密度33(mA/cm2)陽極電解液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1時間1.3(分鐘)多孔硅的厚度3(μm)在陽極化第一步驟處將被形成的第一多孔Si層用于在其上形成高質(zhì)量的外延Ge層。在陽極化第二步驟處在第一多孔Si層下面將被形成的第二多孔Si層用作分離層。
(示例3)具有圖9中所示的結構的FET被形成在通過示例1和2中所述的每個方法所制造的半導體襯底上。由氧化鋯(ZrO2)制成的柵絕緣膜41、多孔硅制成的柵電極42、溝道區(qū)域43、以及源/漏區(qū)域44被形成在具有GOI結構的半導體襯底40中，所述GOI結構具有由氧化鋯(ZrO2)制成的絕緣層14上的Ge層13。除氧化鋯(ZrO2)之外，最好可使用例如氧化鋁(Al2O3)、二氧化鉿(HfO2)、氧化鉭(Ta2O5)等的氧化膜作為柵絕緣膜41。在該示例中，F(xiàn)ET被形成在通過示例1和2中所述的每個方法所制造的半導體襯底上。然而，本發(fā)明不局限于此，并且也可形成諸如晶體管、二極管、LSI等其他半導體器件。
(其他示例)諸如CVD、MBE、濺射、液相生長等各種膜形成技術可適用于用于形成Ge層的外延生長步驟。
另外，除以上所述的49％的氫氟酸(HF)溶液、30％過氧化氫(H2O2)溶液以及水(H2O)的混合物以外，各種其他蝕刻劑(例如，氫氟酸溶液、硝酸溶液和乙酸溶液的混合物)可被施加于選擇性地蝕刻分離層(多孔層、離子注入層等)的步驟。
在不脫離本發(fā)明的精神和保護范圍的前提下可作出本發(fā)明的多個明顯不同實施例，應該理解的是，除所附權利要求中所限定的以外，本發(fā)明不局限于其具體實施例。
權利要求
1.一種制造襯底的方法，所述襯底具有絕緣層上的Ge層，所述方法包括以下步驟形成具有分離層和所述分離層上的Ge層的第一襯底；通過將所述第一襯底經(jīng)由絕緣層鍵合于第二襯底而形成鍵合襯底疊層；以及在所述分離層處分開鍵合襯底疊層。
2.依照權利要求1中所述的方法，其特征在于，所述絕緣層被形成在Ge層上。
3.依照權利要求1中所述的方法，其特征在于，所述絕緣層被形成在第二襯底上。
4.依照權利要求1中所述的方法，其特征在于，所述分離層是通過陽極化使得所述半導體襯底具有多孔性而被形成在第二襯底上。
5.依照權利要求1中所述的方法，其特征在于，所述分離層通過在半導體襯底中注入離子而被形成。
6.依照權利要求4中所述的方法，其特征在于，所述半導體襯底包含硅和鍺中的一種。
7.依照權利要求1中所述的方法，其特征在于，所述Ge層通過外延生長被形成。
8.依照權利要求1中所述的方法，其特征在于，所述絕緣層包括氧化膜。
9.依照權利要求1中所述的方法，其特征在于，所述絕緣層包含二氧化硅(SiO2)。
10.依照權利要求1中所述的方法，其特征在于，所述絕緣層包含氮氧化硅(SiON)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鉭(Ta2O5)中的至少一種。
11.依照權利要求1中所述的方法，其特征在于，所述分開步驟包括通過流體的射流或靜壓力分開所述分離層的步驟。
12.依照權利要求1中所述的方法，其特征在于，所述分開步驟包括通過使得鍵合襯底疊層退火而分開所述分離層的步驟。
13.依照權利要求1中所述的方法，其特征在于，所述分開步驟包括通過將部件插入到所述分離層中而分開所述分離層的步驟。
14.依照權利要求1中所述的方法，還包括在分開步驟之后去除遺留在第二襯底上的Ge層上的分離層的一部分的步驟。
15.依照權利要求1中所述的方法，還包括在分開步驟之后使得Ge層的表面平面化的步驟。
16.依照權利要求1中所述的方法，還包括在分開步驟之后去除遺留在第一襯底上的分離層的一部分的步驟。
17.依照權利要求1中所述的方法，還包括在分開步驟之后使得第一襯底的表面平面化以及在形成第一襯底的步驟中再使用該平面化的第一襯底的步驟。
18.一種襯底，所述襯底通過權利要求1中所限定的制造襯底的方法制造。
19.一種半導體器件，所述半導體器件利用通過權利要求1中所限定的制造襯底的方法制造的襯底而被制造。
全文摘要
執(zhí)行形成具有分離層和所述分離層上的Ge層的第一襯底的步驟、通過將所述第一襯底經(jīng)由絕緣層鍵合于第二襯底而形成鍵合襯底疊層的步驟、以及在所述分離層處分開鍵合襯底疊層的步驟，從而獲得具有GOI結構的襯底。
文檔編號H01L27/12GK1698206SQ20048000069
公開日2005年11月16日 申請日期2004年4月28日 優(yōu)先權日2003年5月6日
發(fā)明者米原隆夫 申請人:佳能株式會社