專利名稱：絕緣體上硅鍺(sgoi)和絕緣體上鍺(goi)襯底的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到半導(dǎo)體襯底材料，更確切地說(shuō)是涉及到絕緣體上鍺(GOI)襯底材料和制作GOI襯底材料的方法以及絕緣體上硅鍺(SGOI)襯底材料。本發(fā)明還涉及到至少包含本發(fā)明的GOI襯底材料的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體工業(yè)中，眾所周知鍺(Ge)的電子和空穴載流子遷移率都比硅(Si)的更高。盡管具有較高的載流子遷移率，但由于氧化鍺的質(zhì)量通常很差，故鍺襯底目前還未被用來(lái)制作金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
硅技術(shù)的進(jìn)展已經(jīng)導(dǎo)致了引入高k介質(zhì)(介電常數(shù)大于二氧化硅)作為MOSFET的柵絕緣體。這些高k介質(zhì)還有望用于鍺，從而清除實(shí)現(xiàn)鍺基FET的障礙。除了具有高的電子和空穴遷移率之外，鍺還具有其它一些優(yōu)點(diǎn)，如接觸電阻和摻雜劑激活溫度比硅所要求的更低，從而便于形成淺結(jié)。
用絕緣體上鍺(GOI)襯底也能夠得到用絕緣體上硅(SOI)襯底所得到的較高的器件性能。此外，由于目前的制造實(shí)驗(yàn)室配備有為處置硅襯底而設(shè)計(jì)的裝備，故希望GOI疊層被形成在硅晶片上。
鍺還可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如1.3微米和1.55微米之類的常用波長(zhǎng)的快速光電探測(cè)器。在GOI襯底上實(shí)現(xiàn)的鍺光電二極管能夠被設(shè)計(jì)成在給定波長(zhǎng)下具有較低的寄生現(xiàn)象和較高的量子效率。在這種結(jié)構(gòu)中，有可能用能夠進(jìn)一步在響應(yīng)上提高光電探測(cè)器的絕緣布拉格反射鏡來(lái)取代絕緣體。由于硅在這些波長(zhǎng)下是透明的，故可能實(shí)現(xiàn)對(duì)具有鍺二極管的硅晶片的背面光照。
氧化鍺很差的質(zhì)量使得由于鍺與二氧化硅之間的粘合性很差而難以用直接的鍵合方法將鍺鍵合到二氧化硅。對(duì)氧化鍺考慮的另一限制因素是鍺的熔點(diǎn)比較低(大約937℃)，這強(qiáng)迫人們采用低的鍵合溫度(約為650℃或以下)。氧化鍺的另一問(wèn)題是氧化鍺可溶于水，因此，在水溶劑中進(jìn)行清洗的過(guò)程中，氧化鍺能夠被清除。
制作GOI襯底的一個(gè)可能的方法是采用Colinge，J-P，Silicon-on-Insulator Technology，2ndEd，Kluwer Academic Publishers，1997所述的SMARTCUT(智能切割)技術(shù)。在此SMARTCUT技術(shù)中，薄的鍺層從鍺晶片(亦即施主晶片)被轉(zhuǎn)移到處置晶片上。此鍺晶片典型地包括形成在其中的氫注入?yún)^(qū)。此鍺晶片被鍵合到處置晶片，并執(zhí)行退火步驟，以便增強(qiáng)初始鍵合，并在氫注入的深度處發(fā)生起泡。結(jié)果，鍺層就從鍺晶片分離，并成為鍵合到處置晶片的鍺層。施主鍺晶片在鍵合之后并不損失，可以作為GOI襯底材料源而被多次用于以后的鍵合。
盡管在制作GOI襯底材料時(shí)能夠采用SMARTCUT方法，但上述氧化鍺的問(wèn)題仍然存在。因此，有必要提供一種減少或避免形成氧化鍺的新的改進(jìn)了的方法來(lái)制作絕緣體上鍺襯底材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種制作GOI襯底材料的方法、用此方法生產(chǎn)的GOI襯底材料、以及能夠至少包括本發(fā)明的GOI襯底材料的各種結(jié)構(gòu)。
要指出的是，術(shù)語(yǔ)“GOI襯底材料”被用于本發(fā)明來(lái)表示一種結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)至少包括半導(dǎo)電或非半導(dǎo)電襯底、位于襯底頂部的埋置絕緣層、以及位于埋置絕緣層頂部的優(yōu)選為純鍺的含鍺層。在本發(fā)明的GOI襯底材料中，含鍺層也可以被稱為GOI膜。此GOI膜是本發(fā)明襯底材料的層，其中可以制作器件。
具體地說(shuō)，在本發(fā)明的第一情況下，描述了單晶GOI襯底材料的制作方法。本發(fā)明的方法包括使用含鍺層與埋置絕緣層之間的中間粘合層。此中間粘合層的存在改善了含鍺層與下方埋置絕緣層的鍵合強(qiáng)度。沒(méi)有這一中間粘合層，則含鍺層與埋置絕緣層之間的鍵合通常很差。若含鍺層被鍵合到二氧化硅，則情況更是如此。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，還可以在本發(fā)明中采用表面糙化來(lái)提高含鍺層與埋置絕緣層之間的鍵合能。此方法使得能夠直接將含鍺層鍵合到埋置絕緣層。此表面糙化方法可以被用于存在或不存在中間粘合層的情況。
在本發(fā)明的第二情況下，提供了一種GOI結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的GOI結(jié)構(gòu)包括由中間粘合層鍵合到埋置絕緣層的含鍺層。因此，本發(fā)明的GOI結(jié)構(gòu)包括埋置絕緣層、位于埋置絕緣層上表面上的中間粘合層、以及位于粘合層上表面上的含鍺層。埋置絕緣層被置于半導(dǎo)電或非半導(dǎo)電襯底的上表面上。
在本發(fā)明的第三情況下，提供了一種GOI結(jié)構(gòu)，其中，含鍺層與埋置絕緣層處于直接接觸。在本發(fā)明的這一情況下，為了提高含鍺層與埋置絕緣層之間的鍵合能，要鍵合到埋置絕緣層的施主鍺晶片的含鍺表面在與埋置絕緣層鍵合之前被糙化。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，中間粘合層可以被置于糙化的含鍺表面與埋置絕緣層之間。
在本發(fā)明的第四情況下，公開(kāi)了一種組合有埋置的布拉格反射鏡的GOI結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的這一結(jié)構(gòu)能夠被用作制造諸如p-i-n光電二極管之類的含鍺光電探測(cè)器的中間結(jié)構(gòu)。當(dāng)從頂部照射含鍺光電二極管時(shí)，吸收的光子被轉(zhuǎn)換成光電流。在第一次通過(guò)探測(cè)器中未被吸收的光子，從埋置布拉格反射鏡反射回來(lái)，并第二次通過(guò)含鍺光電二極管。因而增大了含鍺光電二極管的有效吸收厚度。用于本發(fā)明GOI結(jié)構(gòu)的布拉格反射鏡包含至少二對(duì)(或多對(duì))交替的介質(zhì)膜，各個(gè)交替的成對(duì)介質(zhì)膜具有不同的折射率。此布拉格反射鏡還可以用作此GOI結(jié)構(gòu)中的電絕緣體。
在本發(fā)明的第五情況下，提供了一種組合有埋置漫射反射鏡的GOI結(jié)構(gòu)。在這種GOI結(jié)構(gòu)中，漫射反射鏡被置于二個(gè)絕緣層之間。此漫射反射鏡降低了作為布拉格反射鏡一個(gè)特性的波長(zhǎng)依賴性(Etalon效應(yīng))。
在本發(fā)明的第六情況下，提供了一種晶片，此晶片具有單片絕緣體上鍺光電探測(cè)器和單片含硅電路。含鍺光電探測(cè)器與諸如放大器之類的電路的單片集成，消除了封裝問(wèn)題，從而能夠借助于形成探測(cè)器陣列而實(shí)現(xiàn)多個(gè)并行光通信通道。
在本發(fā)明的第七情況下，提供了一種絕緣體上硅鍺結(jié)構(gòu)及其熱混合形成方法。在這一工藝中，含鍺層被首先形成在位于抗鍺擴(kuò)散的阻擋層頂部上的硅層的頂部上。然后在允許鍺在整個(gè)硅層中互擴(kuò)散的溫度下執(zhí)行加熱步驟，從而含鍺層在阻擋層頂部上形成基本上弛豫的單晶硅鍺層，單晶層由含鍺層以及硅層的均勻混合物組成。


圖1是剖面圖，示出了本發(fā)明的絕緣體上鍺(GOI)晶片，其中，中間粘合層被用來(lái)得到含鍺層與埋置絕緣膜之間的強(qiáng)鍵合。
圖2是剖面圖，示出了本發(fā)明的絕緣體上鍺(GOI)晶片，其中，含鍺層的表面被糙化，以便提高含鍺層與埋置絕緣層之間的鍵合能。
圖3是剖面圖，示出了本發(fā)明的絕緣體上鍺(GOI)晶片，其中，同時(shí)采用了表面糙化和中間粘合層。
圖4是剖面圖，示出了本發(fā)明的絕緣體上鍺(GOI)晶片，其中，布拉格反射鏡被置于含鍺層下面。在圖中，布拉格反射鏡包括多組具有不同折射率的二個(gè)交替介質(zhì)材料。
圖5是剖面圖，示出了本發(fā)明的絕緣體上鍺(GOI)晶片，其中，漫射反射鏡被置于絕緣體上鍺膜下方；漫射反射鏡被置于二個(gè)絕緣膜之間。
圖6是剖面圖，示出了與含硅電路單片集成的本發(fā)明的絕緣體上鍺光電探測(cè)器。
圖7是剖面圖，示出了本發(fā)明的絕緣體上鍺(GOI)晶片，其中，非晶硅層被置于含鍺層下面。
圖8是剖面圖，示出了本發(fā)明的絕緣體上鍺(GOI)晶片，其中，多晶硅層被置于含鍺層下面。
圖9是剖面圖，示出了用熱混合方法形成的本發(fā)明的絕緣體上硅鍺(SGOI)晶片。
圖10-17是剖面圖，示出了用來(lái)形成圖3所示絕緣體上鍺晶片的基本工藝步驟。
圖18是用本發(fā)明方法形成的鍵合絕緣體上鍺晶片的三軸x射線衍射圖；w是入射束與樣品表面的夾角，而2qB是探測(cè)器(衍射束)與入射束的夾角，亦即布拉格角qB的二倍。
具體實(shí)施例方式
下面參照結(jié)合本發(fā)明附圖的下列討論來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明，本發(fā)明提供了絕緣體上鍺(GOI)襯底材料的制作方法、GOI襯底材料本身、以及包括此GOI襯底材料的各種結(jié)構(gòu)。在各附圖中，相似和/或?qū)?yīng)的元件用相似的參考數(shù)字來(lái)表示。
要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明的附圖未按比例繪制。例如，圖中所示糙化的表面為了說(shuō)明的目的而被夸大了。實(shí)際上，糙化的表面可能是細(xì)微的，可能是用肉眼無(wú)法看到的。
首先參照?qǐng)D1，示出了本發(fā)明的一種可能的絕緣體上鍺(GOI)襯底材料10。具體地說(shuō)，此GOI襯底材料10包含襯底12、位于襯底12的上表面上的埋置絕緣層14、位于埋置絕緣層14的上表面上的中間粘合層16、以及位于中間粘合層16的上表面上的含鍺層18。
在某些實(shí)施方案中，襯底12包含任何半導(dǎo)電材料，例如包括Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge、GaAs、InAs、InP、以及其它III/V或II/VI化合物半導(dǎo)體。襯底12優(yōu)選是含硅的襯底。術(shù)語(yǔ)“含硅的襯底”在整個(gè)本發(fā)明中被用來(lái)表示至少包括硅的半導(dǎo)體材料。所示例子包括但不局限于Si、SiGe、SiC、SiGeC、Si/Si、Si/SiC、Si/SiGeC、以及可以包括其中存在的任何數(shù)目埋置氧化物(連續(xù)的、不連續(xù)的、或連續(xù)與不連續(xù)的混合物)區(qū)的預(yù)先形成的絕緣體上硅。
襯底12可以組合有應(yīng)變層和非應(yīng)變層的組合。襯底12可以是任何晶向的，例如包括(110)、(111)、或(100)晶向。
在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，襯底12是非半導(dǎo)電材料。在這種情況下，襯底12可以由硅、玻璃、藍(lán)寶石之類的非半導(dǎo)電襯底。
用于本發(fā)明的襯底12的厚度可以依賴于GOI襯底材料的最終用途而變化。通常，襯底12的厚度大于埋置絕緣層14或含鍺層18的厚度。例如，GOI襯底材料10的襯底12的厚度約為100-2000微米，對(duì)于200mm直徑的晶片，更典型的厚度約為500-900微米。
用于本發(fā)明的埋置絕緣層14包括但不局限于結(jié)晶或非結(jié)晶的氧化物和/或氮化物。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，埋置絕緣層14是強(qiáng)烈阻擋鍺擴(kuò)散的阻擋層。在本發(fā)明的其它實(shí)施方案中，埋置絕緣層14是二氧化硅。
用于本發(fā)明的埋置絕緣層14的厚度可以依賴于用來(lái)形成此層的工藝類型以及所用絕緣體的類型而變化。GOI襯底材料10的埋置絕緣層14的典型厚度約為1-1000nm，以約為50-200nm的厚度更為典型。
中間粘合層16被用于本發(fā)明的某些實(shí)施方案，以便在含鍺層18與埋置絕緣層14之間得到強(qiáng)的鍵合。用于本發(fā)明的中間粘合層16包括與含鍺層和埋置絕緣層二者兼容并在此二層之間形成強(qiáng)鍵合的任何材料。能夠用作中間粘合層16的這種材料的說(shuō)明性例子包括但不局限于諸如單晶硅、多晶硅、非晶硅(a:Si)、外延硅(epi-Si)、SiC之類的硅材料、以及包括其多層的組合。應(yīng)該指出的是，當(dāng)非晶硅被采用時(shí)，下面描述的退火步驟將把大部分非晶硅層轉(zhuǎn)變成多晶硅層。
中間粘合層16可以具有可變的厚度，只要中間粘合層16能夠在上面含鍺層18與下面埋置絕緣層14之間形成鍵合即可。中間粘合層16的典型厚度約為0.5-500nm，以約為1-10nm的厚度更為典型。
在其中二氧化硅被用作埋置絕緣層14的實(shí)施方案中，中間粘合層16典型地是薄的硅膜。在這種情況下，硅與一個(gè)表面上的埋置二氧化硅絕緣體14形成強(qiáng)鍵合，并與另一表面上的含鍺層18形成強(qiáng)鍵合。
中間粘合層16的使用解決了形成GOI中的二個(gè)主要問(wèn)題(1)鍺形成質(zhì)量很差且溶于水的氧化物以及(2)鍺的低熔點(diǎn)強(qiáng)迫使用低溫鍵合。例如，當(dāng)硅膜被用作中間粘合層16且當(dāng)二氧化硅被用作埋置絕緣層14時(shí)，鍵合發(fā)生在硅表面與二氧化硅表面之間。能夠在低溫(低于600℃)下可靠地完成硅-二氧化硅鍵合。
而且，由于中間粘合層16與含鍺層18緊密接觸，故沒(méi)有氧化鍺存在于此結(jié)構(gòu)中。這消除了此結(jié)構(gòu)稍后被圖形化以形成器件時(shí)的任何加工問(wèn)題。此外，利用其中要求薄的GOI膜的GOI MOSFET，氧化鍺的消除防止了界面態(tài)和電荷出現(xiàn)在鍺/絕緣體界面處。這種電荷在器件附近的存在可能導(dǎo)致GOI MOSFET中不希望有的閾值電壓(Vt)偏移。
GOI襯底材料10的含鍺層18包括與絕緣材料不形成強(qiáng)鍵合的任何鍺材料。于是，含鍺層18可以是硅鍺合金層或純鍺層。術(shù)語(yǔ)“硅鍺合金層”包括含有直至大約99.99原子百分比鍺的硅鍺合金，而純鍺包括含有100％原子百分比鍺的層。但硅鍺合金和純鍺都可以包含雜質(zhì)亦即摻雜劑，以便控制膜的導(dǎo)電類型或形成諸如p-n結(jié)之類的電子結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，含鍺層18包括純鍺。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案中，含鍺層18是硅鍺合金，其中的鍺含量約為10％或以上。
用于本發(fā)明的含鍺層18的厚度可以依賴于形成此層所用的工藝類型以及所用鍺材料類型而變化。對(duì)于MOSFET制造，GOI襯底材料10的含鍺層18的典型厚度約為3-100nm，以約為5-30nm的厚度更為典型。對(duì)于鍺光電探測(cè)器應(yīng)用，含鍺層18的典型厚度約為100-2000nm。在鍺光電探測(cè)器的實(shí)施方案中，膜厚度主要決定于光在鍺中的吸收長(zhǎng)度。例如，波長(zhǎng)為1300nm和850nm的光在鍺中的吸收長(zhǎng)度分別是1340nm和298nm。
圖1所示各個(gè)層的組分構(gòu)成以及其它物理特性也適用于其余的附圖。
在圖2所示的結(jié)構(gòu)中，表面糙化15被用來(lái)提高埋置絕緣層14與含鍺層18之間的鍵合能。表面糙化發(fā)生在微細(xì)尺寸上，因此，若不借助于諸如原子力顯微鏡(AFM)之類的顯微鏡，是無(wú)法看到的。例如借助于用氬(Ar)離子對(duì)鍺施主晶片進(jìn)行濺射，能夠得到表面糙化。此濺射將從鍺施主晶片的表面清除天然的氧化鍺，并使表面糙化。以下將更詳細(xì)地提供表面糙化的工藝細(xì)節(jié)。
在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，可以如圖3所示絕緣體上鍺(GOI)襯底材料10所示那樣同時(shí)采用中間粘合層16和糙化表面15。
要指出的是，圖1-3示出了本發(fā)明的基本GOI襯底材料。各襯底材料的共同點(diǎn)在于含鍺層18被置于埋置絕緣層14的頂部上。由于存在中間粘合層16、表面糙化15、或二者，故含鍺層18與埋置絕緣體之間的鍵合得到了改善。圖4-6示出了其中能夠采用本發(fā)明的GOI襯底材料10的各種器件應(yīng)用。用本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員眾所周知的技術(shù)來(lái)制作這些器件。
具體地說(shuō)，圖4示出了一種包含絕緣體上鍺(GOI)的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)能夠被用來(lái)制作具有埋置布拉格反射鏡22的鍺光電探測(cè)器。此含有GOI的結(jié)構(gòu)包含襯底12、埋置的布拉格反射鏡22、以及含鍺層18。被用來(lái)代替上面圖1-3所述的埋置絕緣層14的布拉格反射鏡22，包含分別具有不同折射率n1和n2的交替的成對(duì)介質(zhì)膜24和26。此布拉格反射鏡也可以包括包含交替介質(zhì)層之一的半對(duì)。例如，具有1.5對(duì)的布拉格反射鏡是可能的；這種布拉格反射鏡由一對(duì)介質(zhì)膜加上一個(gè)額外的介質(zhì)膜(類似于形成下一對(duì)的第一層的介質(zhì)膜)組成。圖中示出了具有2.5對(duì)的布拉格反射鏡。
也可以稱為埋置絕緣層的介質(zhì)膜24和26，可以包含任何介質(zhì)材料，例如包括氧化物、氮化物、和/或氮氧化物。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，介質(zhì)膜24和26包含由二氧化硅和四氮化三硅組成的疊層。要指出的是，雖然附圖示出了二對(duì)交替的介質(zhì)層(加上其它對(duì)的一半)，但本發(fā)明設(shè)想了其中采用多組交替的成對(duì)介質(zhì)的GOI結(jié)構(gòu)。形成的介質(zhì)對(duì)的數(shù)目將影響反射鏡的反射率。反射鏡中建立的對(duì)數(shù)越多，反射鏡的反射率就越高。作為一個(gè)例子，具有3.5對(duì)二氧化硅/多晶硅的反射鏡將典型地反射90％以上的感興趣波長(zhǎng)的光。
圖5示出了絕緣體上鍺(GOI)，包含能夠被用來(lái)制作具有埋置漫射反射鏡的鍺光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)。此含有結(jié)構(gòu)的GOI包含襯底12、位于分別為頂部與底部絕緣膜14t與14b之間的埋置的漫射反射鏡28、以及含鍺層18。為了得到光的漫反射，對(duì)反射鏡28形成波紋。此埋置的漫射反射鏡可以由諸如鎢或鉑之類的金屬組成。
圖6示出了一種包括本發(fā)明GOI襯底材料的單片集成芯片。此芯片包含含硅例如硅或硅鍺的電路30；絕緣膜例如埋置絕緣體或反射鏡疊層32；以及GOI光電探測(cè)器34。與混合集成相比，借助于單片集成光電探測(cè)器與含硅電路，能夠減小寄生電感和電容。此外，容易用常規(guī)的硅/鍺工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)密集的探測(cè)器陣列的制造。
圖7和8示出了能夠用熱混合方法轉(zhuǎn)變成絕緣體上硅鍺芯片(見(jiàn)圖9)的絕緣體上鍺(GOI)襯底材料10的二個(gè)例子。具體地說(shuō)，圖7示出了一種GOI襯底材料10，它包括襯底12、位于襯底12的上表面上的埋置絕緣層14、位于埋置絕緣層14的上表面上的由非晶硅組成的中間粘合層16、以及位于中間粘合層16的上表面上的含鍺層18。雖然未示出，但可以存在表面糙化。
圖8示出了一種GOI襯底材料10，它包括襯底12、位于襯底12的上表面上的埋置絕緣層14、位于埋置絕緣層14的上表面上的由多晶硅組成的中間粘合層16、以及位于中間粘合層16的上表面上的含鍺層18。雖然未示出，但可以存在表面糙化。
利用熱混合方法，這些晶片能夠被轉(zhuǎn)換成絕緣體上硅鍺(SGOI)晶片或絕緣體上鍺(GOI)晶片而沒(méi)有任何硅層遺留在界面處。為了將硅粘合層轉(zhuǎn)換成富鍺SGOI(圖9)，GOI結(jié)構(gòu)(圖7-8)在惰性氣氛中被退火。為了得到無(wú)硅的GOI結(jié)構(gòu)，各個(gè)晶片(圖7和8)在含氧的惰性氣氛中被退火。在后一種情況下，硅膜將被氧化，在氧化物(絕緣體)上留下純鍺層。熱混合所要求的退火溫度接近于系統(tǒng)的熔點(diǎn)，且決定于硅和鍺元素的比率。
在圖9中，參考數(shù)字12表示襯底，參考數(shù)字14表示埋置絕緣層，而參考數(shù)字25是基本上弛豫的硅鍺合金層。
在熱混合工藝中，在允許鍺在整個(gè)硅粘合層中互擴(kuò)散的溫度下執(zhí)行加熱步驟，含鍺層因而在埋置絕緣層頂部形成基本上弛豫的單晶硅鍺層。要指出的是，此基本上弛豫的單晶層由含鍺層18以及硅層16的均勻混合物組成。
例如，在2002年1月23日提交的題為“Method of CreatingHigh-Quality Relaxed SiGe-on-Insulator for Strained Si CMOSApplications”的共同未決和共同受讓的美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/055138、2002年1月4日提交的題為“Method For Fabrication of Relaxed SiGeBuffer Layers on Silicon-on-Insulators and Structures Containing theSame”的共同未決和共同受讓的美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/037611；2003年5月30日提交的題為“High Quality SGOI by Annealing Near the AlloyMelting Point”的美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/448948；以及2003年5月30日提交的題為“SiGe Lattice Engineering Using a Combination ofOxidation，Thinning and Epitaxial Regrowth”的共同未決和共同受讓的美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/448954中，可以找到能夠被用于本發(fā)明來(lái)引起熱混合的熱混合工藝以及條件的完整討論。描述熱混合方法以及能夠被用來(lái)實(shí)現(xiàn)熱混合的條件的上述各參考文獻(xiàn)的整個(gè)內(nèi)容，以引用方式結(jié)合在本文中。
下面參照?qǐng)D10-17來(lái)更詳細(xì)地描述用于本發(fā)明來(lái)制作圖3的GOI襯底材料的基本工藝步驟。盡管示出并描述了其中采用表面糙化和中間粘合層的實(shí)施方案，但可以借助于取消表面糙化步驟或借助于取消粘合層而稍許修整下面的方法，以便提供圖1和2所示的GOI材料。上述各種結(jié)構(gòu)能夠與用來(lái)形成上述器件的已知技術(shù)一起采用相同的基本工藝方案。
圖10示出了能夠用于本發(fā)明的初始含鍺施主晶片100。此初始含鍺施主晶片100的一部分將被用作最終GOI襯底材料10中的含鍺層18。利用本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員眾所周知的技術(shù)，施主含鍺晶片100的一個(gè)表面被糙化。例如，借助于在氬或任何其它惰性氣體中進(jìn)行濺射，能夠達(dá)到表面糙化。如圖11所示，此濺射從初始含鍺晶片100清除了天然氧化物，還糙化了表面15。此表面糙化步驟是可選的，不是在本發(fā)明的所有實(shí)施方案中都采用。
然后，諸如硅的中間粘合層16被形成在濺射清潔的鍺表面上，提供了圖12所示的結(jié)構(gòu)。典型地在與濺射清潔同一個(gè)工作室中來(lái)進(jìn)行中間粘合層16的形成而不中斷真空。
能夠用來(lái)形成中間粘合層16的各種方法的示例性例子包括任何已知的淀積工藝，諸如化學(xué)氣相淀積、物理氣相淀積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積、外延生長(zhǎng)、化學(xué)溶液淀積、原子層淀積、蒸發(fā)、濺射之類。中間粘合層16的厚度典型約為10nm，但可以根據(jù)應(yīng)用而做得更厚或更薄。例如，為了用熱混合方法將GOI層轉(zhuǎn)變成SGOI層，通常要求較厚的粘合層16。在某些實(shí)施方案中，中間粘合層16是可選的。
埋置絕緣層14被形成在粘合層16的表面上，提供了例如圖13所示的結(jié)構(gòu)。如上所述，埋置絕緣層14可以是氧化物或氮化物，以諸如二氧化硅的氧化物更為優(yōu)選?？梢杂弥T如化學(xué)氣相淀積、物理氣相淀積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積、化學(xué)溶液淀積、或原子層淀積、蒸發(fā)之類的淀積工藝，來(lái)形成埋置絕緣層14?；蛘撸梢杂脽嵫趸虻に噥?lái)形成埋置絕緣層14。典型地在與粘合層16同一個(gè)工作室中來(lái)完成埋置絕緣層14的形成而不中斷真空。例如可以淀積額外的膜來(lái)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)布拉格反射鏡。在本發(fā)明的這一方面，也可能形成漫射反射鏡。
在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，可選的低溫氧化物(LTO)(圖中未示出)可以被形成在圖13所示的膜疊層上。此LTO膜被用于某些實(shí)施方案中作為圖13的膜疊層與襯底12之間的“粘合劑”。用諸如化學(xué)氣相淀積、物理氣相淀積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積、化學(xué)溶液淀積、原子層淀積、或蒸發(fā)之類的淀積工藝，來(lái)形成LTO。當(dāng)存在LTO膜時(shí)，LTO膜典型地在大約400-650℃的溫度下被退火，以便使LTO致密化。
要指出的是，此處討論的各種淀積不一定要在同一個(gè)工作室中進(jìn)行，更可能的是在具有用于各個(gè)淀積、腐蝕、或清潔步驟的專用工作室的組合裝置中來(lái)執(zhí)行。
然后，用諸如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)之類的常規(guī)整平工藝，埋置絕緣層14或可選LTO膜的暴露表面被拋光，以便得到圖14所示的平滑表面。對(duì)于整體化鍵合，通常都要求平滑的表面。要強(qiáng)調(diào)的是，在圖14中，整平工藝使埋置絕緣層14的暴露表面平滑。
然后用氫(H+)102對(duì)圖14所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行注入，以便在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生富氫離子的分布。例如在圖15中示出了氫注入工藝過(guò)程中的結(jié)構(gòu)。氫注入步驟的劑量典型地約為每平方厘米1×1015-1×1017，以每平方厘米3×1016-4×1016更為典型。注入能量決定了轉(zhuǎn)移層的厚度。例如，為了轉(zhuǎn)移360nm厚的鍺膜，要求氫注入能量約為100keV。典型地在約為0-100℃的注入溫度下來(lái)執(zhí)行氫注入，以約為20-40℃的注入溫度更為典型。注入能量決定了將從含鍺晶片100被轉(zhuǎn)移的含鍺層18的厚度。這些注入條件使富氫離子的注入?yún)^(qū)被形成在含鍺晶片100內(nèi)。
然后，利用本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員眾所周知的技術(shù)，對(duì)圖15所示結(jié)構(gòu)亦即埋置絕緣層14和襯底12的拋光表面進(jìn)行清潔和表面處理。此表面處理可以包括用親水劑或疏水劑處理二個(gè)表面或僅僅一個(gè)表面。鍺晶片100被倒裝置于襯底12的頂部上。圖16中的箭頭示出了倒裝步驟的方向。根據(jù)本發(fā)明，清潔和處理過(guò)的圖15結(jié)構(gòu)被倒裝在襯底12的頂部上，使埋置絕緣層14的暴露表面位于襯底12表面的頂部上。
用于本發(fā)明的鍵合工藝包括在存在或不存在外力的情況下，在正常的室溫下接觸二個(gè)晶片?！罢５氖覝亍币馕吨s為20-40℃的溫度。為了進(jìn)一步增強(qiáng)鍵合并引起含鍺施主晶片的所希望的分裂部分，可以執(zhí)行下列退火一開(kāi)始，執(zhí)行增強(qiáng)襯底12與埋置絕緣層14之間鍵合的第一溫度下的第一退火。具體地說(shuō)，典型地在約為100-300℃的溫度下執(zhí)行第一退火，以在約為200-250℃的第一退火溫度更為典型。典型地在諸如He、N2、Ar、Ne、Kr、Xe、它們的混合物之類的惰性氣體氣氛中進(jìn)行第一退火。在某些實(shí)施方案中，可以用含氧的氣體稀釋此惰性氣體氣氛。第一退火執(zhí)行的時(shí)間長(zhǎng)度典型為大約1-48小時(shí)，以大約3-24小時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度更為典型?？梢杂脝蝹€(gè)速率升溫到上述范圍內(nèi)的所需目標(biāo)溫度來(lái)進(jìn)行第一退火，或者可以在改變或不改變環(huán)境氣體的情況下執(zhí)行各種升溫和保溫周期。
在第一退火之后，執(zhí)行第二溫度下的第二退火，第二退火能夠分裂110施主含鍺晶片100，留下適當(dāng)厚度的含鍺層18。典型地在約為250-400℃的溫度下執(zhí)行第二退火，以在約為300-375℃的第二退火溫度更為典型。典型地在諸如He、N2、Ar、Ne、Kr、Xe、它們的混合物之類的惰性氣體氣氛中進(jìn)行第二退火。第二退火氣氛可以與第一退火所用的氣氛相同或不同。在某些實(shí)施方案中，可以用含氧的氣體稀釋此惰性氣體氣氛。第二退火執(zhí)行的時(shí)間長(zhǎng)度典型為大約1-24小時(shí)，以大約2-6小時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度更為典型。第二退火時(shí)間依賴于所用的退火溫度和注入劑量?？梢杂脝蝹€(gè)速率升溫到上述范圍內(nèi)的所需目標(biāo)溫度來(lái)進(jìn)行第二退火，或者可以在改變或不改變環(huán)境氣體的情況下執(zhí)行各種升溫和保溫周期。
在第三溫度下的第三退火跟隨著第二退火，第三退火能夠進(jìn)一步增強(qiáng)埋置絕緣層14與襯底12之間的鍵合。典型地在約為500-900℃的溫度下執(zhí)行第三退火，以在約為500-850℃的第三退火溫度更為典型。典型地在諸如He、N2、Ar、Ne、Kr、Xe、它們的混合物之類的惰性氣體氣氛中進(jìn)行第三退火。第三氣體氣氛可以與先前所用的氣氛中的任何一種相同或不同。在某些實(shí)施方案中，可以用含氧的氣體稀釋此惰性氣體氣氛。第三退火執(zhí)行的時(shí)間長(zhǎng)度典型為大約1-48小時(shí)，以大約2-5小時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度更為典型?？梢杂脝蝹€(gè)速率升溫到上述范圍內(nèi)的所需目標(biāo)溫度來(lái)進(jìn)行第三退火，或者可以在改變或不改變環(huán)境氣體的情況下執(zhí)行各種升溫和保溫周期。
圖17示出了第二退火過(guò)程中的結(jié)構(gòu)，其中，部分含鍺晶片被分裂。此分裂出現(xiàn)在富氫離子注入劑的區(qū)域內(nèi)，留下含硅層18。附著到部分含鍺施主晶片100的頂部箭頭110示出了此分裂。
在退火之后，可以在本發(fā)明的這一階段用CMP對(duì)含鍺層18進(jìn)行可選拋光。最終得到的結(jié)構(gòu)被示于圖3。
圖18示出了一個(gè)用上述方法制作的GOI樣品的高分辨率x射線衍射圖。此圖顯示出一個(gè)來(lái)自硅襯底的衍射峰和另一個(gè)來(lái)自單晶鍺膜的衍射峰。二個(gè)峰分隔一個(gè)角間距DqB。這一角分隔表明鍺膜在被轉(zhuǎn)移到硅晶片上之后保持了其塊體恒定的晶格(亦即未被應(yīng)變)。作為薄膜，鍺衍射峰如預(yù)期的那樣比硅襯底的峰更寬。注意，在這些衍射峰之間存在著一個(gè)偏移(Dw)，表明了襯底(001)晶面與鍵合的GOI層的晶面之間的稍許不對(duì)準(zhǔn)。這一不對(duì)準(zhǔn)是由非有意晶片誤切割造成的，是用晶片鍵合方法形成的結(jié)構(gòu)的一種典型的特征。
雖然對(duì)其優(yōu)選實(shí)施方案已經(jīng)具體地描述了本發(fā)明，但本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員可以理解的是，可以作出形式和細(xì)節(jié)方面的上述和其它的改變而不偏離本發(fā)明的范圍和構(gòu)思。因此認(rèn)為本發(fā)明不局限于所述的準(zhǔn)確形式和細(xì)節(jié)，而是在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員可以理解的是，雖然關(guān)于前面各實(shí)施方案已經(jīng)描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于此，在本發(fā)明的范圍內(nèi)存在著許多可能的變化和修正。
本公開(kāi)的范圍包括此處所討論的任何新穎的特點(diǎn)或這些特點(diǎn)的組合。本申請(qǐng)人從而提請(qǐng)注意，在對(duì)本申請(qǐng)或從中衍生的任何這種進(jìn)一步申請(qǐng)的權(quán)利要求的過(guò)程中，可以對(duì)這些特點(diǎn)或特點(diǎn)的組合提出新的權(quán)利要求。確切地說(shuō)，參照所附權(quán)利要求，來(lái)自從屬權(quán)利要求的特點(diǎn)可以與獨(dú)立權(quán)利要求的特點(diǎn)組合，且來(lái)自各個(gè)獨(dú)立權(quán)利要求的各個(gè)特點(diǎn)可以以適當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合，而不僅僅是權(quán)利要求中列舉的那些具體組合。
為了免除疑問(wèn)，如此處整個(gè)描述和權(quán)利要求中所使用的那樣，術(shù)語(yǔ)“包含”不是意味著“僅僅由其組成”。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體晶片，包含半導(dǎo)電或非半導(dǎo)電襯底；位于襯底的上表面上的埋置絕緣層；位于埋置絕緣層的上表面上的中間粘合層；以及位于中間粘合層的上表面上的含鍺層，其中，所述含鍺層被中間粘合層附加到埋置絕緣層。
2.權(quán)利要求1的半導(dǎo)體晶片，其中，含鍺層與中間粘合層相接觸的表面被糙化。
3.權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體晶片，其中，所述中間粘合層是硅材料。
4.權(quán)利要求3的半導(dǎo)體晶片，其中，所述硅材料是單晶硅、多晶硅、非晶硅、外延硅、或它們的組合和多層。
5.一種半導(dǎo)體晶片，包含半導(dǎo)電或非半導(dǎo)電襯底；位于襯底的上表面上的埋置絕緣層；以及位于埋置絕緣層的上表面上的含鍺層，其中，所述含鍺層利用糙化的表面附加到埋置絕緣膜。
6.權(quán)利要求1-5中任何一個(gè)的半導(dǎo)體晶片，其中，所述含鍺層是純鍺層。
7.權(quán)利要求1-6中任何一個(gè)的半導(dǎo)體晶片，其中，所述含鍺層是厚度約為1-1000nm的薄層。
8.權(quán)利要求1-7中任何一個(gè)的半導(dǎo)體晶片，其中，所述襯底是半導(dǎo)電襯底，包含選自Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge、GaAs、InAs、InP、以及其它III/V或II/VI化合物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體。
9.權(quán)利要求1-7中任何一個(gè)的半導(dǎo)體晶片，其中，所述襯底是選自Si、SiGe、SiC、SiGeC、Si/Si、Si/SiC、Si/SiGeC、以及預(yù)先形成的絕緣體上硅的含硅半導(dǎo)體襯底。
10.權(quán)利要求1-9中任何一個(gè)的半導(dǎo)體晶片，其中，所述襯底包含應(yīng)變層、非應(yīng)變層、或它們的組合。
11.權(quán)利要求1-10中任何一個(gè)的半導(dǎo)體晶片，其中，所述埋置絕緣層是結(jié)晶或非結(jié)晶的氧化物、氮化物、或它們的組合。
12.權(quán)利要求1-11中任何一個(gè)的半導(dǎo)體晶片，其中，所述埋置絕緣層包含二氧化硅。
13.權(quán)利要求1-12中任何一個(gè)的半導(dǎo)體晶片，其中，所述埋置絕緣層是具有至少一對(duì)折射率不同的交替介質(zhì)層的布拉格反射鏡。
14.權(quán)利要求1-13中任何一個(gè)的半導(dǎo)體晶片，還包含位于埋置絕緣層與另一埋置絕緣體之間的漫射反射鏡。
15.權(quán)利要求14的半導(dǎo)體晶片，其中，埋置的漫射反射鏡被形成有波紋。
16.權(quán)利要求15的半導(dǎo)體晶片，其中，埋置的漫射反射鏡包含金屬。
17.一種半導(dǎo)體晶片，包含襯底；位于所述襯底上的布拉格反射鏡；以及位于所述布拉格反射鏡上的絕緣體上鍺膜，其中，所述布拉格反射鏡包含多組二個(gè)交替的介質(zhì)膜。
18.權(quán)利要求17的半導(dǎo)體晶片，其中，所述布拉格反射鏡包含多組交替的二氧化硅和四氮化三硅層。
19.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，至少包含權(quán)利要求1-18中任何一個(gè)的半導(dǎo)體晶片以及位于其上的至少一個(gè)器件或電路。
20.權(quán)利要求19的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述器件是鍺光電探測(cè)器。
21.權(quán)利要求19或20的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述電路是含硅的電路。
22.權(quán)利要求19、20、或21的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述器件或所述電路被單片集成。
23.一種制作絕緣體上鍺的方法，包含在含鍺施主襯底的表面上形成中間粘合層；在所述中間粘合層上形成埋置絕緣層；將氫注入到所述含鍺施主襯底中；以及將埋置絕緣層的暴露表面鍵合到半導(dǎo)電或非半導(dǎo)電襯底，其中，在所述鍵合過(guò)程中，部分含鍺施主襯底被轉(zhuǎn)移到所述襯底。
24.權(quán)利要求23的方法，其中，在所述形成所述中間粘合層之前，含鍺施主襯底的表面被糙化。
25.一種制作絕緣體上鍺的方法，包含對(duì)含鍺施主襯底的表面進(jìn)行糙化；在所述糙化表面上形成埋置絕緣層；將氫注入到所述含鍺施主襯底中；以及將埋置絕緣層的暴露表面鍵合到半導(dǎo)電或非半導(dǎo)電的襯底，其中，在所述鍵合過(guò)程中，部分含鍺施主襯底被轉(zhuǎn)移到所述襯底。
26.權(quán)利要求25的方法，其中，中間粘合層被形成在糙化的表面上，且所述埋置絕緣體被形成在所述中間粘合層上。
27.權(quán)利要求24、25、或26的方法，其中，借助于在惰性氣體中進(jìn)行濺射來(lái)得到所述糙化的表面。
28.權(quán)利要求23-27中任何一個(gè)的方法，其中，含鍺施主襯底是純鍺晶片。
29.權(quán)利要求23-28中任何一個(gè)的方法，其中，采用約為每平方厘米1×1015-1×1017的氫劑量來(lái)執(zhí)行注入。
30.權(quán)利要求29的方法，其中，采用約為每平方厘米3×1016-4×1016的氫劑量來(lái)執(zhí)行注入。
31.權(quán)利要求23-30中任何一個(gè)的方法，其中，在約為20-40℃的注入溫度下執(zhí)行注入。
32.權(quán)利要求23-31中任何一個(gè)的方法，其中，在鍵合之前，埋置絕緣體和襯底的暴露表面被清潔和表面處理。
33.權(quán)利要求23-32中任何一個(gè)的方法，其中，所述鍵合包含晶片倒裝、接觸鍵合、以及退火。
34.權(quán)利要求33的方法，其中，所述退火包含能夠增強(qiáng)襯底與埋置絕緣層之間鍵合的第一溫度下的第一退火、能夠移去部分含鍺施主層的第二溫度下的第二退火；以及能夠進(jìn)一步增強(qiáng)鍵合的第三溫度下的第三退火。
35.權(quán)利要求34的方法，其中，所述第一退火的第一溫度約為100-300℃，時(shí)間長(zhǎng)度約為1-48小時(shí)。
36.權(quán)利要求34或35的方法，其中，第二退火的第二溫度約為250-400℃，時(shí)間長(zhǎng)度約為1-24小時(shí)。
37.權(quán)利要求34、35、或36的方法，其中，第三退火的第三溫度約為500-900℃，時(shí)間長(zhǎng)度約為1-48小時(shí)。
38.權(quán)利要求34、35、36、或376的方法，其中，第一、第二、以及第三退火在相同的或不同的惰性氣體氣氛中執(zhí)行，此惰性氣體氣氛可以可選地用含氧的氣體稀釋。
39.權(quán)利要求34-38中任何一個(gè)的方法，其中，采用單個(gè)升溫速率或用各種升溫和保溫周期來(lái)進(jìn)行第一、第二、以及第三退火。
40.權(quán)利要求23-39中任何一個(gè)的方法，還包含在所述形成埋置絕緣層與所述注入氫之間執(zhí)行化學(xué)機(jī)械拋光步驟。
41.一種制作半導(dǎo)體晶片的方法，包含提供襯底，此襯底包括埋置絕緣體、位于埋置絕緣體上的硅粘合層、以及硅粘合層上的含鍺層；對(duì)襯底進(jìn)行退火，以便引起含鍺層與硅粘合層的熱混合，從而形成絕緣體上硅鍺或絕緣體上鍺。
全文摘要
一種制作絕緣體上鍺(GOI)襯底材料的方法，提供了用此方法生產(chǎn)的GOI襯底材料以及能夠包括至少本發(fā)明的GOI襯底材料的各種結(jié)構(gòu)。此GOI襯底材料至少包括襯底、位于襯底頂部上的埋置絕緣層、以及位于埋置絕緣層頂部上的優(yōu)選為純鍺的含鍺層。在本發(fā)明的GOI襯底材料中，含鍺層也可以被稱為GOI膜。此GOI膜是本發(fā)明襯底材料的層，其中能夠制作器件。
文檔編號(hào)H01L31/0232GK1875473SQ200480031953
公開(kāi)日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月3日
發(fā)明者陳自強(qiáng), 蓋伊·科恩, 亞歷山大·雷茨尼采克, 德溫得拉·薩達(dá)納, 加瓦姆·沙赫迪 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司