一種厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法，包括步驟：1）于第一襯底表面外延一摻雜的單晶薄膜；2）依次外延一重摻雜單晶層及一頂層半導(dǎo)體材料；3）將剝離離子注入至單晶薄膜下方的第一襯底預(yù)設(shè)深度的位置；4）提供表面具有絕緣層的第二襯底，并鍵合絕緣層及頂層半導(dǎo)體材料；5）使重摻雜單晶層與第一襯底從該單晶薄膜處分離；6）采用預(yù)設(shè)溶液腐蝕以去除重摻雜單晶層，其中，所述預(yù)設(shè)溶液對重摻雜單晶層的腐蝕速率大于其對頂層半導(dǎo)體材料的腐蝕速率。本發(fā)明通過摻雜的超薄單晶薄膜實現(xiàn)剝離，將剝離面控制在非常薄的一個層面內(nèi)；通過高選擇比的腐蝕工藝，可以制作出高質(zhì)量且厚度可控性高的絕緣體上半導(dǎo)體材料。
【專利說明】一種厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體材料的制備方法，特別是涉及一種厚度可控的絕緣體上半 導(dǎo)體材料的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，絕緣體上硅（SOI)材料以其獨特的絕緣埋層結(jié)構(gòu)，能降低襯底的寄生電容 和漏電電流，在低壓、低功耗、高溫、抗輻射器件等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。絕緣體上硅 在相關(guān)領(lǐng)域中應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)非常成熟，絕緣體上應(yīng)變硅（sSOI)也日益得到了相關(guān)技術(shù)人員 的重視，絕緣體上鍺硅（SGOI)結(jié)合了鍺硅材料和絕緣體上硅的優(yōu)勢，不僅能減小襯底的寄 生電容和漏電電流，還能提高載流子遷移率，同樣得到了廣泛的關(guān)注。制備更小尺寸、更高 性能的器件一直是半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的目標和方向，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)進入到22nm 節(jié)點及以下，對集成電路的特征尺寸提出了更高要求。為了使基于絕緣上材料的器件進一 步縮微化，就要求絕緣體上材料的厚度更薄，超薄絕緣體上材料應(yīng)運而生。
[0003] 通常絕緣體上材料需要通過材料的制備和層轉(zhuǎn)移兩個過程得到，比較常見的層轉(zhuǎn) 移實現(xiàn)技術(shù)是鍵合和剝離工藝。而傳統(tǒng)的智能剝離方法剝離面很厚，剝離裂紋大，剝離后得 到的絕緣體上半導(dǎo)體材料表面很粗糙，難以制備超薄的絕緣體上半導(dǎo)體材料；并且由于需 要較高的注入劑量，不僅增加了生產(chǎn)時間和成本，還對晶體損傷較大，制備出高質(zhì)量的超薄 絕緣體上半導(dǎo)體材料難度更大；由于剝離工藝的局限性，絕緣體上半導(dǎo)體材料的頂層半導(dǎo) 體材料的厚度往往難以控制。
[0004] 本發(fā)明提供一種通過摻雜的超薄單晶薄膜實現(xiàn)剝離，并通過高選擇比的腐蝕工藝 制作高質(zhì)量且厚度可控性高的絕緣體上半導(dǎo)體材料的方法，以解決上述的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種厚度可控的絕緣體上 半導(dǎo)體材料的制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中絕緣體上半導(dǎo)體材料制備難度大、成本高，且 頂層半導(dǎo)體材料厚度難以控制等問題。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材 料的制備方法，至少包括以下步驟：
[0007] 1)提供第一襯底，于所述第一襯底表面外延一摻雜的單晶薄膜；
[0008] 2)于所述單晶薄膜上依次外延一重摻雜單晶層及一頂層半導(dǎo)體材料；
[0009] 3)從所述頂層半導(dǎo)體材料表面將剝離離子注入至所述單晶薄膜下方的第一襯底 預(yù)設(shè)深度的位置；
[0010] 4)提供表面具有絕緣層的第二襯底，并鍵合所述絕緣層及所述頂層半導(dǎo)體材料；
[0011] 5)進行退火處理，使所述單晶薄膜吸附所述剝離離子，最終使所述重摻雜單晶層 與所述第一襯底從該單晶薄膜處分離；
[0012] 6)采用預(yù)設(shè)溶液腐蝕以去除所述重摻雜單晶層，其中，所述預(yù)設(shè)溶液對所述重摻 雜單晶層的腐蝕速率大于其對所述頂層半導(dǎo)體材料的腐蝕速率。
[0013] 作為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述 預(yù)設(shè)溶液對所述重摻雜單晶層與所述頂層半導(dǎo)體材料的腐蝕速率比不小于1000。
[0014] 作為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述 單晶薄膜的厚度不大于7nm。
[0015] 作為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述 單晶薄膜的材料包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAS及AlGaAs中的一種，所述單晶薄膜的摻雜離 子包括(：、8、？、6&、111^8及513中的一種或兩種以上，摻雜離子的濃度為巧18/〇11 3?巧22/ cm3。
[0016] 作為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述 重摻雜單晶層的材料包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAS及AlGaAs中的一種，摻雜離子包括C、B、 P、Ga、In、As及Sb中的一種或兩種以上，摻雜離子的濃度為不小于lE20/cm3,厚度為50nm? 200nm〇
[0017] 作為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述 頂層半導(dǎo)體材料的材料包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs及AlGaAs中的一種，厚度為5nm? 20nm。
[0018] 作為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述 剝離離子為H離子、或H離子與He組合。
[0019] 作為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述 剝離離子的注入劑量為2E16/cm2?4E16/cm2,所述預(yù)設(shè)深度為20nm?150nm。
[0020] 作為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，鍵合 前還包括步驟：采用N2對所述絕緣層及第二襯底表面進行等離子處理。
[0021] 作為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述 第一襯底為Si襯底、第二襯底為表面具有二氧化硅層的Si襯底。
[0022] 如上所述，本發(fā)明提供一種厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法，包括步 驟：1)提供第一襯底，于所述第一襯底表面外延一摻雜的單晶薄膜；2)于所述單晶薄膜上 依次外延一重摻雜單晶層及一頂層半導(dǎo)體材料；3)從所述頂層半導(dǎo)體材料表面將剝離離子 注入至所述單晶薄膜下方的第一襯底預(yù)設(shè)深度的位置；4)提供表面具有絕緣層的第二襯 底，并鍵合所述絕緣層及所述頂層半導(dǎo)體材料；5)進行退火處理，使所述單晶薄膜吸附所述 剝離離子，最終使所述重摻雜單晶層與所述第一襯底從該單晶薄膜處分離；6)采用預(yù)設(shè)溶 液腐蝕以去除所述重摻雜單晶層，其中，所述預(yù)設(shè)溶液對所述重摻雜單晶層的腐蝕速率大 于其對所述頂層半導(dǎo)體材料的腐蝕速率。本發(fā)明通過摻雜的超薄單晶薄膜實現(xiàn)剝離，將剝 離面控制在非常薄的一個層面內(nèi)；通過高選擇比的腐蝕工藝，可以制作出高質(zhì)量且厚度可 控性高的絕緣體上半導(dǎo)體材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1顯示為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法步驟流程示意 圖。
[0024] 圖2顯示為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法步驟1)所呈現(xiàn) 的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖3?圖4顯示為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法步驟2) 所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖5顯示為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法步驟3)所呈現(xiàn) 的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖6顯示為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法步驟4)所呈現(xiàn) 的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖7?圖8顯示為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法步驟5) 所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖9顯示為本發(fā)明的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法步驟6)所呈現(xiàn) 的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 元件標號說明
[0031] 101 第.襯成 102 ?'p. IK 103 摻雜1?1·品Α^- ?04 頂i/i半導(dǎo)體材料 |-0032] 105 絕ftw 106 第......:襯底 S11-S16 步驟1)?步驟6)

【具體實施方式】
[0033] 以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實 施方式加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離 本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
[0034] 請參閱圖1?圖9。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明 本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù) 目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其 組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0035] 如圖1?圖9所示，本發(fā)明提供一種厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法， 至少包括以下步驟：
[0036] 如圖1?圖2所示，首先進行步驟1)S11，提供第一襯底101，于所述第一襯底101 表面外延一摻雜的單晶薄膜102。
[0037] 作為示例，所述第一襯底101為Si襯底。所述摻雜的單晶薄膜102的厚度不大于 7nm，其材料包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs及AlGaAs中的一種，所述單晶薄膜102的摻雜離 子包括(：、8、？、6&、111^8及513中的一種或兩種以上，摻雜離子的濃度為巧18/〇11 3?巧22/ cm3。具體地，在本實施例中，提供一Si襯底，采用氣相外延法于其表面形成摻雜有B的SiGe單晶薄膜102,其中，所述SiGe單晶薄膜102的厚度為3nm，B的濃度為3E19/cm3。由于該 單晶薄膜102的厚度非常薄，其內(nèi)部具有應(yīng)力，并且具有濃度較大的離子摻雜濃度，在后續(xù) 的智能剝離過程中可以很高效的吸附用于剝離的離子(如H離子等）而最終斷裂，可以將剝 離面限制在一個非常薄的層面內(nèi)。
[0038] 如圖1及圖3?圖4所示，然后進行步驟2)S12,于所述單晶薄膜102上依次外延 一重摻雜單晶層103及一頂層半導(dǎo)體材料104.
[0039] 作為示例，所述重摻雜單晶層103的材料包括Si、Ge、SiGe、GeSruGaAs及AlGaAs 中的一種，摻雜離子包括C、B、P、Ga、In、As及Sb中的一種或兩種以上，摻雜離子的濃度為 不小于lE20/cm3,厚度為50nm?200nm。具體地，通過氣相外延于所述單晶薄膜102表面 制作一層B摻雜的Si層，摻雜濃度為5E21/cm3,厚度為100nm。
[0040] 所述重摻雜單晶層103可以保證在剝離階段所述頂層半導(dǎo)體材料104不會被損 傷，保證其完整性，并且，該重摻雜單晶層103可以在后續(xù)的工藝中被選擇性腐蝕去除，同 樣不會對所述頂層半導(dǎo)體材料104造成損傷，可以保證最終絕緣體上半導(dǎo)體材料的質(zhì)量。
[0041] 所述頂層半導(dǎo)體材料104包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs及AlGaAs中的一種，厚度 為5nm?20nm。具體地，在本實施例中，采用氣相外延法于所述單晶薄膜102表面形成頂層 半導(dǎo)體材料104,其材料為本征Si，厚度為10nm。
[0042] 如圖1及圖5所示，接著進行步驟3)S13,從所述頂層半導(dǎo)體材料104表面將剝離 離子注入至所述單晶薄膜102下方的第一襯底101預(yù)設(shè)深度的位置。
[0043] 作為示例，所述剝離離子為H離子、或H離子與He組合。所述剝離離子的注入劑 量為2E16/cm2?4E16/cm2,所述預(yù)設(shè)深度為20nm?150nm。具體地，在本實施例中，所述剝 離離子為H離子,注入劑量為3E16/cm2,其注入位置為所述第一襯底101中40nm深度的地 方
[0044] 如圖1及圖6所示，然后進行步驟4)S14,提供表面具有絕緣層105的第二襯底 106,并鍵合所述絕緣層105及所述頂層半導(dǎo)體材料104。
[0045] 作為示例，所述第二襯底106為表面具有二氧化硅層的Si襯底。
[0046] 作為示例，鍵合前，先采用N2對所述絕緣層105及頂層半導(dǎo)體材料104表面進行 等離子處理，然后再將其進行鍵合。
[0047] 如圖1及圖7?圖8所示，接著進行步驟5)S15,進行退火處理，使所述單晶薄膜 102吸附所述剝離離子，最終使所述重摻雜單晶層103與所述第一襯底101從該單晶薄膜 102處分離。
[0048] 作為示例，退火的氣氛為O2。所述退火處理包括步驟：首先，于300°C左右進行第 一次保溫，保溫時間為120min左右，以加強所述第二襯底106及所述頂層半導(dǎo)體材料104 的鍵合強度；然后，于600°C左右進行第二次保溫，保溫時間為30min左右，使所述單晶薄膜 102吸附所述第一襯底101中的剝離離子，剝離離子逐漸聚集后產(chǎn)生大量的氣泡，最終使所 述單晶薄膜102斷裂，實現(xiàn)所述第一襯底101與所述重摻雜單晶層103的剝離。
[0049] 如圖1及圖9所示，最后進行步驟6)S16,采用預(yù)設(shè)溶液腐蝕以去除所述重摻雜單 晶層103,其中，所述預(yù)設(shè)溶液對所述重摻雜單晶層103的腐蝕速率大于其對所述頂層半導(dǎo) 體材料104的腐蝕速率。
[0050] 作為示例，所述預(yù)設(shè)溶液對所述重摻雜單晶層103與所述頂層半導(dǎo)體材料104的 腐蝕速率比不小于1000。
[0051] 具體地，以所述重摻雜單晶層103為B摻雜濃度為5E21/cm3的Si層(其電阻率小 于0. 01歐姆厘米)、所述頂層半導(dǎo)體材料104為本征Si層為例，在本實施例中，采用的腐蝕 液是HNA，腐蝕液的配比為HF(無稀釋）=HNO3 =CH3COOH=I:3 :8,該腐蝕液對所述重摻雜單晶 層103 (B摻雜Si層)與所述頂層半導(dǎo)體材料104 (本征Si層)的腐蝕速率比大于1000,因 此，采用該溶液在完全去除所述重摻雜單晶層103后，可以保持所述頂層半導(dǎo)體材料104的 完整性和平整性，以精確控制所述頂層半導(dǎo)體材料104的厚度，最終獲得高質(zhì)量的絕緣體 上半導(dǎo)體材料。當然，不同的對于重摻雜單晶層103與所述頂層半導(dǎo)體材料104,可以選擇 不同的腐蝕溶液進行選擇性腐蝕，來實現(xiàn)本發(fā)明所要達到的效果，并不限于此處所列舉的 一種方案。
[0052] 如上所述，本發(fā)明提供一種厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法，包括步 驟：1)提供第一襯底101，于所述第一襯底101表面外延一摻雜的單晶薄膜102 ;2)于所述 單晶薄膜102上依次外延一重摻雜單晶層103及一頂層半導(dǎo)體材料104 ;3)從所述頂層半 導(dǎo)體材料104表面將剝離離子注入至所述單晶薄膜102下方的第一襯底101預(yù)設(shè)深度的位 置；4)提供表面具有絕緣層105的第二襯底106,并鍵合所述絕緣層105及所述頂層半導(dǎo)體 材料104 ;5)進行退火處理，使所述單晶薄膜102吸附所述剝離離子，最終使所述重摻雜單 晶層103與所述第一襯底101從該單晶薄膜102處分離；6)采用預(yù)設(shè)溶液腐蝕以去除所述 重摻雜單晶層103,其中，所述預(yù)設(shè)溶液對所述重摻雜單晶層103的腐蝕速率大于其對所述 頂層半導(dǎo)體材料104的腐蝕速率。本發(fā)明通過摻雜的超薄單晶薄膜實現(xiàn)剝離，將剝離面控 制在非常薄的一個層面內(nèi)；通過高選擇比的腐蝕工藝，可以制作出高質(zhì)量且厚度可控性高 的絕緣體上半導(dǎo)體材料。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利 用價值。
[0053] 上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因 此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1. 一種厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法，其特征在于，至少包括以下步 驟： 1) 提供第一襯底，于所述第一襯底表面外延一摻雜的單晶薄膜； 2) 于所述單晶薄膜上依次外延一重摻雜單晶層及一頂層半導(dǎo)體材料； 3) 從所述頂層半導(dǎo)體材料表面將剝離離子注入至所述單晶薄膜下方的第一襯底預(yù)設(shè) 深度的位置； 4) 提供表面具有絕緣層的第二襯底，并鍵合所述絕緣層及所述頂層半導(dǎo)體材料； 5) 進行退火處理，使所述單晶薄膜吸附所述剝離離子，最終使所述重摻雜單晶層與所 述第一襯底從該單晶薄膜處分離； 6) 采用預(yù)設(shè)溶液腐蝕以去除所述重摻雜單晶層，其中，所述預(yù)設(shè)溶液對所述重摻雜單 晶層的腐蝕速率大于其對所述頂層半導(dǎo)體材料的腐蝕速率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法，其特征在于： 所述預(yù)設(shè)溶液對所述重摻雜單晶層與所述頂層半導(dǎo)體材料的腐蝕速率比不小于1000。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法，其特征在于： 所述單晶薄膜的厚度不大于7nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法，其特征在于： 所述單晶薄膜的材料包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs及AlGaAs中的一種，所述單晶薄膜的摻 雜離子包括C、B、P、Ga、In、As及Sb中的一種或兩種以上，摻雜離子的濃度為lE18/cm3? lE22/cm3。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法，其特征在于： 所述重摻雜單晶層的材料包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs及AlGaAs中的一種，摻雜離子包括 (：、8、？、6&、111、48及513中的一種或兩種以上，摻雜離子的濃度為不小于巧20/〇11 3，厚度為 50nm ?200nm〇
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法，其特征在于： 所述頂層半導(dǎo)體材料的材料包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs及AlGaAs中的一種，厚度為 5nm ?20nm〇
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法，其特征在于： 所述剝離離子為H離子、或H離子與He組合。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法，其特征在于： 所述剝離離子的注入劑量為2E16/cm2?4E16/cm2,所述預(yù)設(shè)深度為20nm?150nm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法，其特征在于： 鍵合前還包括步驟：采用N2對所述絕緣層及第二襯底表面進行等離子處理。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚度可控的絕緣體上半導(dǎo)體材料的制備方法，其特征在于： 所述第一襯底為Si襯底、第二襯底為表面具有二氧化娃層的Si襯底。
【文檔編號】H01L21/762GK104425342SQ201310382840
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月28日
【發(fā)明者】張苗, 陳達, 狄增峰, 薛忠營, 王剛, 劉林杰, 母志強, 葉林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所