CN104517883B - 一种利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,包括步骤:1)于第一衬底表面形成掺杂的单晶薄膜;2)于单晶薄膜表面形成缓冲层及顶层半导体材料;3)将杂质离子注入至单晶薄膜;4)将剥离离子注入至单晶薄膜下方第一衬底中的预设深度的位置;5)键合所述顶层半导体材料与具有绝缘层的第二衬底;6)进行退火处理,使所述第一衬底与所述缓冲层从该单晶薄膜处分离,去除所述缓冲层。本发明结合了离子共注与掺杂单晶薄膜剥离的双重作用,有效的降低了剥离剂量。注入杂质离子使单晶薄膜产生应力增加其吸附能力,H离子注入退火后实现剥离,剥离发生在超薄的单晶薄膜处,裂纹很小,可获得高质量的绝缘体上半导体材料。

Description

一种利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法
技术领域
本发明涉及一种半导体材料的制备方法,特别是涉及一种利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法。
背景技术
近年来,绝缘体上硅(SOI)材料以其独特的绝缘埋层结构,能降低衬底的寄生电容和漏电电流,在低压、低功耗、高温、抗辐射器件等诸多领域得到了广泛的应用。绝缘体上硅在相关领域中应用技术已经非常成熟,绝缘体上应变硅(sSOI)也日益得到了相关技术人员的重视,绝缘体上锗硅(SGOI)结合了锗硅材料和绝缘体上硅的优势,不仅能减小衬底的寄生电容和漏电电流,还能提高载流子迁移率,同样得到了广泛的关注。制备更小尺寸、更高性能的器件一直是半导体工业发展的目标和方向,随着超大规模集成电路技术进入到22nm节点及以下,对集成电路的特征尺寸提出了更高要求。为了使基于绝缘上材料的器件进一步缩微化,就要求绝缘体上材料的厚度更薄,超薄绝缘体上材料应运而生。
通常绝缘体上材料需要通过材料的制备和层转移两个过程得到,比较常见的层转移实现技术是键合和剥离工艺。而传统的智能剥离方法剥离面很厚,剥离裂纹大,剥离后得到的绝缘体上材料表面很粗糙,难以制备超薄的绝缘体上材料;并且由于需要较高的注入剂量,不仅增加了生产时间和成本,还对晶体损伤较大,制备出高质量的超薄绝缘体上材料难度更大。
因而,如何提供一种低注入剂量的制备高质量绝缘体上半导体材料的方法,已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,用于解决现有技术中制备绝缘体上半导体材料需要较高剂量的离子注入,且难度大、成本高等问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,至少包括以下步骤:
1)提供第一衬底,于所述第一衬底表面形成掺杂的单晶薄膜;
2)于所述单晶薄膜表面形成缓冲层,于所述缓冲层表面形成顶层半导体材料;
3)从所述顶层半导体材料表面将杂质离子注入至所述单晶薄膜;
4)从所述顶层半导体材料表面将剥离离子注入至所述单晶薄膜下方第一衬底中的预设深度的位置;
5)提供表面具有绝缘层的第二衬底,并将所述绝缘层与所述顶层半导体材料进行键合;
6)进行退火处理,使所述单晶薄膜吸附所述剥离离子,最终使所述第一衬底与所述缓冲层从该单晶薄膜处分离,最后去除所述缓冲层。
作为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法一种优选方案,所述单晶薄膜的厚度不大于10nm。
作为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法一种优选方案,所述单晶薄膜为单层单晶或两层单晶以上形成的超晶格结构,且所述单晶薄膜的材料包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs及AlGaAs中的一种。
进一步地,所述单晶薄膜的掺杂离子包括C、B、P、Ga、In、As及Sb中的一种或两种以上,掺杂离子的总浓度为1E18/cm3~1E22/cm3
作为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法一种优选方案,所述缓冲层的材料为Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs、AlGaAs中的一种,其厚度不小于30nm,并且,所述缓冲层的材料不同于所述单晶薄膜。
作为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法一种优选方案,所述顶层半导体材料的材料包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs及AlGaAs中的一种,厚度为5nm~200nm。
作为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法一种优选方案,所述杂质离子包括Si、Ge、H、He中的一种,注入剂量不小于1E16/cm2
作为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法一种优选方案,所述剥离离子为H离子,注入剂量为1E16/cm2~4E16/cm2,所述预设深度为单晶薄膜下方20nm~150nm。
作为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法一种优选方案,步骤6)中,采用化学腐蚀法去除所述缓冲层。
如上所述,本发明提供一种利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,包括步骤:1)提供第一衬底,于所述第一衬底表面形成掺杂的单晶薄膜;2)于所述单晶薄膜表面形成缓冲层,于所述缓冲层表面形成顶层半导体材料;3)从所述顶层半导体材料表面将杂质离子注入至所述单晶薄膜;4)从所述顶层半导体材料表面将剥离离子注入至所述单晶薄膜下方第一衬底中的预设深度的位置;5)提供表面具有绝缘层的第二衬底,并将所述绝缘层与所述顶层半导体材料进行键合;6)进行退火处理,使所述单晶薄膜吸附所述剥离离子,最终使所述第一衬底与所述缓冲层从该单晶薄膜处分离,最后去除所述缓冲层。本发明结合了离子共注与掺杂单晶薄膜剥离的双重作用,有效的降低了剥离剂量。先注入杂质离子使单晶薄膜产生应力增加其对H离子的吸附能力,再通过H离子注入退火后实现剥离。若杂质离子采用He,则一方面可以增加单晶薄膜的应力,另一方面He可以作为剥离离子,大大降低H离子的注入量,剥离裂纹发生在超薄的单晶薄膜处,裂纹很小,可获得高质量的绝缘体上半导体材料。
附图说明
图1显示为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法步骤流程示意图。
图2显示为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法步骤1)所呈现的结构示意图。
图3显示为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法步骤2)所呈现的结构示意图。
图4显示为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法步骤3)所呈现的结构示意图。
图5显示为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法步骤4)所呈现的结构示意图。
图6显示为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法步骤5)所呈现的结构示意图。
图7~图9显示为本发明的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法步骤6)所呈现的结构示意图。
元件标号说明
101 第一衬底
102 单晶薄膜
103 缓冲层
104 顶层半导体材料
105 绝缘层
106 第二衬底
S11~S16 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1~图9。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1~图9所示,一种利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,至少包括以下步骤:
如图1~图2所示,首先进行步骤1)S11,提供第一衬底101,于所述第一衬底101表面形成掺杂的单晶薄膜102。
作为示例,所述第一衬底101为Si衬底。所述掺杂的单晶薄膜102的厚度不大于10nm,所述单晶薄膜102为单层单晶或两层单晶以上形成的超晶格结构,其材料包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs及AlGaAs中的一种,所述单晶薄膜102的掺杂离子包括C、B、P、Ga、In、As及Sb中的一种或两种以上,掺杂离子的总浓度为1E18/cm3~1E22/cm3。具体地,在本实施例中,提供一Si衬底,采用气相外延法于其表面形成掺杂有B的SiGe单晶薄膜102,其中,所述SiGe单晶薄膜102的厚度为3nm,B的浓度为3E19/cm3。由于该单晶薄膜102的厚度非常薄,其内部具有应力,并且具有浓度较大的离子掺杂浓度,在后续的智能剥离过程中可以很高效的吸附用于剥离的离子(如H离子等)而最终断裂,剥离表面基本没有单晶薄膜102残留,最多只有部分的毛刺存在,可以达到非常良好的剥离效果。
如图1及图3所示,然后进行步骤2)S12,于所述单晶薄膜102表面形成缓冲层103,于所述缓冲层103表面形成顶层半导体材料104。
作为示例,采用气相外延法于所述单晶薄膜102表面形成缓冲层103,所述缓冲层103的材料为Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs、AlGaAs中的一种,其厚度不小于30nm,并且,所述缓冲层103的材料不同于所述单晶薄膜102。在本实施例中,所述缓冲层103的材料为Si,厚度为60nm。所述缓冲层103可以大大提高后续顶层半导体材料104的生长质量,并且可以保证后续离子剥离过程不会对顶层半导体材料104引入缺陷等影响。
作为示例,所述顶层半导体材料104的材料包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs及AlGaAs中的一种,厚度为5nm~200nm。在本实施例中,所述顶层半导体材料104的材料为SiGe,其厚度为70nm。当然,在其它的实施例中,所述顶层半导体材料104也可以是依据需求所选择的其它预期的半导体材料,并不限定于此处所列举的几种。
如图1及图4所示,接着进行步骤3)S13,从所述顶层半导体材料104表面将杂质离子注入至所述单晶薄膜102。
作为示例,所述杂质离子包括Si、Ge、H、He中的一种,注入剂量不小于1E16/cm2。所述杂质离子的注入可以增加所述单晶薄膜102中的应力,以提高后续剥离过程中,单晶薄膜102对H离子的吸附作用。在本实施例中,所述杂质离子为He,注入剂量为1E16/cm2,采用He作为杂质离子,一方面可以增加所述单晶薄膜102的应力,另一方面He可以作为剥离离子,大大降低后续H离子所需的注入量,降低工艺成本,提高剥离的质量。
如图1及图5所示,然后进行步骤4)S14,从所述顶层半导体材料104表面将剥离离子注入至所述单晶薄膜102下方第一衬底101中的预设深度的位置。
作为示例,所述剥离离子为H离子,注入剂量为1E16/cm2~4E16/cm2,所述预设深度为单晶薄膜102下方20nm~150nm。在本实施例中,H离子的注入剂量为1E16/cm2,其注入位置为所单晶薄膜102下方距述第一衬底101表面50nm深度的地方。当然,在其它的实施例中,所述剥离离子也可以选择为He,并不限定于此处的H离子。
如图1及图6所示,接着进行步骤5)S15,提供表面具有绝缘层105的第二衬底106,并将所述绝缘层105与所述顶层半导体材料104进行键合。
作为示例,所述第二衬底106为表面具有氧化层的Si衬底。具体地,键合前先采用N2对所述绝缘层105及顶层半导体材料104表面进行等离子处理,然后再将其进行键合。
如图1及图7~图9所示,最后进行步骤6)S16,进行退火处理,使所述单晶薄膜102吸附所述剥离离子,最终使所述第一衬底101与所述缓冲层103从该单晶薄膜102处分离,最后去除所述缓冲层103。
作为示例,本实施例中采用的退火的气氛为O2。所述退火处理包括步骤:首先,于300℃左右进行第一次保温,保温时间为120min左右,以加强所述绝缘层105及所述顶层半导体材料104的键合强度;然后,于600℃左右进行第二次保温,保温时间为30min左右,使所述单晶薄膜102吸附所述第一衬底101中的剥离离子,剥离离子逐渐聚集后产生大量的气泡,最终使所述单晶薄膜102断裂,实现所述第一衬底101与所述缓冲层103的剥离。
作为示例,采用化学腐蚀法去除所述缓冲层103。
如上所述,本发明提供一种利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,包括步骤:1)提供第一衬底101,于所述第一衬底101表面形成掺杂的单晶薄膜102;2)于所述单晶薄膜102表面形成缓冲层103,于所述缓冲层103表面形成顶层半导体材料104;3)从所述顶层半导体材料104表面将杂质离子注入至所述单晶薄膜102;4)从所述顶层半导体材料104表面将剥离离子注入至所述单晶薄膜102下方第一衬底101中的预设深度的位置;5)提供表面具有绝缘层105的第二衬底106,并将所述绝缘层105与所述顶层半导体材料104进行键合;6)进行退火处理,使所述单晶薄膜102吸附所述剥离离子,最终使所述第一衬底101与所述缓冲层103从该单晶薄膜102处分离,最后去除所述缓冲层103。本发明结合了离子共注与掺杂单晶薄膜102剥离的双重作用,有效的降低了剥离剂量。先注入杂质离子使单晶薄膜102产生应力增加其对H离子的吸附能力,再通过H离子注入退火后实现剥离。若杂质离子采用He,则一方面可以增加单晶薄膜102的应力,另一方面He可以作为剥离离子,大大降低H离子的注入量,剥离裂纹发生在超薄的单晶薄膜102处,裂纹很小,可获得高质量的绝缘体上半导体材料。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,其特征在于,至少包括以下步骤:
1)提供第一衬底,于所述第一衬底表面形成掺杂的单晶薄膜;
2)于所述单晶薄膜表面形成缓冲层,于所述缓冲层表面形成顶层半导体材料;
3)从所述顶层半导体材料表面将杂质离子注入至所述单晶薄膜;
4)从所述顶层半导体材料表面将剥离离子注入至所述单晶薄膜下方第一衬底中的预设深度的位置;
5)提供表面具有绝缘层的第二衬底,并将所述绝缘层与所述顶层半导体材料进行键合;
6)进行退火处理,使所述单晶薄膜吸附位于所述第一衬底预设深度处的所述剥离离子,且所述单晶薄膜通过注入其中的所述杂质离子来增加应力,以提高所述单晶薄膜对所述剥离离子的吸附作用,最终使所述第一衬底与所述缓冲层从该单晶薄膜处分离,最后去除所述缓冲层;
其中,所述剥离离子为H离子,注入剂量为1E16/cm2~4E16/cm2,所述预设深度为单晶薄膜下方20nm~50nm;
步骤6)中,退火的气氛为O2,所述退火处理包括步骤:首先,于300℃进行第一次保温,保温时间为120min,以加强所述绝缘层及所述顶层半导体材料的键合强度;然后,于600℃进行第二次保温,保温时间为30min,以使所述单晶薄膜吸附所述第一衬底中的剥离离子,并使所述剥离离子逐渐聚集后产生大量的气泡,最终使所述单晶薄膜断裂,实现所述第一衬底与所述缓冲层的剥离。
2.根据权利要求1所述的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,其特征在于:所述单晶薄膜的厚度不大于10nm。
3.根据权利要求1所述的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,其特征在于:所述单晶薄膜为单层单晶或两层单晶以上形成的超晶格结构,且所述单晶薄膜的材料包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs及AlGaAs中的一种。
4.根据权利要求3所述的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,其特征在于:所述单晶薄膜的掺杂离子包括C、B、P、Ga、In、As及Sb中的一种或两种以上,掺杂离子的总浓度为1E18/cm3~1E22/cm3
5.根据权利要求1所述的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,其特征在于:所述缓冲层的材料为Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs、AlGaAs中的一种,其厚度不小于30nm,并且,所述缓冲层的材料不同于所述单晶薄膜。
6.根据权利要求1所述的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,其特征在于:所述顶层半导体材料的材料包括Si、Ge、SiGe、GeSn、GaAs及AlGaAs中的一种,厚度为5nm~200nm。
7.根据权利要求1所述的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,其特征在于:所述杂质离子包括Si、Ge、H、He中的一种,注入剂量不小于1E16/cm2
8.根据权利要求1所述的利用离子注入技术制备绝缘体上半导体材料的方法,其特征在于:步骤6)中,采用化学腐蚀法去除所述缓冲层。
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