技术领域

本发明涉及微电子与固体电子学技术领域， 特别是涉及一种利用掺杂超薄层吸附制备超 薄绝缘体上材料的方法。 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 22 nm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 一步縮微化， 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， 如何提供一种低成本的制备高质量超薄绝缘体 上材料的方法， 实已成为本领域从 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掺杂超薄层吸 附制备超 薄绝缘体上材料的方法， 用于解决现有技术中难以制备高质量超薄绝缘 体上材料的问题。

为实现上述目的及其他相关目的， 本发明提供一种利用掺杂超薄层吸附制备超薄 绝缘体 上材料的方法， 其特征在于， 所述制备方法至少包括以下步骤：

a) 提供第一衬底， 在所述第一衬底上依次外延生长一掺杂单晶薄 膜和一顶层薄膜； b)进行离子注入， 使离子注入到所述掺杂单晶薄膜与硅衬底的界 面以下预设深度； c) 提供具有绝缘层的第二衬底， 将所述绝缘层与所述顶层薄膜键合， 然后对样品进行 第一退火阶段， 使所述掺杂单晶薄膜吸附离子并形成微裂纹， 从而实现剥离； d) 进行化学腐蚀或化学机械抛光， 去除残余的所述掺杂单晶薄膜， 以获得超薄绝缘体 上材料。

可选地， 于所述步骤 a)中还包括在所述掺杂单晶薄膜上外延生长一� ��冲层的步骤， 以及 于所述步骤 d)中还包括去除残余的缓冲层及掺杂单晶薄膜� ��步骤。

可选地， 所述缓冲层的材料选自 Si、 Ge、 SiGe、 SiGeC、 GaAs、 AlGaAs、 InGaP或 InP 中任意一种。

可选地， 所述缓冲层的厚度不超过其在所述掺杂单晶薄 膜上生长的临界厚度。

可选地， 于所述步骤 a)中， 所述掺杂单晶薄膜为单层薄膜， 所述单层薄膜的材料选自

Si、 Ge、 SiGe、 SiGeC、 GaAs、 AlGaAs、 InGaP或 InP中任意一种， 其中， 生长单层薄膜的 同时通入掺杂气体， 形成单层的掺杂单晶薄膜。

可选地， 所述单层的掺杂单晶薄膜的厚度范围为 3〜10 nm。

可选地， 于所述步骤 a)中， 所述掺杂单晶薄膜为多层薄膜， 所述多层薄膜由多个双层薄 膜叠加而成， 所述双层薄膜的材料选自 Si/Ge、 Si/SiGe、 Ge/SiGe、 Ge/GaAs、 GaAs/AlGaAs 或 InP/InGa 中任意一种， 其中， 生长多层薄膜的同时通入掺杂气体， 形成多层的掺杂单晶 薄膜。

可选地， 所述多层的掺杂单晶薄膜总厚度小于 10 nm。

可选地， 所述掺杂单晶薄膜中， 杂质元素为 B、 P、 Ga、 As、 Sb、 ¾或〔。

可选地， 所述掺杂单晶薄膜中， 杂质元素的浓度为 lE19〜lE22 cm- ³ 。

可选地， 所述顶层薄膜的材料选自 Si、 Ge、 SiGe、 SiGeC、 GaAs、 AlGaAs、 InGaP 或 InP中任意一种。

可选地， 所述顶层薄膜的厚度范围是 5〜50 nm。

可选地， 所述步骤 b)中采用 H离子注入， 或 H与 He离子共同注入。

可选地， 所述步骤 b)中离子注入剂量是 3E16〜6E16 cm- ² 。

可选地， 所述步骤 b)中， 所述预设深度为 30〜120 nm。

可选地， 于所述步骤 c)中， 所述键合采用等离子强化键合法。

可选地， 于所述步骤 c)中， 所述键合采用直接键合法， 并且还包括在所述第一退火阶段 以致剥离之后进行第二退火阶段的步骤， 以加强所述绝缘层与所述顶层薄膜的键合。

如上所述， 本发明的利用掺杂超薄层吸附制备超薄绝缘体 上材料的方法， 具有以下有益 效果： 利用超薄掺杂单晶薄膜对注入离子的吸附作用 ， 形成微裂纹以致剥离， 剥离裂纹发生 在超薄层处， 裂纹很小， 剥离后绝缘体上材料表面粗糙度小， 且离子被超薄层有效吸附， 分 布更均匀， 从而使得到的绝缘体上材料或绝缘体上改性材 料中缺陷更少， 此外， 杂质增强了 超薄单晶薄膜对离子的吸附能力， 使离子的注入剂量能够更低， 剥离的退火温度也更低， 有 效降低了对绝缘体上材料的损伤， 并降低了成本， 达到制备高质量超薄绝缘体上材料的目 的。 附图说明

图 1显示为本发明的利用掺杂超薄层吸附制备超� �绝缘体上材料的方法在实施例一步骤 一中所呈现的结构示意图。

图 2显示为本发明的利用掺杂超薄层吸附制备超� �绝缘体上材料的方法在实施例一步骤 二中离子注入的示意图。

图 3显示为本发明的利用掺杂超薄层吸附制备超� �绝缘体上材料的方法在实施例一步骤 三中具有绝缘层的第二衬底的示意图。

图 4显示为本发明的利用掺杂超薄层吸附制备超� �绝缘体上材料的方法在实施例一步骤 三中键合之后所呈现的结构示意图。

图 5显示为本发明的利用掺杂超薄层吸附制备超� �绝缘体上材料的方法在实施例一步骤 四中超薄绝缘体上材料上残余掺杂单晶薄膜时 的示意图。

图 6显示为本发明的利用掺杂超薄层吸附制备超� �绝缘体上材料的方法在实施例一步骤 四中超薄绝缘体上材料的示意图。

图 7显示为本发明的利用掺杂超薄层吸附制备超� �绝缘体上材料的方法在实施例二步骤 一中所呈现的结构示意图。

图 8显示为本发明的利用掺杂超薄层吸附制备超� �绝缘体上材料的方法在实施例二中离 子注入的示意图。

图 9显示为本发明的利用掺杂超薄层吸附制备超� �绝缘体上材料的方法在实施例二中具 有绝缘层的第二衬底的示意图。

图 10 显示为本发明的利用掺杂超薄层吸附制备超薄 绝缘体上材料的方法在实施例二中 键合之后所呈现的结构示意图。

图 11 显示为本发明的利用掺杂超薄层吸附制备超薄 绝缘体上材料的方法在实施例二中 超薄绝缘体上材料的示意图。 元件标号说明 1 第一衬底

211 Si层

212 Si _1-x Ge _x 层

21-24 Si/Si _1-x Ge _x 双层薄膜

2 掺杂单晶薄膜

3 顶层薄膜

4 第二衬底

5 绝缘层 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 至图 11。 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。

实施例一

如图 1 至图 6 所示， 本发明提供一种利用掺杂超薄层吸附制备超薄 绝缘体上材料的方 法， 所述方法至少包括以下步骤：

步骤 1， 请参阅图 1， 如图所示， 提供第一衬底 1， 采用化学气相沉积法、 物理气相沉 积法或者分子束外延法， 在所述第一衬底 1上依次外延生长一单层的掺杂单晶薄膜 2和一顶 层薄膜 3。 具体的， 所述单层的掺杂单晶薄膜 2 中， 单晶薄膜材料为 Si、 Ge、 SiGe , SiGeC、 GaAs、 AlGaAs、 InGaP或 InP， 其中， 所述 SiGe 中 Ge 的组分可调， 杂质元素为 B、 P、 Ga、 As、 Sb、 In或 C， 杂质浓度为 1E19〜1E22， 所述单层的掺杂单晶薄膜 2的厚度 为 3〜10 nm， 所述顶层薄膜 3 的材料为 Si、 Ge、 SiGe、 SiGeC、 GaAs、 AlGaAs、 InGaP或 InP, 其中， 所述 SiGe中 Ge的组分可调， 所述顶层薄膜 3厚度为 5〜50 nm。 在本实施例 中， 所述第一衬底 1 为 Si， 但不仅限于 Si， 所述单晶薄膜的材料优选为 SiGe, 其中 Ge与 Si的比例优选为 3: 7， 杂质元素优选为 B， 杂质浓度优选为 2E19 cm- ³ ， 顶层薄膜 3优选为 Si, 其厚度优选为 10 nm。

步骤二， 请参阅图 2， 如图所示， 以特定的能量与角度 （此为本领域的公知常识， 在此 不再赘述） 进行离子注入， 使离子注入到所述掺杂单晶薄膜 2 与第一衬底 1 的界面以下 30〜120 nm的深度。 具体的， 采用 H离子注入， 或 H与 He离子共同注入， 离子注入剂量是 3E16〜6E16 cm- ² 。 在本实施例中， 注入离子优选为 H离子， 注入深度为所述掺杂单晶薄膜 2 与第一衬底 1的界面以下 30 nm， 注入剂量为 3E16 cm- ² 。

步骤三， 请参阅图 3及图 4， 如图所示， 提供具有绝缘层 5的第二衬底 4， 将所述绝缘 层 5与所述顶层薄膜 3键合， 然后对样品进行第一退火阶段， 使所述掺杂单晶薄膜从第一衬 底 1中吸附注入的离子并形成微裂纹， 从而实现剥离。 具体的， 所述键合采用等离子体强化 键合法或直接键合法， 当采用直接键合法时， 还需要在所述第一退火阶段之后进行第二退火 阶段， 以加强所述绝缘层 5 与所述顶层薄膜 3 的键合， 所述第一退火阶段中， 退火温度为 300-600 °C， 退火时间为 30〜90分钟， 所述第二退火阶段中， 退火温度为 800〜1000 °C， 退 火时间为 60〜120 分钟。 在本实例中， 键合方法优选为等离子强化键合法， 即不需要经过第 二退火阶段加强键合， 避免高温退火影响顶层薄膜的质量。

步骤四， 请参阅图 5及图 6， 如图所示， 进行化学腐蚀或化学机械抛光， 去除残余的所 述掺杂单晶薄膜 2， 以获得超薄绝缘体上材料。 在本实施例中， 去除方法优选为选择性化学 腐蚀。

在另一实施方式中， 于所述步骤一中还包括在所述单层的掺杂单晶 薄膜 2上外延生长一 缓冲层 （未图示） 的步骤， 以及于所述步骤四中还包括去除残余的缓冲层 及掺杂单晶薄膜的 步骤。 缓冲层的存在能避免剥离裂纹影响绝缘体上材 料的晶体质量。 具体的， 缓冲层的材料 选自 Si、 Ge、 SiGe、 SiGeC、 GaAs、 AlGaAs、 InGaP或 InP中任意一种， 其中， 所述 SiGe 中 Ge的组分可调， 所述缓冲层的厚度不超过其在所述单层的掺杂 单晶薄膜 2上生长的临界 厚度。 本实施例中缓冲层优选为 SiGe单晶材料。

使用本发明制备绝缘体上材料， 掺杂超薄单晶薄膜能更加有效地吸附注入离子 ， 使离子 的注入剂量能够更低， 在更低的退火温度下形成微裂纹以致剥离， 得到的绝缘体上材料表面 粗糙度低， 缺陷少， 实现在更低的成本下制备更高质量的超薄绝缘 体上材料。 实施例二

实施例二与实施例一采用基本相同的技术方案 ， 不同之处在于二者制备的掺杂单晶薄膜 的结构不同。 在实施例一中， 所述掺杂单晶薄膜为单层， 而在本实施例中， 掺杂单晶薄膜为 多层。

请参阅图 7 至图 11， 本发明提供一种利用掺杂超薄层吸附制备超薄 绝缘体上材料的方 法， 该方法至少包括以下步骤：

步骤一， 请参阅图 7， 如图所示， 提供第一衬底 1， 采用化学气相沉积法、 物理气相沉 积法或者分子束外延法， 在所述第一衬底 1上依次外延生长一多层的掺杂单晶薄膜 2和一顶 层薄膜 3。 具体的， 所述多层的掺杂单晶薄膜 2 由多个双层薄膜叠加而成， 所述双层薄膜的 材料选自 Si/Ge、 Si/SiGe、 Ge/SiGe、 Ge/GaAs、 GaAs/AlGaAs 或 InP/InGa 中任意一种， 其 中， 所述 SiGe中 Ge的组分可调， 本实施例将以 Si/SiGe双层薄膜叠加而成的多层的掺杂单 晶薄膜为例进行说明。 首先在所述第一衬底 1上外延生长一 Si层 211， 其次在所述 Si层 211 上外延生长一 Ge组分 X取值为 xl的 81 ₁ _ ₅ ^6 _5{ 层212， 其中， 0<χ≤1， 形成 Si/Si^Gex双层薄 膜 21， 然后依据制备所述 层薄膜 21 的相同手段， 在所述 Si/Si^Gex双层薄膜 21上制备出 Ge组分 X取值相同或不相同 （即 xl、 x2、 x3、 …… xn中任意两个的取值可以 相等也可以互不相等） 的多个 Si/Si^Gex双层薄膜； 同时， 在制备所述多个 Si/Si^Gex双层 薄膜时通入掺杂气体， 而后， 所述第一衬底 1上得到 n个 层薄膜叠加而成的多 层的掺杂单晶薄膜 2， 其中， n的范围是 3〜10， 所述多层的掺杂单晶薄膜 2的总厚度小于 10 nm。 在本实施例中， 优选 n=4， 即所述多层的掺杂单晶薄膜 2包括所述 层薄膜 21、 22、 23和 24。

步骤一完成之后， 请参阅图 8 至图 11， 如图所示， 执行与实施例一中基本相同的步骤 二、 步骤三和步骤四， 得到超薄绝缘体上材料。

在另一实施方式中， 于所述步骤一中还包括在所述多层的掺杂单晶 薄膜 2上外延生长一 缓冲层 （未图示） 的步骤， 以及于所述步骤四中还包括去除残余的缓冲层 及掺杂单晶薄膜的 步骤。 缓冲层的存在能避免剥离裂纹影响绝缘体上材 料的晶体质量。 具体的， 缓冲层的材料 选自 Si、 Ge、 SiGe、 SiGeC、 GaAs、 AlGaAs、 InGaP或 InP中任意一种， 其中， 所述 SiGe 中 Ge的组分可调， 所述缓冲层的厚度不超过其在所述多层的掺杂 单晶薄膜 2上生长的临界 厚度。 本实施例中缓冲层优选为 SiGe单晶材料。

使用本发明制备绝缘体上材料， 掺杂超薄单晶薄膜能更加有效地吸附注入离子 ， 使离子 的注入剂量能够更低， 在更低的退火温度下形成微裂纹以致剥离， 得到的绝缘体上材料表面 粗糙度低， 缺陷少， 其中， 多层的掺杂单晶薄膜相对于单层的更有利于对 注入离子的吸附。

综上所述， 本发明的利用掺杂超薄层吸附制备超薄绝缘体 上材料的方法， 利用超薄掺杂 单晶薄膜对注入离子的吸附作用， 形成微裂纹以致剥离， 剥离裂纹发生在超薄层处， 裂纹很 小， 剥离后绝缘体上材料表面粗糙度小， 且离子被超薄层有效吸附， 分布更均匀， 从而使得 到的绝缘体上材料或绝缘体上改性材料中缺陷 更少， 此外， 杂质增强了超薄单晶薄膜对离子 的吸附能力， 使离子的注入剂量能够更低， 剥离的退火温度也更低， 有效降低了对顶层薄膜 的损伤， 从而使得到的绝缘体上材料质量更高， 同时又降低了成本。 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。