专利名称：一种半导体锗基衬底材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于超大规模集成电路工艺制造技术领域，具体涉及一种锗基衬底材料及其制备方法。
背景技术：
随着器件尺寸地不断缩小，载流子迁移率退化成为影响器件性能提升的关键因素之一。与硅材料相比，锗材料具有较低的载流子有效质量，更高、更加对称的低场载流子迁移率，能带宽度窄，而且与硅CMOS工艺兼容，因此，锗基器件是高速MOSFET器件一个很有希望的方向。为了实现更好的器件特性，锗基衬底材料的制备也是当前关注的热点之一。绝缘体上的锗材料(GeOI)由于结合了体锗材料和绝缘体上的硅材料(SOI)的优势，成为当前工业界和学术界的关注焦点之一，人们也提出了不同的制备方法，如锗聚集技术等。然而，锗与SiO2界面接触特性较差，从而会使相应的器件性能退化。对于SOI器件，漏还会通过隐埋氧化层影响沟道电势，因而DIBL效应加剧，器件性能进一步退化。虽然减小埋层的厚度可抑制DIBL效应，但会增大源漏与衬底之间的寄生电容，使得器件性能退化。 因此对于GeOI材料，改变埋层介质材料是改善器件性能的有效方式。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种多孔层上锗基衬底材料及其制备方法。本发明的技术方案是一种半导体锗基衬底材料，其特征在于，包括一半导体基片，在半导体基片上形成一多孔层，在多孔层上设有半导体锗片，形成多孔层上锗基衬底材料。所述半导体基片是硅片或者锗片，半导体基片上的多孔层厚度范围为 30nm-400nm。在半导体锗层与多孔层之间可设有一钝化层。所述钝化层为氮氧锗，其厚度为 0. 7nm-3nm。锗片为体锗片或硅上外延锗片。一种半导体锗基衬底材料的制备方法，包括以下步骤1)采用多孔硅或多孔锗技术，在半导体基片形成一多孔层；2)半导体锗片上形成表面钝化层(氮氧锗层)；3)对半导体锗片进行H+注入；4)将半导体基片的位于多孔层一面与半导体锗片的位于氮氧锗层一面进行低温键合；5)对上述键合片进行热处理，温度为400-600°C，使半导体锗片在H+注入射程分布峰值处剥离，从而形成多孔层上锗基衬底结构。6)对上述多孔层上锗基衬底退火处理来增加键合强度，并再利用CMP技术抛光，以完成半导体锗基衬底材料的制备。所述H+注入射程分布峰值距离锗片表面在30-150nm之间，注入剂量在 lel6-lel7cnT2 之间。其中，所述半导体基片与半导体锗片键合温度一股为150-300°C。所述退火温度150_250°C，退火时间为5_150h。与现有技术相比，本发明的有益效果是1)多孔层的介电常数约为1. 0，是最理想的埋层。2)利用了多孔层的低介电常数，在多孔层上形成Ge衬底材料，可以有效减小漏端通过埋层对沟道和源端的电势耦合作用，从而有效抑制DIBL效应；3)降低源漏和衬底的寄生电容改善器件速度特性；4)减小了寄生电容，降低了漏电，功耗更低；5)消除了闩锁效应；6)抑制衬底脉冲电流的干扰；7)避免了锗与二氧化硅界面接触特性差的问题；8)本发明提供的这种半导体锗基衬底材料的制备方法，巧妙利用智能剥离技术在多孔绝缘层上制备超薄的半导体锗材料。这样既解决了运用BESOI技术时减薄的困难，同时又兼顾了 SIMOX技术和键合技术的优点。9)制备工艺简单，且与传统硅工艺兼容。
图1是本发明半导体锗基衬底材料的结构示意图；图2是本发明制备工艺流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述图1是本发明半导体锗基衬底材料的示意图。其中包括半导体基片1，其上形成的多孔层2，半导体锗片3，以及界面处的钝化层4。图2是本发明制作半导体锗基衬底材料的各步骤工艺流程图。本发明制作半导体锗基衬底材料的方法包括如下步骤步骤一半导体基片1上形成多孔层2，如图2(a)所示。采用多孔硅或者多孔锗技术在半导体基片1上形成多孔层2。多孔层2的厚度和孔密度由电解条件决定，一股控制多孔层2厚度在30nm至400nm之间，且孔密度在30%至 97%之间。步骤二 半导体锗片3上生成氮氧锗钝化层4 (GeON)，如图2(b)所示。对半导体锗片3进行表面处理，首先用1 50的HF漂去表面的自然氧化层，再生长一层氮氧锗层4作为健合的表面钝化层，有助于改善半导体锗片3和半导体基片1的界面质量，从而改善制备的半导体衬底材料的质量。氮氧锗层4的厚度为0. 7-3nm。本实施例中制备氮氧锗层4的方法是，首先，半导体锗片3在氧气中退火，温度为 500-600°C，生成氧化锗。氧化锗的厚度由退火时间决定，一股控制在IOs至aiiin。然后通入氮气排空氧气，同时温度降为300至400°C。最后锗片4在氨气气氛中退火600°C，时间 30s-aiiin，引入氮以生成氮氧锗层4。同时，氮的引入不局限于在氨气中退火，也可以采用在 Ν20、Ν0中退火的方法，或者是用ICP方法引入高密度的反应离子氮。另外，也可以采用不做氧化，直接在氨气气氛中退火以生成氮氧锗层4的方法。步骤三对半导体锗片3中进行H+注入，如图2(c)所示。在半导体锗片3中注入H+后，在后续剥离热处理过程中会在注入的投影射程分布峰值处5形成空腔层，从而实现半导体锗片3从半导体基片1上智能剥离。智能剥离的位置由注入H+的能量决定，一股控制H+注入射程分布峰值在距离半导体锗片3表面30-150nm 之间。注入氢的剂量在lel6 Ie 17cm"2之间。步骤四半导体基片1与半导体锗片3低温键合，如图2(d)所示。将半导体基片1的位于多孔层2 —面与半导体锗片3的位于氮氧锗层4 一面进行低温键合，为了防止界面变差、锗外扩散和注入的氢形成空腔层，采用低温健合工艺，键合温度一股为150-300°C。步骤五采用智能剥离技术，形成多孔层上的锗基衬底材料结构，如图2(e)所示。对键合片进行热处理，温度为400-600°C，使半导体锗片3在H+注入射程分布峰值 (Rp)处5起泡剥离，使半导体锗片3上的一薄层单晶Ge转移到半导体基片1上键合形成多孔层上锗基衬底材料结构，如图2(f)所示。半导体锗片3剩余部分可以继续使用。步骤六进一步退火处理来增加键合强度，并利用CMP技术再抛光。通过退火处理来增加键合强度，一股为150_250°C，退火时间为5_150h。为改善表面状况及均勻性，需再利用CMP技术抛光。至此完成该半导体锗基衬底材料的制备。以上通过详细实施例描述了本发明所提供的半导体锗基衬底材料，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变换或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。
权利要求
1.一种半导体锗基衬底材料，其特征在于，包括一半导体基片，在半导体基片上形成一多孔层，在多孔层上设有半导体锗片，形成多孔层上锗基衬底材料。
2.如权利要求1所述的半导体锗基衬底材料，其特征在于，所述半导体基片是硅片或者锗片。
3.如权利要求1或2所述的半导体锗基衬底材料，其特征在于，所述多孔层厚度范围为 30nm-400nm。
4.如权利要求1所述的半导体锗基衬底材料，其特征在于，所述半导体锗片与多孔层之间有一钝化层。
5.如权利要求4所述的半导体锗基衬底材料，其特征在于，所述钝化层为氮氧锗，其厚度为 0. 7nm-3nm。
6.如权利要求1所述的半导体锗基衬底材料，其特征在于，所述锗片为体锗片或硅上外延锗片。
7.一种半导体锗基衬底材料的制备方法，包括以下步骤1)采用多孔硅或多孔锗技术，在半导体基片上形成一多孔层；2)半导体锗片上形成氮氧锗层；3)对半导体锗片进行H+注入；4)将半导体基片的位于多孔层一面与半导体锗片的位于氮氧锗层一面进行低温键合；5)对上述键合结构进行热处理，温度为400-600°C，使半导体锗片在H+注入射程分布峰值处剥离，从而形成多孔层上锗基衬底；6)对上述多孔层上锗基衬底材料进行退火处理，并利用CMP技术抛光。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤3)H+注入射程分布峰值在距离锗片表面30-150nm之间，注入剂量在lel6-lel7cnT2之间。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，步骤4)低温键合温度为150-300°C。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤6)中退火温度150-250°C，退火时间为5-150h。
全文摘要
本发明提供一种半导体锗基衬底材料及其制备方法，属于超大规模集成电路制造技术领域。本发明在半导体基片上形成一多孔层，在多孔层上设置半导体锗片，形成多孔层上半导体锗基衬底材料。本发明利用多孔层的低介电常数，在多孔层上形成半导体锗基衬底材料，可有效减小漏端通过埋层对沟道电势的耦合作用，从而有效抑制DIBL效应，并可降低源漏和衬底的寄生电容，改善器件速度特性。同时，本发明提供了这种半导体锗基衬底材料的制备方法，巧妙利用智能剥离技术在多孔绝缘层上制备超薄的半导体锗材料。这样既解决了运用BESOI技术时减薄的困难，同时又兼顾了SIMOX技术和键合技术的优点。
文档编号H01L27/12GK102237369SQ20101015136
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者安霞, 张兴, 杜菲, 郭岳, 黄如 申请人:北京大学