一种用于半导体量子计算的纯化硅衬底及其形成方法与流程

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种用于半导体量子计算的纯化硅衬底及其形成方法。

背景技术：

集成电路沿摩尔定律不断发展，现阶段特征尺寸已达5nm及以下。在小尺寸下，电路散热的“热耗效应”使经典计算产生计算上限，同时小尺寸下将产生“尺寸效应”使经典物理规律也不再适用。量子计算可借助量子力学的叠加特性，实现计算状态的叠加，其不仅具备经典计算的0和1模式，同时包含其叠加态，由于这种特性其可实现一键式处理多个输入的强并行性，相比传统程序，呈现指数级的加速。量子计算成为取代经典计算的重要研究方向之一。

量子计算依托于量子计算芯片，半导体量子计算芯片制造可兼容现有半导体工艺，实现微小尺寸结构的制备，在高密度、大尺寸以及大规模生产方面具备极大的优势，是量子计算芯片的极具研究前景与应用前景的方向之一。而提供高质量的可用于制备量子计算芯片的衬底材料是实现量子计算芯片的基础，也是半导体量子计算芯片实现的重要研究内容之一。

现有技术中，通常采用外延方案在自然硅上外延纯化硅，外延纯化硅受衬底自然硅同位素成分的影响较大。

技术实现要素：

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种用于半导体量子计算的纯化硅衬底及其形成方法，用以解决现有技术中外延纯化硅受衬底自然硅同位素成分的影响较大的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种用于半导体量子计算的纯化硅衬底，包括依次层叠的自然硅衬底、绝缘层和纯化硅层。

进一步地，上述纯化硅(²⁸si)层中纯化硅的纯度≥99.9％，纯化硅层采用sih4减压化学气相沉积方法外延形成。

进一步地，上述纯化硅层中纯化硅(²⁸si)为纯度≥99.999％。

进一步地，绝缘层采用介电常数大于或等于自然硅氧化硅的高k介质材料。

进一步地，绝缘层采用自然硅氮化硅、纯化硅氮化硅、自然硅氧化硅(sio2)、纯化硅氧化硅(²⁸sio2)和氧化铝中的一种或多种。

进一步地，绝缘层为单层结构，绝缘层为自然硅氮化硅层、纯化硅氮化硅层、自然硅氧化硅层、纯化硅氧化硅层或氧化铝层；或者，绝缘层为复合结构，绝缘层包括依次层叠的自然硅氧化硅层和纯化硅氧化硅层。

进一步地，上述绝缘层为双层结构，包括依次层叠在自然硅衬底上的自然硅氧化硅层和纯化硅氧化硅层，自然硅氧化硅层靠近自然硅衬底，纯化硅氧化硅层靠近纯化硅层，或者，包括依次层叠在自然硅衬底上的自然硅氮化硅层和纯化硅氮化硅层，自然硅氮化硅层靠近自然硅衬底，纯化硅氮化硅层靠近纯化硅层。

本发明还提供了一种用于半导体量子计算的纯化硅衬底的形成方法，包括如下步骤：

提供一基础衬底，在基础衬底上外延形成纯化硅层，得到施主衬底；

提供一自然硅衬底；

在施主衬底和/或自然硅衬底上形成至少一层绝缘层；

将施主衬底与自然硅衬底键合(将形成有绝缘层的施主衬底与自然硅衬底键合，或者，将施主衬底与形成有绝缘层的自然硅衬底键合，或者，将形成有绝缘层的施主衬底与形成有绝缘层的自然硅衬底键合)，绝缘层所在侧为键合侧，基础衬底和自然硅衬底均位于表面，去除基础衬底或去除基础衬底和部分纯化硅层，得到上述纯化硅衬底。

进一步地，基础衬底为常规自然硅衬底，或者，基础衬底包括依次层叠的自然硅基础衬底、介质层和自然硅层。

进一步地，介质层为sio2层或sin层；当介质层为sio2时，基础衬底为soi衬底。

进一步地，介质层为单层结构，介质层为sio2层或sin层；或者，介质层为复合结构，介质层包括依次层叠的sio2层和sin层。

进一步地，在施主衬底和/或自然硅衬底上形成至少一层绝缘层是指绝缘层可以全部生长于施主衬底或自然硅衬底上，也可以一部分生长于施主衬底部，另一部分分生长于自然硅衬底上。

进一步地，键合为压力键合、扩散键合、静电键合、室温预键合和高温键合(键合温度高于室温)、低温键合(键合温度低于室温)或其他任意键合方式。

进一步地，基础衬底中自然硅层的厚度为20nm以下。

进一步地，在基础衬底上外延形成纯化硅层之前还包括如下步骤：

对自然硅层进行减薄，使得减薄后的自然硅层厚度在20nm以下。

进一步地，基础衬底包括依次层叠的自然硅基础衬底、介质层和自然硅层，上述去除基础衬底采用减薄的方式，减薄包括如下步骤：

对键合后的施主衬底与自然硅衬底依次去除自然硅基础衬底、介质层和自然硅层。

进一步地，采用磨抛、干法刻蚀、化学机械抛光和湿法刻蚀中的一种或多种任意组合的方式去除自然硅基础衬底。

进一步地，采用湿法腐蚀(例如，湿法腐蚀溶液为hf溶液或boe溶液)去除介质层。

进一步地，采用干法刻蚀和湿法腐蚀、湿法腐蚀、氧化和湿法腐蚀这三种方式中的一种去除自然硅层。

进一步地，基础衬底包括依次层叠的自然硅基础衬底、介质层和自然硅层，上述去除基础衬底采用智能剥离的方式，在将施主衬底与自然硅衬底键合之前还包括如下步骤：

对施主衬底进行离子注入(例如，氢离子注入)，离子注入形成的剥离深度在纯化硅层、自然硅层与纯化硅层的界面或者自然硅层内。

进一步地，智能剥离后还包括如下步骤：

采用化学机械抛光、干法刻蚀和湿法腐蚀、湿法腐蚀、氧化和湿法腐蚀这四种方式中的一种进行平滑处理。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)由于自然硅衬底中的自然硅仍然属于半导体，在制备器件时不可避免地会存在更多的寄生效应，本发明提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底，在自然硅衬底与纯化硅层之间设有绝缘层，绝缘层的设置，具有更好的寄生效应等的隔绝能力，能够对自然硅衬底和纯化硅层进行电学隔离，减少自然硅衬底对纯化硅层的影响，从而能够有效提升半导体量子计算芯片的退相干时间，提高半导体量子计算芯片的品质。

b)由于量子计算可借助量子力学的叠加特性，实现计算状态的叠加，其不仅具备经典计算的0和1模式，同时包含其叠加态，这种特性能够实现一键式处理多个输入的强并行性，相比传统程序，呈现指数级的加速。高品质半导体量子计算芯片基础是高品质的纯化硅衬底，本发明提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底为高品质半导体量子计算芯片的实验提供了基础保障，有助于推动量子芯片以及量子计算的发展，具备极大的研究意义与经济效益。

c)本发明提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底，采用高纯度的²⁸sih4形成纯化硅层，能够进一步提高纯化硅层的纯度，从而进一步提升半导体量子计算芯片操控比特的退相干时间。

d)本发明提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底，采用双层结构的绝缘层，相较于多层结构，绝缘层的结构和形成工艺较为简单，且自然硅氧化硅和自然硅氮化硅的成本低于纯化硅氮化硅和纯化硅氮化硅；同时，在靠近纯化硅层设置纯化硅氧化硅层或纯化硅氮化硅层，能够进一步隔绝自然硅氧化硅层或自然硅氮化硅层对纯化硅层的影响，从而能够在保证隔绝效果的基础上，有效降低绝缘层的生产成本，进而降低上述用于半导体量子计算的纯化硅衬底的整体生产成本。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底的形成方法的过程图；

图2为本发明实施例二提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底的形成方法的过程图；

图3为本发明实施例三提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底的形成方法的过程图；

图4为本发明实施例四提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底的形成方法的过程图；

图5为本发明实施例五提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底的形成方法的过程图；

图6为本发明实施例六提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底的形成方法的过程图；

图7为本发明实施例七提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底的形成方法的过程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明提供了一种用于半导体量子计算的纯化硅衬底，包括依次层叠的自然硅衬底、绝缘层和纯化硅层。

另外，需要说明的是，纯化硅(²⁸si)：指进行同位素提纯的si材料，采用²⁸sih4(纯度≥99.999％)在低温减压化学气相淀积(rpcvd)设备进行外延。

与现有技术相比，由于自然硅衬底中的自然硅仍然属于半导体，在制备器件时不可避免地会存在更多的寄生效应，本发明提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底，在自然硅衬底与纯化硅层之间设有绝缘层，绝缘层的设置，具有更好的寄生效应等的隔绝能力，能够对自然硅衬底和纯化硅层进行电学隔离，减少自然硅衬底对纯化硅层的影响，从而能够有效提升半导体量子计算芯片的退相干时间，提高半导体量子计算芯片的品质。

此外，由于量子计算可借助量子力学的叠加特性，实现计算状态的叠加，其不仅具备经典计算的0和1模式，同时包含其叠加态，这种特性能够实现一键式处理多个输入的强并行性，相比传统程序，呈现指数级的加速。高品质半导体量子计算芯片基础是高品质的纯化硅衬底，本发明提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底为高品质半导体量子计算芯片的实验提供了基础保障，有助于推动量子芯片以及量子计算的发展，具备极大的研究意义与经济效益。

为了进一步提升半导体量子计算芯片的退相干时间，上述纯化硅(²⁸si)层为纯度≥99.9％(例如，纯化硅的纯度≥99.999％)的²⁸sih4采用减压化学气相沉积(rpcvd)方法外延形成。这样，采用高纯度的²⁸sih4形成纯化硅层，能够进一步提高纯化硅层的纯度，从而进一步提升半导体量子计算芯片操控比特的退相干时间。

对于绝缘层的材料，具体来说，其可以采用介电常数大于或等于自然硅氧化硅的高k介质材料，例如，自然硅氮化硅、纯化硅氮化硅、自然硅氧化硅(sio2)、纯化硅氧化硅(²⁸sio2)和氧化铝中的一种或多种。也就是说，上述绝缘层可以为单层结构，例如，绝缘层为自然硅氮化硅层、纯化硅氮化硅层、自然硅氧化硅层、纯化硅氧化硅层或氧化铝层；或者，上述绝缘层可以为复合结构，例如，绝缘层包括依次层叠的自然硅氧化硅层和纯化硅氧化硅层，需要说明的是，对于复合结构的绝缘层，其组合可以有多种，在此不一一列举。

从隔绝效果和生产成本的角度考虑，上述绝缘层为双层结构，包括依次层叠在自然硅衬底上的自然硅氧化硅层和纯化硅氧化硅层，自然硅氧化硅层靠近自然硅衬底，纯化硅氧化硅层靠近纯化硅层，或者，包括依次层叠在自然硅衬底上的自然硅氮化硅层和纯化硅氮化硅层，自然硅氮化硅层靠近自然硅衬底，纯化硅氮化硅层靠近纯化硅层。这是因为，采用双层结构相较于多层结构，绝缘层的结构和形成工艺较为简单，且自然硅氧化硅和自然硅氮化硅的成本低于纯化硅氮化硅和纯化硅氮化硅；同时，在靠近纯化硅层设置纯化硅氧化硅层或纯化硅氮化硅层，能够进一步隔绝自然硅氧化硅层或自然硅氮化硅层对纯化硅层的影响，从而能够在保证隔绝效果的基础上，有效降低绝缘层的生产成本，进而降低上述用于半导体量子计算的纯化硅衬底的整体生产成本。

本发明提供了一种用于半导体量子计算的纯化硅衬底的形成方法，包括如下步骤：

提供一基础衬底，在基础衬底上外延形成纯化硅层，得到施主衬底；

提供一自然硅衬底；

在施主衬底和/或自然硅衬底上形成至少一层绝缘层；

将形成有绝缘层的施主衬底与自然硅衬底键合(例如，压力键合、扩散键合或其他键合方式)，或者，将施主衬底与形成有绝缘层的自然硅衬底键合，例如，压力键合、扩散键合、静电键合、室温预键合和高温键合(键合温度高于室温)、低温键合(键合温度低于室温)或其他任意键合方式，或者，将形成有绝缘层的施主衬底与形成有绝缘层的自然硅衬底键合；

绝缘层所在侧为键合侧，基础衬底和自然硅衬底均位于表面；

去除基础衬底或去除基础衬底和部分纯化硅层，得到上述纯化硅衬底。

需要说明的是，在施主衬底和/或自然硅衬底上形成至少一层绝缘层是指绝缘层可以全部生长于施主衬底或自然硅衬底上，也可以一部分生长于施主衬底部，另一部分分生长于自然硅衬底上。

与现有技术相比，本发明提供的用于半导体量子计算的纯化硅衬底的形成方法的有益效果与上述用于半导体量子计算的纯化硅衬底的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

对于基础衬底，具体来说，基础衬底可以为常规自然硅衬底，或者，基础衬底包括依次层叠的自然硅基础衬底、介质层(例如，sio2层或sin层)和自然硅层，当介质层为sio2时，基础衬底为soi衬底，需要说明的是，自然硅层为常规硅层，成分包括si同位素²⁸si、²⁹si和³⁰si。

其中，介质层为单层结构或者复合结构。具体来说，对于单层结构的介质层，其可以为sio2层或sin层；对于复合结构的介质层，其可以包括依次层叠的sio2层和sin层。需要说明的是，介质层中包括sin层，能够进一步引入应力。

考虑到基础衬底在后期需要去除，基础衬底的厚度会影响后期去除的效率和效果，因此，基础衬底中自然硅层的厚度可以控制20nm以下。这是因为，自然硅层作为纯化硅层生长的种子层，采用厚度较薄的自然硅层，有利于后续的去除基础衬底的实现。

或者，考虑到基础衬底在后期需要去除，对自然硅衬底厚度的控制也可以采用以下方法，在基础衬底上外延形成纯化硅层之前还包括如下步骤：

对基础衬底中的自然硅层进行减薄，使得减薄后的自然硅层厚度在20nm以下。

采用减薄的方式对自然硅层的厚度进行控制，同样有利于后续的去除基础衬底的实现。

具体来说，基础衬底包括依次层叠的自然硅基础衬底、介质层和自然硅层，上述去除基础衬底采用减薄的方式，减薄包括如下步骤：

对键合后的施主衬底与自然硅衬底依次去除自然硅基础衬底、介质层和自然硅层。

示例性地，采用磨抛、干法刻蚀、化学机械抛光和湿法刻蚀中的一种或多种任意组合的方式去除自然硅基础衬底。这是因为，自然硅基础衬底的厚度较大，采用多种去除方式(磨抛、干法刻蚀、化学机械抛光和湿法刻蚀)，能够对自然硅基础衬底进行有效地减薄，去除自然硅基础衬底后能够获得质量较好的结构。

采用湿法腐蚀(例如，湿法腐蚀溶液为hf溶液或boe溶液)去除介质层。

对于去除自然硅层，采用干法刻蚀和湿法腐蚀、湿法腐蚀、氧化和湿法腐蚀这三种方式中的一种去除自然硅层。具体来说，第一种方式，采用干法刻蚀去除自然硅层(可过刻蚀)，然后采用湿法腐蚀使得干法刻蚀后的表面平滑；第二种方式，采用硅腐蚀液去除自然硅层；第三种方式，氧化去除自然硅层，对氧化后所得的氧化硅进行腐蚀去除。

同样的，基础衬底包括依次层叠的自然硅基础衬底、介质层和自然硅层，上述去除基础衬底采用智能剥离(smartcut)的方式，在将施主衬底与自然硅衬底键合之前还包括如下步骤：

对施主衬底进行离子注入(例如，氢离子注入)，离子注入形成的剥离深度在纯化硅层、自然硅层与纯化硅层的界面或者自然硅层内。

值得注意的是，智能剥离后的结构表面可能不平滑或存在部分自然硅层，因此，智能剥离后还包括如下步骤：

采用化学机械抛光、干法刻蚀和湿法腐蚀、湿法腐蚀、氧化和湿法腐蚀这四种方式中的一种进行平滑处理。

实施例一

本实施例的纯化硅衬底包括依次层叠的自然硅衬底、自然硅氧化硅层和纯化硅层，参见图1，具体形成方法包括如下步骤：

步骤1a：提供一基础衬底，对基础衬底中的自然硅层进行减薄，使得减薄后的自然硅层厚度在20nm以下，在减薄后的自然硅层上外延形成纯化硅层，得到施主衬底；

提供一自然硅衬底，在自然硅衬底上形成一层自然硅氧化硅层；

步骤1b：将施主衬底与自然硅衬底压力键合，基础衬底和自然硅衬底均位于表面；

步骤1c：采用磨抛和干法刻蚀去除自然硅基础衬底；

步骤1d：采用湿法腐蚀去除介质层；

步骤1e：采用干法刻蚀去除自然硅层，然后采用湿法腐蚀使得干法刻蚀后的表面平滑，得到上述纯化硅衬底。

实施例二

本实施例的纯化硅衬底包括依次层叠的自然硅衬底、纯化硅氧化硅层和纯化硅层，参见图2，具体形成方法包括如下步骤：

步骤2a：提供一基础衬底，对基础衬底中的自然硅层进行减薄，使得减薄后的自然硅层厚度在20nm以下，在减薄后的自然硅层上外延形成纯化硅层，得到施主衬底；

提供一自然硅衬底，在自然硅衬底上形成一层纯硅氧化硅层；

步骤2b：将施主衬底与自然硅衬底压力键合，基础衬底和自然硅衬底均位于表面；

步骤2c：采用干法刻蚀、化学机械抛光和湿法刻蚀去除自然硅基础衬底；

步骤2d：采用湿法腐蚀去除介质层；

步骤2e：采用干法刻蚀去除自然硅层，然后采用湿法腐蚀使得干法刻蚀后的表面平滑，得到上述纯化硅衬底。

实施例三

本实施例的纯化硅衬底与实施例一提供的纯化硅衬底的结构相同，包括依次层叠的自然硅衬底、自然硅氧化硅层和纯化硅层，参见图3，具体形成方法包括如下步骤：

步骤3a：提供一基础衬底，对基础衬底中的自然硅层进行减薄，使得减薄后的自然硅层厚度在20nm以下，在自然硅层上外延形成纯化硅层，在纯化硅层上形成一层自然硅氧化硅层，得到施主衬底；

提供一自然硅衬底；

步骤3b：将施主衬底与自然硅衬底扩散键合，基础衬底和自然硅衬底均位于表面；

步骤3c：采用磨抛和湿法刻蚀去除自然硅基础衬底；

步骤3d：采用湿法腐蚀去除介质层；

步骤3e：采用硅腐蚀液去除自然硅层，然后采用湿法腐蚀使得干法刻蚀后的表面平滑，得到上述纯化硅衬底。

实施例四

本实施例的纯化硅衬底与实施例二提供的纯化硅衬底的结构相同，包括依次层叠的自然硅衬底、纯化硅氧化硅层和纯化硅层，参见图4，具体形成方法包括如下步骤：

步骤4a：提供一基础衬底，对基础衬底中的自然硅层进行减薄，使得减薄后的自然硅层厚度在20nm以下，在自然硅层上外延形成纯化硅层，在纯化硅层上形成一层纯化硅氧化硅层，得到施主衬底；

提供一自然硅衬底；

步骤4b：将施主衬底与自然硅衬底扩散键合，基础衬底和自然硅衬底均位于表面；

步骤4c：采用化学机械抛光和湿法刻蚀去除自然硅基础衬底；

步骤4d：采用湿法腐蚀去除介质层；

步骤4e：采用硅腐蚀液去除自然硅层，然后采用湿法腐蚀使得干法刻蚀后的表面平滑，得到上述纯化硅衬底。

实施例五

本实施例的纯化硅衬底与实施例一提供的纯化硅衬底的结构相同，包括依次层叠的自然硅衬底、自然硅氧化硅层和纯化硅层，参见图5，具体形成方法包括如下步骤：

步骤5a：提供一基础衬底对基础衬底中的自然硅层进行减薄，使得减薄后的自然硅层厚度在20nm以下，在自然硅层上外延形成纯化硅层，在纯化硅层上形成一层自然硅氧化硅层，得到施主衬底；

提供一自然硅衬底，在自然硅衬底上形成一层自然硅氧化硅层；

步骤5b：对施主衬底进行氢离子注入，氢离子注入形成的剥离深度在纯化硅层；

步骤5c：将施主衬底与自然硅衬底压力键合，基础衬底和自然硅衬底均位于表面；

步骤5d：采用智能剥离的方式去除自然硅基础衬底、介质层和自然硅层，采用干法刻蚀和湿法腐蚀进行平滑处理，得到上述纯化硅衬底。

实施例六

本实施例的纯化硅衬底与实施例二提供的纯化硅衬底的结构相同，包括依次层叠的自然硅衬底、纯化硅氧化硅层和纯化硅层，参见图6，具体形成方法包括如下步骤：

步骤6a：提供一基础衬底对基础衬底中的自然硅层进行减薄，使得减薄后的自然硅层厚度在20nm以下，在自然硅层上外延形成纯化硅层，在纯化硅层上形成一层纯化硅氧化硅层，得到施主衬底；

提供一自然硅衬底，在自然硅衬底上形成一层纯化硅氧化硅层；

步骤6b：对施主衬底进行氢离子注入，氢离子注入形成的剥离深度在纯化硅层；

步骤6c：将施主衬底与自然硅衬底压力键合，基础衬底和自然硅衬底均位于表面；

步骤6d：采用智能剥离的方式去除自然硅基础衬底、介质层和自然硅层，采用湿法腐蚀进行平滑处理，得到上述纯化硅衬底。

实施例七

本实施例的纯化硅衬底包括依次层叠的自然硅衬底、自然硅氧化硅层、纯化硅氧化硅层和纯化硅层，参见图7，具体形成方法包括如下步骤：

步骤7a：提供一基础衬底对基础衬底中的自然硅层进行减薄，使得减薄后的自然硅层厚度在20nm以下，在自然硅层上外延形成纯化硅层，在纯化硅层上形成一层纯化硅氧化硅层，得到施主衬底；

提供一自然硅衬底，在自然硅衬底上形成一层自然硅氧化硅层；

步骤7b：对施主衬底进行氢离子注入，氢离子注入形成的剥离深度在自然硅层与纯化硅层的界面；

步骤7c：将施主衬底与自然硅衬底压力键合，基础衬底和自然硅衬底均位于表面；

步骤7d：采用智能剥离的方式去除自然硅基础衬底、介质层和自然硅层，采用氧化和湿法腐蚀进行平滑处理，得到上述纯化硅衬底。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。