[發明專利]GOI結構的制備方法

有效

• 申請號: 201310724017.7
• 申請日: 2013-12-24
• 公開（公告）號: CN103646909A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 張苗;陳達;薛忠營;王剛;郭慶磊;葉林;狄增峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L21/762
• 分類號: H01L21/762
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術領域

本發明屬于半導體制造領域，涉及一種GOI結構的制備方法。

背景技術

硅作為現在最廣泛應用的半導體材料，它的優點是多方面的。1）硅的地球儲量很大，所以原料成本低廉。2）硅的提純工藝歷經60年的發展，已經達到目前人類的最高水平。3）Si/SiO₂的界面可以通過氧化獲得，非常完美。通過后退火工藝可以獲得極其完美的界面。4）關于硅的摻雜和擴散工藝，研究得十分廣泛，前期經驗很多。硅材料的不足是：硅本身的電子和空穴遷移速度在未來很難滿足更高性能半導體器件的需求。氧化硅由于介電常數較低，當器件微小化以后，將面臨介電材料擊穿的困境，尋找替代介電材料是當務之急。硅屬于間接帶隙半導體，光發射效率不高。

鍺作為最早被研究的半導體材料，具有以下優點：1）空穴遷移率最大，是硅的四倍；電子遷移率是硅的兩倍。2）禁帶寬度比較小，有利于發展低電壓器件。3）施主/受主的激活溫度遠低于硅，有利于節省熱預算。4）小的波爾激子半徑，有助于提高它的場發射特性。5）小的禁帶寬度，有助于組合介電材料，降低漏電流。但是鍺屬于較為活潑的材料，它和介電材料的界面容易發生氧化還原反應，生成GeO，產生較多缺陷，進而影響材料的性能；鍺由于儲量較少，所以直接使用鍺作襯底是不合適的，因此必須通過GeOI（絕緣體上鍺）技術，來發展未來器件。

絕緣體上鍺(GOI)是高端硅基襯底材料領域的一項最新開發成果，它對高性能CMOS?IC以及光電探測器和太陽能電池都具有十分重要的意義。能用作光電探測器GOI（鍺吸收850nm波長的光的效率是硅的70倍），而且也能用來制作高速晶體管。基于鍺材料的晶體管的轉換速度能比硅的大3到4倍。由于鍺金屬能提高材料的電子遷移率，在未來的高速邏輯IC應用上，鍺材料遠景看好。GOI用作制造高速光電探測器（運行在30GHz），這使其理論上適用于探測速度大于50Gb/sec的信號，使芯片上的光互連更接近現實。

GOI技術能和硅CMOS工藝兼容，因為鍺能夠有選擇的放置在光電探測器所在的區域，所以新的探測器與標準的微芯片技術兼容。這種兼容性使得有可能在同一塊芯片上集成光電電路，比如在微處理器和其他電子器件上。目前主要被關注于以下幾個領域：GOI高速CMOS器件、高頻CMOS器件、光電探測器以及太陽能電池等。幾十年前人們就知道了鍺與硅相比所具有的速度優勢；然而，鍺氧化層的不穩定性使得當時制作MOS器件不太可行。如今，新一代的高k介質淀積技術，加上這些新的GOI襯底，給器件生產商在使用鍺上有更多的靈活性，從而回避了MOS柵氧問題。體鍺晶圓要比硅重，且易碎，GOI有助于克服這些問題，并使鍺MOSFET技術與硅處理設備相兼容。應用于鍺施主的外延方法可以輕易地將其等比變化至300mm，但晶體缺陷可能會很高。對鍺表面進行處理是一項十分艱巨的任務，因為典型的硅清洗溶液會對鍺表面造成腐蝕，使表面變得粗糙。盡管已證實可用硅加工設備對GOI進行處理，且0.15微米器件已經制作成功，但MOSFET的Ion/Ioff比值卻十分不理想，而且遷移率值也需要進一步改善。鍺表面上的MOSFET質量是一個問題，但由于鍺的禁帶寬度很小(0.66eV)，所以鍺器件也承受著大漏電流的致命缺點，這也嚴重阻礙了鍺MOS器件的更廣泛的應用，GOI技術必須解決由于鍺較窄的帶隙對結的漏泄和帶-帶調諧帶來的影響。如同SOI解決了很多體硅在半導體器件中的不足，GOI同樣也是很好地解決了Ge材料缺點的候選材料。為了得到低漏電流和更好的性能的MOS器件，GOI因此得到了關注。

一些科研結構和公司通過很多方法已經制備出GOI結構，例如，歐洲半導體領域三巨頭Soitec、IMEC和Umicore宣布聯合開發GOI技術，Umicore側重于研發8和12英寸單晶Ge晶片，而Soitec用Smart?Cut技術研發GOI晶片，IMEC重點研究以Ge基工藝制備應用于45納米及以下制程的高性能CMOS電路。Silicon?Genesis也宣稱他們正在研制GOI圓片，IBM宣布開發了一種基于新開發的GOI技術的高速光電探測器，他們制造GOI的方法是直接在很薄的SOI上生長鍺。

然而目前這些方法都有很多局限性。對于鍺濃縮方法制備GOI，傳統鍺濃縮工藝過程中，應力釋放主要發生在SOI頂層Si和外延SiGe的界面，導致穿透位錯密度很高，嚴重影響了最終GOI的質量和后期器件的性能。從穿透位錯的形成機理上來講，是由于濃縮開始時SiGe/Si界面的失配位錯下降到SGOI/BOX界面，進一步濃縮，失配位錯向上穿透形成了穿透位錯。

因此，提供一種新的絕緣體上鍺的制備方法以獲得高質量的GOI結構實屬必要。