[發明專利]一種用于半導體量子計算的應變純化硅襯底及其形成方法

在審

• 申請號: 202011321703.6
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112582256A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 王桂磊;亨利·H·阿達姆松;孔真真;羅雪
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 武悅

本發明公開了一種用于半導體量子計算的應變純化硅襯底及其形成方法，屬于半導體技術領域，用以解決現有技術中外延純化硅受襯底自然硅同位素成分的影響較大、純化硅層電子遷移率較小的問題。應變純化硅襯底包括自然硅襯底、絕緣層和應變純化硅層，應變純化硅層中引入張應力。形成方法為在基礎襯底上外延形成多層硅鍺緩沖層，多層硅鍺緩沖層中的鍺摻雜濃度逐漸增加，在硅鍺緩沖層上形成應變純化硅層，得到施主襯底；提供自然硅襯底；在施主襯底和/或自然硅襯底上形成絕緣層；將施主襯底與自然硅襯底鍵合，去除硅鍺緩沖層和基礎襯底，得到應變純化硅襯底。該應變純化硅襯底和形成方法可用于半導體量子計算。

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，特別涉及一種用于半導體量子計算的應變純化硅襯底及其形成方法。

背景技術

集成電路沿摩爾定律不斷發展，現階段特征尺寸已達5nm及以下。在小尺寸下，電路散熱的“熱耗效應”使經典計算產生計算上限，同時小尺寸下將產生“尺寸效應”使經典物理規律也不再適用。量子計算可借助量子力學的疊加特性，實現計算狀態的疊加，其不僅具備經典計算的0和1模式，同時包含其疊加態，由于這種特性其可實現一鍵式處理多個輸入的強并行性，相比傳統程序，呈現指數級的加速。量子計算成為取代經典計算的重要研究方向之一。

量子計算依托于量子計算芯片，半導體量子計算芯片制造可兼容現有半導體工藝，實現微小尺寸結構的制備，在高密度、大尺寸以及大規模生產方面具備極大的優勢，是量子計算芯片的極具研究前景與應用前景的方向之一。而提供高質量的可用于制備量子計算芯片的襯底材料是實現量子計算芯片的基礎，也是半導體量子計算芯片實現的重要研究內容之一。

現有技術中，通常采用外延方案在自然硅上外延純化硅層，外延純化硅受襯底自然硅同位素成分的影響較大，此外，直接外延形成的純化硅層，不具有張應力，因此，電子遷移率較小。

發明內容

鑒于以上分析，本發明旨在提供一種用于半導體量子計算的應變純化硅襯底及其形成方法，用以解決現有技術中外延純化硅受襯底自然硅同位素成分的影響較大、純化硅層電子遷移率較小的問題。

本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的：

本發明提供了一種用于半導體量子計算的應變純化硅襯底，包括依次層疊的自然硅襯底、絕緣層和應變純化硅層，應變純化硅層中引入張應力。

進一步地，上述應變純化硅(²⁸Si)層中純化硅的純度≥99.9％，應變純化硅層采用SiH₄減壓化學氣相沉積方法外延形成。

進一步地，上述應變純化硅層中純化硅(²⁸Si)為純度≥99.999％。

進一步地，絕緣層采用介電常數大于或等于自然硅氧化硅的高k介質材料。

進一步地，絕緣層采用自然硅氮化硅、純化硅氮化硅、自然硅氧化硅(SiO₂)、純化硅氧化硅(²⁸SiO₂)和氧化鋁中的一種或多種。

進一步地，絕緣層為單層結構，絕緣層為自然硅氮化硅層、純化硅氮化硅層、自然硅氧化硅層、純化硅氧化硅層或氧化鋁層；或者，絕緣層為復合結構，絕緣層包括依次層疊的自然硅氧化硅層和純化硅氧化硅層。

進一步地，上述絕緣層為雙層結構，包括依次層疊在自然硅襯底上的自然硅氧化硅層和純化硅氧化硅層，自然硅氧化硅層靠近自然硅襯底，純化硅氧化硅層靠近應變純化硅層，或者，包括依次層疊在自然硅襯底上的自然硅氮化硅層和純化硅氮化硅層，自然硅氮化硅層靠近自然硅襯底，純化硅氮化硅層靠近應變純化硅層。

進一步地，上述絕緣層包括依次層疊在自然硅襯底上的自然硅氮化硅層和氧化鋁層。

本發明還提供了一種用于半導體量子計算的應變純化硅襯底的形成方法，包括如下步驟：