專利名稱：包括基片上覆鍺層的結構體的制造方法
技術領域：
本發明涉及包括基片上覆鍺層的結構體的制造方法。
背景技術：
在微電子、光電子和光電領域中包括基片上覆鍺層的半導體層的制造是特別有 前景的，所述半導體層中在所述鍺層和所述基片之間可以選擇性地插入絕緣層。確實，鍺具有比硅更為有利的電性質，這特別是由于鍺材料中的電荷(電子和 空穴)具有更大的遷移率導致。因此，絕緣體上覆鍺(也稱為GeOI)結構體可有利地用來形成MOS晶體管。利用鍺的狹窄的禁帶及其與其他活性層(例如AsGa，InP等)的形成相容的晶 格參數，這些結構體也有利于制造鍺層中或鍺層上的光檢測器或太陽能電池。與其中絕緣層可以是氧化硅層的絕緣體上覆硅(SOI)結構體不同，GeOI結構體 的絕緣層不能是氧化鍺，因為該氧化物不夠穩定。因此，GeOI結構體的絕緣層通常包括 通過沉積或通過支持基片的氧化而形成的氧化硅(SiO2)。此外，在光電應用中，包括諸如硅等廉價基片上覆鍺層的具有導電性界面的異 質結構體代表了極為昂貴的鍺基片上形成的多層結構體的經濟有利的替代品。在任何情況中，鍺層必須具有適于由其所形成的元件正常運行的結晶性、電性 質和形態學品質。可使用稱為Smart Cut 的層轉移技術制造GeOI結構體。根據所述工藝的一個實施方式，利用第一基片上的外延生長形成鍺層或者提供 塊狀鍺基片，并且使氧化硅絕緣層沉積在所述鍺層上；隨后進行離子注入以在基片中在 鍺層之下形成脆性區。該結構體隨后粘接至第二基片，SiO2層位于粘接界面處，然后通 過使第一基片沿脆性區斷裂而將鍺層轉移至第二基片。然而，目前使用已知技術獲得的具有鍺/氧化硅界面的GeOI結構體具有相對不 能令人滿意的電性質，特別是關于界面陷阱密度(DIT)，一般數量級為IO12eV^cm 2 1013eV 1Xm 2。實際上，因為鍺必然與氧反應，特別是在鍺層與氧化硅絕緣層之間的界面處生 成了氧化鍺層，這損害了鍺層的電性質。在SOI的情況中，可以接受的DIT值達到IO11eVAcm2的數量級，如果GeOI打
算用于諸如CMOS元件等微電子應用，則上述DIT值對于獲得所述GeOI也是期望的。為了改善鍺層和/或鍺層與絕緣層之間的界面的電性質，已經開發了不同的制
造工藝ο因此，文獻US 7,229,898涉及在鍺層和絕緣層之間形成例如由氮氧化鍺(通式為 GeOxNy)構成的鈍化層。確實，觀察到鍺層和氮氧化鍺層之間的界面具有非常好的電性 質。文獻WO 2007/045759涉及在中性氣氛中于500°C 600°C的溫度下應用熱退
4火。該退火能夠明顯改善鍺層和絕緣層之間的界面的品質。通過降低DIT值而特別傳達 了該改善。此外，使用Smart Cut 工藝時，注入在比硅的情況中的更大厚度上損害鍺。這些殘留的注入缺陷損害了鍺層的形態學品質和結晶性品質，必須于在該層上 或該層中制造元件之前通過熱處理修復這些缺陷。關于包括基片上覆鍺層和具有導電性界面并在鍺層和基片之間未插入絕緣層的 結構體，可以參考文獻WO 02/08425，該文獻描述了形成該結構體的方法。不過，在不存在其中粘合性使得可以獲得良好粘接品質的氧化硅絕緣層時，使 鍺直接粘接在基片上是存在問題的。實際上，在粘接界面處形成了泡狀物，因而不能使 鍺層令人滿意的轉移至基片。因此，本發明的目的之一是限定包括基片上覆鍺層，并在鍺層和基片之間可選 地具有絕緣層的結構體的制造方法，所述方法可以改善該結構體的電性質。該方法應當也有利于制造所述結構體，特別是能夠使得鍺層令人滿意地粘附于基片。
發明內容
根據本發明，提出了包括支持基片上覆鍺層的結構體的制造方法，所述方法包 括下列步驟(a)形成包括所述支持基片、氧化硅層和所述鍺層的中間結構體，所述氧化硅層 與所述鍺層直接接觸，(b)在中性或還原性氣氛中于規定的溫度下對所述中間結構體施加規定時間的熱 處理，從而使來自所述氧化硅層的至少一部分氧通過所述鍺層擴散。在本文獻中明確指出的是，術語“在……上”是指在從基底至其表面的給定結 構中一層位于另一層之上的事實，應當理解，一層或更多層可以選擇性地插入所述層之 間。另一方面，當兩層具有共同表面時，將其稱之為“直接接觸”。優選的是，步驟(b)中的所述熱處理在800°C 900°C的溫度進行，且步驟(b) 中的處理氣氛中的氧含量為小于lppm。所述鍺層的厚度為小于500nm，優選為小于lOOnm。所述中間結構的氧化硅層的厚度為小于6納米，優選為小于2nm，而且，在所述 步驟(b)中，來自所述層的所有的氧通過所述鍺層擴散。根據本發明的第一實施方式，步驟(a)包括下列步驟i)在所述支持基片上或鍺施主基片上形成所述氧化硅層， )在鍺施主基片中形成脆性區，所述脆性區限定待轉移的鍺層，iii)將所述鍺施主基片粘接在所述支持基片上，所述氧化硅層位于粘接界面處，iv)使所述鍺施主基片沿所述脆性區斷裂，并將所述鍺層轉移到所述支持基片 上，由此形成所述中間結構體。根據本發明的第二實施方式，步驟(a)包括下列步驟i)在所述支持基片上或鍺施主基片上形成所述氧化硅層， )將所述鍺施主基片粘接在所述支持基片上，所述氧化硅層位于粘接界面處，
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iii)使所述鍺施主基片減薄以至僅保留所述鍺層的厚度，由此形成所述中間結構 體。根據本發明的第三實施方式，步驟(a)包括下列步驟i)形成絕緣體上覆硅型結構體，所述結構體包括所述支持基片、氧化硅層和硅 層，ii)在所述硅層上沉積SiGe層，iii)對所述SiGe層施加氧化熱處理，結果通過濃縮(condensation)在所述氧化硅
層上形成鍺層并在所述鍺層上形成上部氧化硅層，iv)移除所述上部氧化硅層，由此形成所述中間結構體。本發明的另一目的涉及包括支持基片上覆鍺層的結構體，所述結構體包括位于 所述支持基片和所述鍺層之間的硅層，所述硅層與所述鍺層接觸，其中所述硅層的厚度 為1納米 3納米。根據本發明的一個具體的實施方式，所述結構包括位于所述支持基片和所述硅 層之間的氧化硅層。
參考附圖，本發明的其他特征和優點將由下文中的具體描述而顯現，其中圖1圖示了絕緣體上覆鍺型中間結構體，圖2圖示了本發明的絕緣體上覆鍺型結構體，圖3圖示了本發明的另一結構體，該結構體包括支持基片上覆鍺層，其具有導 電性界面，圖4A和4B表示使用Smart Cut 工藝制造中間結構體的步驟，圖5表示利用粘接工藝并隨后通過減薄來制造中間結構體的步驟，圖6A 6C圖示了利用濃縮工藝制造中間結構體的步驟。為便于理解這些附圖，明確指出的是，并未觀察不同層的厚度的各自比例。
具體實施例方式現在將描述形成包括支持基片1上覆鍺層3的結構體的各種可能的實施方式，其 中所述鍺層和所述鍺層與下層之間的界面的電性質得以最優化。作為一般的規則，所述方法基本上包括兩個連續的步驟，所述步驟如下(a)形成中間結構體(10)，該結構體包括支持基片1、SiO2層20和與所述SiO2 層20直接接觸的鍺層3。圖1中圖示了該中間結構體10。下面將詳細描述該結構體的 不同制造方式。(b)對所述中間結構體施加熱處理以使SiO2層20的至少一部分氧擴散，由此使 得SiO2層20全部或部分分解。SiO,層的氧擴散處理申請人:限定了在規定的溫度、時間和氣氛條件下施加的熱處理，以能夠擴散來 自嵌埋在基片與鍺層之間的SiO2層的全部或部分氧原子。通過將GeOI中間結構體放置在其內部應用中性或還原性氣氛(例如氬、氫或所述元素的混合物)的熔爐中來進行所述熱處理。重要的是控制所述氣氛中的氧的殘余量，從而使其保持為低于Ippm的閾值。為此，必須在開口處為熔爐配備特殊裝置，例如與周圍環境絕緣的絕緣單元。在該受控氣氛中加熱中間結構體至800°C 900°C的溫度時，發生氧原子通過鍺 層的擴散。自800°C開始觀察到氧擴散，而且氧通過鍺層的擴散速率隨溫度升高而增大。不過，由于鍺的熔點是938°C，熱處理的溫度必須保持為低于該界限值，優選為 低于900°C。已知氧從氧化硅層通過SOI的薄硅層的擴散僅在1150°C量級的溫度下發生，在 低至800°C的溫度下觀察到該擴散現象是出人意料的。由于鍺的熔點明顯低于該溫度，先前并未設想將用于SOI的擴散處理應用于 GeOI結構體。該現象似乎可以通過氧在鍺中的擴散速率明顯大于氧在硅中的擴散速率來 角軍釋。 Vanhellemont 等的文章"Brother Silicon, Sister Germanium “ , Journal of the Electrochemical Society, 154(7)H572-H583(2007)因此明確指出氧在鍺中的擴散速率為 O.Ws"1,而氧在硅中的擴散速率為0.HcmY1。由于支持基片的厚度所致，氧原子僅易于通過上覆的鍺層擴散，而不會通過基 片擴散。熱處理的時間為幾個小時。然而，應當理解的是，為了能夠使氧擴散并且特別是獲得足夠快的可觀察到的 擴散速率以使處理時間最短，鍺層的厚度必須小于極限厚度。因此，中間結構體10的鍺層3的厚度必須小于幾百納米，例如500納米，優選 為小于lOOnm。氧從SiO2層通過鍺層的擴散形成了硅層4 (其中厚度隨處理的進行而增大)和殘 留的SiO2層2 (其中厚度隨處理的進行而相反地降低)。自2nm 6nm的SiO2層的氧擴散導致形成了 Inm 3nm的硅層。所述硅層4位于SiO2層2和鍺層3之間并與它們接觸。實際上，位于最靠近自由表面(即，最靠近鍺層3)的氧原子首先離開SiO2層 20。當硅層4達到幾個納米(一般為2nm 3nm)的厚度時，由于氧原子在所述處理 溫度下不能通過這樣的硅厚度，因而擴散現象中斷。如果SiO2層20的初始厚度大于約為6nm的極限厚度，則獲得圖2所示的結構 體，該結構體自基底至其表面依次包括支持基片1、殘留的幻02層2、硅層4和鍺層 3。因此，其由絕緣體上覆鍺型結構體構成。不過，在鍺層3和SiO2層2之間存在硅層4是特別有利的，因為這使得能夠鈍 化Ge/Si02界面，由此使得GeOI結構體具有增強的電性質，即，降低的DIT值，從而獲 得與SOI可能得到的相同的量級，即，通常達到IO11eVicm 2的量級。如果SiO2層20的初始厚度小于所述極限厚度，則所述層20中包含的所有的氧均 可通過鍺層擴散。因此，在處理之后僅殘留有位于支持基片1和鍺層3之間的硅層4。
圖3中圖示了該結構體。在該情況中，鍺層3與硅層4之間的界面具有導電性。由于中間結構體中存在鍺層與支持基片之間的SiO2層，因此獲得了鍺與支持基 片之間的極高品質的粘接。在該結構體上然后可以在鍺層中或鍺層上形成元件，例如FET(場效應)晶體管 或雙極性晶體管。在鍺層3之下形成的硅層4非常薄，使得可以限制容易因Ge和Si之間的晶格參 數的失配而導致的晶體缺陷的出現。該硅層4的晶體品質強于在粘接至支持基片之前通過沉積形成在鍺施主基片上 的層的晶體品質。實際上，由于該硅層4是在形成GeOI結構體之后獲得，限制了該層中的鍺擴 散。當使兩層Si-Ge結構體遭受一定的熱預算時，通常觀察到鍺和硅的相互擴散現象。 在本發明中，另一方面，所施加的熱預算極低。為限制該相互擴散現象，可以在接近于 所提出的溫度范圍的下限值的溫度，即，約800°C下進行氧擴散處理。GeOI中間結構體的形成由上可知，步驟(b)中的處理導致最初存在于鍺層3之下的SiO2層20全部或部 分分解。根據要獲得的最終結構體，即GeOI結構體或包括支持基片上覆鍺層并具有導電 性界面的結構體，將形成具有SiO2層的中間結構體，其中確定所述層的厚度以使氧能夠 部分或全部地擴散。因此，如果期望形成具有位于鍺和支持基片之間的導電性界面的最終結構體， 則將形成其中SiO2層的厚度為小于6納米，優選為小于2nm的中間結構體。氧擴散熱處 理能夠使得SiO2層完全分解，從而形成厚度小于3nm的Si層。另一方面，如果期望獲得GeOI型最終結構體，則將形成其中SiO2層的厚度為大 于幾個納米，優選大于6nm的中間結構體。氧擴散熱處理因此將能夠保留殘留的SiO2絕 緣層。確定中間結構體中的SiO2層的最初厚度以及處理條件以獲得所期望最終厚度的絕緣層。以下描述用于形成GeOI型中間結構體10的三個可能的但非限制性的方式。參考圖4A和4B描述該工藝的不同步驟。圖4A圖示了利用原子物種(atomic species)注入在施主基片30中形成脆性區
31。所述脆性區由此限定了待轉移至支持基片的鍺層3。施主基片30可由塊狀鍺構成，或者是包括上部鍺層的復合基片如文獻EP 1016129中說明的，其可以由其上沉積有鍺層的硅基片構成。SiO2層隨后形成于鍺施主基片上或一個其上待轉移鍺層的支持基片上。在第一種情況中，利用沉積技術形成SiO2層。如果在支持基片上形成SiO2層，則可以執行沉積技術或熱氧化，特別是在支持 基片由硅構成時。參考圖4B，鍺施主基片30和支持基片1以接觸的方式布置，以使SiO2層20位 于粘接界面處。
隨后施加(熱和/或機械)能預算，由此使得施主基片30沿脆性區31斷裂。然后形成圖1所示的GeOI型中間結構體10，其中鍺層3與SiO2層20直接接觸。利用粘接并隨后減薄來形成GeOI結構體如圖5所示，該技術包括粘接鍺施主基片30和支持基片1，以使SiO2層20存在 于粘接界面處。如上所述，SiO2層20可通過在支持基片1的施主基片30上的沉積形成，或者當 所述基片由硅構成時通過支持基片1的氧化獲得。此外也明確指出的是，所述施主基片可以是塊狀鍺基片，或是包括表面鍺層的
復合基片。施主基片30的減薄隨后經由其背面進行，從而僅保留所期望厚度的鍺層3。減 薄通過研磨、拋光和/或蝕刻進行。由此提供了圖1所示的中間結構體10，該結構體包括支持基片1、SiO2層20和 鍺層3，其中鍺層3與SiO2層20直接接觸。利用濃縮技術形成GeOI結構體圖6A 6C中描述了該技術的不同步驟。在 Shu Nakaharai 等 的題為 “Characterization of 7-nm—thick strained Ge-on-insulator layer fabricated by Ge-condensation technique” 的文章中描述了濃縮技術 (Applied Physics Letters,第 83 卷，No.17，2003 年 10 月 27 日)。參考圖6A，利用CVD (化學氣相沉積)外延生長，SiGe層5沉積在絕緣體上覆 硅(SOI)型結構體50上，所述結構體依次包括支持基片1、SiO2絕緣層20和硅層40。 使用任何本領域的技術人員已知的技術，如Smart Cut 工藝等預先制得絕緣體上覆硅型 結構體50。SiGe層5中的鍺濃度為百分之幾至50%，優選為10% 30%。為選擇層5的厚度及該層的Ge濃度，將考慮鍺的保存量例如，厚度為E的 SiGe層在濃縮后將給出包含100%的Ge且厚度為E/5的一層，而與下面的SOI的厚度無關。步驟(b)中，如果期望完全分解鍺層下的氧化層，則使用UT-BOX(Ultra Thin BuriedOXide)型SOI，即，其中的氧化層具有幾個納米的厚度，將是有利的。參考圖6B，對SiGe層5進行熱氧化。該處理的條件如下在O2氣氛中的時間量級達到1個小時，溫度低于SiGe的熔 點。圖7中的曲線描繪了 SiGe的熔點與Si含量的函數關系。處理溫度必須保持為低于 較低的曲線以防止鍺熔化。在該處理過程中，在SiGe層上形成含有硅和鍺的上層6。不過，上層6排斥鍺 原子，而同時通過所述層6和下面的絕緣層20防止其擴散到所述結構體之外。SiGe層中的鍺原子的總量因而在氧化處理時得以保存。此外，由于Si原子和Ge原子的相互擴散，Si 40和Ge 5層融合而形成均勻的 SiGe層，其中隨著處理的進行Si原子被氧化。SiGe層中的Ge的比例隨該層厚度的減小 而增大。在該情況下實施的工藝稱為鍺濃縮技術。
由此得到了圖6C中的結構體，該結構體包括支持基片1、絕緣層20、與&02層 20接觸的Ge層3和上部SiO2層6。例如，通過將所述結構體浸沒在稀釋的HF溶液中進行刻蝕來除去上部SiO2層 6。由此給出GeOI型中間結構體10，其中Ge層3與SiO2層20直接接觸。
權利要求
1.包括支持基片(1)上覆鍺層(3)的結構體的制造方法，其特征在于該方法包括下列 步驟(a)形成包括所述支持基片(1)、氧化硅層(20)和所述鍺層(3)的中間結構體(10)， 所述氧化硅層(20)與所述鍺層(3)直接接觸，(b)在中性或還原性氣氛中于規定的溫度下對所述中間結構體(10)施加規定時間的 熱處理，從而使來自所述氧化硅層(20)的至少一部分氧通過所述鍺層(3)擴散。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟(b)中的所述熱處理在800°C 900°C 的溫度下進行。
3.如權利要求1或2中任一項所述的方法，其特征在于步驟(b)中的處理氣氛中的氧 含量為小于lppm。
4.如權利要求1 3中任一項所述的方法，其特征在于所述鍺層(3)的厚度為小于 500nm,優選為小于lOOnh。
5.如權利要求1 4中任一項所述的方法，其特征在于所述中間結構體(10)的氧化 硅層(20)的厚度為小于6納米，優選為小于2nm，而且，在所述步驟(b)中，來自所述 層(20)的所有的氧通過所述鍺層(3)擴散。
6.如權利要求1 5中任一項所述的方法，其特征在于步驟(a)包括下列步驟i)在所述支持基片(1)上或鍺施主基片(30)上形成所述氧化硅層(20)，ii)在鍺施主基片(31)中形成脆性區(31)，所述脆性區限定待轉移的鍺層(3)，iii)將所述鍺施主基片(30)粘接在所述支持基片(1)上，所述氧化硅層(20)位于粘 接界面處，iv)使所述鍺施主基片(30)沿所述脆性區(31)斷裂，并將所述鍺層(3)轉移到所述 支持基片(1)上，由此形成所述中間結構體(10)。
7.如權利要求1 5中任一項所述的方法，其特征在于步驟(a)包括下列步驟i)在所述支持基片(1)上或鍺施主基片(30)上形成所述氧化硅層(20)，ii)將所述鍺施主基片(30)粘接在所述支持基片(1)上，所述氧化硅層(20)位于粘 接界面處iii)使所述鍺施主基片(30)減薄以至僅保留所述鍺層(3)的厚度，由此形成所述中間 結構體(10)。
8.如權利要求1 5中任一項所述的方法，其特征在于步驟(a)包括下列步驟i)形成絕緣體上覆硅型結構體(50)，所述結構體包括所述支持基片(1)、氧化硅層 (20)和硅層(40)，ii)在所述硅層(40)上沉積SiGe層(5)，iii)對所述層(5)施加氧化熱處理，結果通過濃縮在所述氧化硅層(20)上形成鍺層 (3)并在所述鍺層(3)上形成上部氧化硅層(6)，iv)移除所述上部氧化硅層(6)，由此形成所述中間結構體(10)。
9.包括支持基片(1)上覆鍺層(3)的結構體，其特征在于所述結構體包括位于所述支 持基片(1)和所述鍺層(3)之間的硅層(4)，所述硅層(4)與所述鍺層(3)接觸，所述硅 層(4)的厚度為1納米 3納米。
10.如權利要求9所述的結構體，其特征在于所述結構體包括位于所述支持基片(1)和所述硅層(4)之間的氧化硅層(2)。
全文摘要
本發明涉及包括支持基片(1)上覆鍺層(3)的結構體的制造方法，其特征在于該方法包括下列步驟(a)形成包括所述支持基片(1)、氧化硅層(20)和所述鍺層(3)的中間結構體(10)，所述氧化硅層(20)與所述鍺層(3)直接接觸，(b)在中性或還原性氣氛中于規定的溫度下對所述中間結構體(10)施加規定時間的熱處理，從而使來自所述氧化硅層(20)的至少一部分氧通過所述鍺層(3)擴散。
文檔編號H01L21/762GK102017124SQ200980114593
公開日2011年4月13日 申請日期2009年6月12日 優先權日2008年7月3日
發明者克里斯托夫·菲蓋, 埃里克·圭奧特, 塞西爾·奧爾內特, 奧列格·科農丘克, 尼古拉斯·達瓦爾, 法布里斯·拉勒門特, 迪迪埃·朗德呂 申請人:硅絕緣體技術有限公司