專利名稱：一種硅基鍺納米結構襯底及其制備方法
技術領域：
本發明涉及半導體集成技術領域，尤其涉及一種硅基鍺納米結構襯底及其制備方法。
背景技術：
半導體技術作為信息產業的核心和基礎，是衡量一個國家科學技術進步和綜合國力的重要標志。在過去的40多年中，硅基集成技術遵循摩爾定律通過縮小器件的特征尺寸來提高器件的工作速度、增加集成度以及降低成本，硅基CMOS器件的特征尺寸已經由微米尺度縮小到納米尺度。然而當MOS器件的柵長縮小到90納米以下，器件的短溝效應日益明顯，傳統平面硅基微電子集成技術開始面臨來自物理與技術方面的雙重挑戰，采用高遷移率半導體材料溝道材料和采用新器件結構是獲得高性能MOS器件的有效途徑，雙柵、三柵等多柵FinFET器件有利于提高MOS器件的柵控能力，提高器件性能。鍺材料的電子遷移率和空穴遷移率都比硅高很多，是下一代CMOS技術溝道材料·的有力競爭者，新結構多柵鍺基CMOS器件在未來有望獲得實際的應用。
發明內容
(一 )要解決的技術問題有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種硅基鍺納米結構襯底及其制備方法，以將納米結構的單晶鍺集成到硅襯底上，可應用于制備高遷移率新結構多柵鍺基CMOS器件的制備。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種硅基鍺納米結構襯底，包括單晶硅襯底；在該單晶硅襯底上形成的多個鍺鰭；在該多個鍺鰭上形成的帽層；以及填充于該單晶硅襯底上多個鍺鰭之間的介質填充層。上述方案中，所述鍺鰭為單晶鍺，其高度在5納米至500納米之間，寬度在3埃至100納米之間。所述帽層為氧化硅、氧化鍺、氮化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化鋯以及它們的任意組合，所述帽層的厚度在3埃至200納米之間。所述介質填充層為氧化硅、氧化鍺、氮化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化鋯以及它們的任意組合，且所述介質填充層的厚度小于所述鍺鰭的高度。為達到上述目的，本發明還提供了一種硅基鍺納米結構襯底的制備方法，該方法包括清洗單晶硅襯底，去除自然氧化層；在單晶硅襯底上沉積非晶鍺，在非晶鍺上沉積形成帽層的介質，熱退火使非晶鍺結晶成單晶鍺；去除部分形成帽層的介質和單晶鍺，形成多個納米結構的鍺鰭及多個位于鍺鰭上的帽層；在形成多個鍺鰭及帽層的襯底上沉積填充介質，并對襯底表面進行化學機械拋光處理，使填充介質的厚度等于鍺鰭與帽層的厚度之和；以及去除部分填充介質獲得厚度小于鍺鰭厚度的介質填充層。上述方案中，所述清洗單晶硅襯底，是利用標準RCA清洗工藝對單晶硅襯底表面進行清洗，并用HF酸對單晶硅襯底表面進行鈍化處理，HF酸濃度在5% -49%之間，抑制單晶硅襯底在空氣中自然氧化。上述方案中，所述在單晶硅襯底上沉積非晶鍺，在非晶鍺上沉積形成帽層的介質，熱退火使非晶鍺結晶成單晶鍺的步驟中，是在所述單晶硅襯底上利用電子束或者熱蒸發、等離子增強化學氣相沉積、超高真空化學氣相沉積、濺射的方法沉積非晶鍺層，并在所述非晶鍺層上利用等離子增強化學氣相沉積、金屬有機化學氣相沉積、脈沖激光沉積或原子層沉積的方法沉積形成帽層的介質，通過快速熱退火，采用固相外延或液相外延的方法使非晶錯結晶成為單晶錯。 上述方案中，所述去除部分形成帽層的介質和單晶鍺，形成多個納米結構的鍺鰭及多個位于鍺鰭上的帽層的步驟中，采用光刻、干法刻蝕或濕法腐蝕的方法去除部分形成帽層的介質和單晶鍺，形成多個納米結構的鍺鰭及多個位于鍺鰭上的帽層。上述方案中，所述在形成多個鍺鰭及帽層的襯底上沉積填充介質，并對襯底表面進行化學機械拋光處理的步驟中，采用等離子增強化學氣相沉積、金屬有機化學氣相沉積、脈沖激光沉積或原子層沉積的方法在形成多個鍺鰭及帽層的襯底上沉積介質填充層的介質，利用化學機械拋光平坦化襯底表面，平坦化表面終止于帽層處，使填充介質的厚度等于鍺鰭與帽層的厚度之和。上述方案中，所述去除部分填充介質獲得厚度小于鍺鰭厚度的介質填充層的步驟中，采用光刻、干法刻蝕或濕法腐蝕的方法將填充層介質部分去除，獲得厚度小于鍺鰭厚度的介質填充層。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果I、本發明提供的硅基鍺納米結構襯底，采用具有高電子遷移率和空穴遷移率的鍺作為鰭的材料，可應用于制備高遷移率新結構多柵CMOS集成技術，是下一代CMOS集成技術的有力競爭者。2、本發明提供的硅基鍺納米結構襯底，介質填充層的存在避免了鍺鰭與單晶硅襯底界面處晶格失配缺陷較多的部分作為溝道材料引起的器件特性退化和一致性差異，帽層的存在可以將該硅基鍺納米結構襯底應用于雙柵FinFET，刻蝕或腐蝕掉帽層后可以用于制備三柵FinFET，而多個鍺鰭的存在又可以使用該硅基鍺納米結構襯底制備多鰭FinFET。3、本發明提供的硅基鍺納米結構襯底，是以單晶硅為襯底的，可以有效降低半導體器件的制備成本，還可以實現硅基和鍺基半導體器件的單片集成。這些特性表明本發明在后摩爾時代CMOS集成技術、硅基和鍺基半導體器件集成領域都具備廣闊的應用前景和市場前景。
圖I為依照本發明實施例的硅基鍺納米結構襯底的側視截面結構示意圖；圖2為依照本發明實施例的單晶硅襯底的結構示意圖；圖3為依照本發明實施例在單晶硅襯底上生長非晶鍺后的結構示意圖；圖4為依照本發明實施例在非晶鍺上沉積帽層的介質后的結構示意圖；圖5為依照本發明實施例在退火使非晶鍺結晶成單晶鍺后的結構示意圖6為依照本發明實施例刻蝕或腐蝕出帽層和鍺鰭后的結構示意圖；圖7為依照本發明實施例在鍺鰭和帽層沉積完介質填充層的介質后的結構示意圖；圖8為依照本發明實施例帽層和介質填充層的介質經過化學機械拋光后的結構示意圖；圖9為依照本發明實施例硅基鍺納米結構襯底的截面結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。本實施例具體描述本發明所提供的一種硅基張應變襯底結構的結構特征及其制 備方法。如圖I所示，圖I為依照本發明實施例的硅基鍺納米結構襯底的側視截面結構示意圖。該硅基鍺納米結構襯底包括單晶硅襯底1，在該單晶硅襯底上形成的多個鍺鰭4b，在該多個鍺鰭上形成的帽層3c，以及填充于該單晶硅襯底上多個鍺鰭之間的介質填充層5c。其中，單晶硅襯底I位于所述硅基張應變襯底結構的底部，鍺鰭4b置于單晶硅襯底I之上，帽層3c置于鍺鰭4b之上，介質填充層5c置于單晶硅襯底I之上且介質填充層5c置于鍺鰭4b周圍。鍺鰭4b為單晶鍺，其高度在5納米至500納米之間，寬度在3埃至100納米之間。帽層3c為氧化硅、氧化鍺、氮化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化鋯以及它們的任意組合，帽層的厚度在3埃至200納米之間。介質填充層5c為二氧化硅、氧化鍺、氮化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化鋯以及它們的任意組合，且介質填充層的厚度小于鍺鰭的高度。基于圖I所示的依照本發明實施例的硅基鍺納米結構襯底的側視截面結構示意圖，圖2至圖9示出了依照本發明實施例的制備硅基鍺納米結構襯底的工藝流程圖，具體包括如下步驟步驟I :利用標準RCA清洗工藝對單晶硅襯底表面進行清洗，具體步驟如下首先利用丙酮對單晶硅片進行超聲清洗5分鐘去除硅片表面油脂，接著利用丙酮對單晶硅片進行超聲清洗5分鐘去除硅片表面殘余丙酮，然后用去離子水沖洗單晶硅片去除表面殘余乙醇，接著在120°C清洗溫度的濃硫酸雙氧水=4 I的溶液中清洗15分鐘后用去離子水進行沖洗去除殘余溶液，然后在75°C清洗溫度的氨水雙氧水水=I : I : 5的溶液中清洗15分鐘后用去離子水沖洗去除殘余溶液，接著在75°C清洗溫度的鹽酸雙氧水水= 1:1: 6的溶液中清洗15分鐘后用去離子水沖洗去除殘余溶液，最后用HF酸對單晶硅襯底I表面進行鈍化處理，HF酸濃度為10%，防止單晶硅襯底I在空氣中自然氧化，如圖2所示；步驟2 :如圖3所示，在所述單晶硅襯底I上利用等離子增強化學氣相沉積的方法沉積非晶鍺層2，厚度為50納米，如圖3所示；并在所述非晶鍺層上利用等離子增強化學氣相沉積的方法沉積帽層的氮化硅介質3a，厚度為8納米，如圖4所示；在600°C快速熱退火
2分鐘，采用固相外延的方法使非晶鍺結晶成為單晶鍺4a，如圖5所示；步驟3 :如圖6所示，采用干法刻蝕的方法去除部分帽層介質和單晶鍺，獲得所述鍺鰭4b和帽層3b，鍺鰭4b和帽層3b的寬度為15納米，間距為100納米；步驟4 :如圖7所示，采用等離子增強化學氣相沉積的方法在鍺鰭4b和帽層3b上沉積介質填充層的二氧化硅介質5a，二氧化硅的厚度為80納米；如圖8所示，采用化學機械拋光對步驟4獲得的襯底進行平坦化處理，所述鍺鰭4b和帽層3c厚度之和與介質填充層的介質5b厚度相同，為55納米；步驟5 :如圖8和圖I所示，采用干法刻蝕的方法去除介質填充層的介質二氧化娃，所述介質填充層5c的厚度為5納米。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。·
權利要求
1.一種娃基錯納米結構襯底，其特征在于，包括 單晶娃襯底； 在該單晶硅襯底上形成的多個鍺鰭； 在該多個鍺鰭上形成的帽層；以及 填充于該單晶硅襯底上多個鍺鰭之間的介質填充層。
2.根據權利要求I所述的娃基錯納米結構襯底，其特征在于，所述錯轄為單晶錯，其聞度在5納米至500納米之間，寬度在3埃至100納米之間。
3.根據權利要求I所述的硅基鍺納米結構襯底，其特征在于，所述帽層為氧化硅、氧化 鍺、氮化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化鋯以及它們的任意組合，所述帽層的厚度在3埃至200納米之間。
4.根據權利要求I所述的硅基鍺納米結構襯底，其特征在于，所述介質填充層為氧化硅、氧化鍺、氮化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化鋯以及它們的任意組合，且所述介質填充層的厚度小于所述鍺鰭的高度。
5.一種硅基鍺納米結構襯底的制備方法，其特征在于，該方法包括 清洗單晶硅襯底，去除自然氧化層； 在單晶硅襯底上沉積非晶鍺，在非晶鍺上沉積形成帽層的介質，熱退火使非晶鍺結晶成單晶錯； 去除部分形成帽層的介質和單晶鍺，形成多個納米結構的鍺鰭及多個位于鍺鰭上的帽層； 在形成多個鍺鰭及帽層的襯底上沉積填充介質，并對襯底表面進行化學機械拋光處理，使填充介質的厚度等于鍺鰭與帽層的厚度之和；以及 去除部分填充介質獲得厚度小于鍺鰭厚度的介質填充層。
6.根據權利要求5所述的硅基鍺納米結構襯底的制備方法，其特征在于，所述清洗單晶硅襯底，是利用標準RCA清洗工藝對單晶硅襯底表面進行清洗，并用HF酸對單晶硅襯底表面進行鈍化處理，HF酸濃度在5% -49%之間，抑制單晶硅襯底在空氣中自然氧化。
7.根據權利要求5所述的硅基鍺納米結構襯底的制備方法，其特征在于，所述在單晶硅襯底上沉積非晶鍺，在非晶鍺上沉積形成帽層的介質，熱退火使非晶鍺結晶成單晶鍺的步驟中，是在所述單晶硅襯底上利用電子束或者熱蒸發、等離子增強化學氣相沉積、超高真空化學氣相沉積、濺射的方法沉積非晶鍺層，并在所述非晶鍺層上利用等離子增強化學氣相沉積、金屬有機化學氣相沉積、脈沖激光沉積或原子層沉積的方法沉積形成帽層的介質，通過快速熱退火，采用固相外延或液相外延的方法使非晶鍺結晶成為單晶鍺。
8.根據權利要求5所述的硅基鍺納米結構襯底的制備方法，其特征在于，所述去除部分形成帽層的介質和單晶鍺，形成多個納米結構的鍺鰭及多個位于鍺鰭上的帽層的步驟中，采用光刻、干法刻蝕或濕法腐蝕的方法去除部分形成帽層的介質和單晶鍺，形成多個納米結構的鍺鰭及多個位于鍺鰭上的帽層。
9.根據權利要求5所述的硅基鍺納米結構襯底的制備方法，其特征在于，所述在形成多個鍺鰭及帽層的襯底上沉積填充介質，并對襯底表面進行化學機械拋光處理的步驟中，采用等離子增強化學氣相沉積、金屬有機化學氣相沉積、脈沖激光沉積或原子層沉積的方法在形成多個鍺鰭及帽層的襯底上沉積介質填充層的介質，利用化學機械拋光平坦化襯底表面，平坦化表面終止于帽層處，使填充介質的厚度等于鍺鰭與帽層的厚度之和。
10.根據權利要求5所述的硅基鍺納米結構襯底的制備方法，其特征在于，所述去除部分填充介質獲得厚度小于鍺鰭厚度的介質填充層的步驟中，采用光刻、干法刻蝕或濕法腐蝕的方法將填充層介質部分去除，獲得厚度小于鍺鰭厚度的介質填充層。
全文摘要
本發明涉及半導體集成技術領域，公開了一種硅基鍺納米結構襯底及其制備方法，該硅基鍺納米結構襯底包括單晶硅襯底；在該單晶硅襯底上形成的多個鍺鰭；在該多個鍺鰭上形成的帽層；以及填充于該單晶硅襯底上多個鍺鰭之間的介質填充層。利用本發明，可以為制備高性能場效應晶體管提供襯底，且該襯底可應用于制備鍺基雙柵、三柵或多個鰭的多柵場效應晶體管。
文檔編號H01L21/8238GK102956686SQ20111023675
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月18日 優先權日2011年8月18日
發明者孫兵, 劉洪剛 申請人:中國科學院微電子研究所