[发明专利]一种硅基绝缘体上硅衬底结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成技术领域，特别涉及一种硅基绝缘体上硅衬底结构及其制备方法。

背景技术

随着半导体集成电路的快速发展，为了获得更高的性能，器件单元尺寸不断减小。集成电路即将步入“后22纳米”时代。从材料方面来说，采用高迁移率材料替代传统硅材料作为衬底材料将是半导体集成技术的重要发展方向。对于“后22纳米”技术节点来说，全耗尽型绝缘体上硅技术(SOI)被认为是进一步提升器件性能，减少静态功耗的重要进展。绝缘衬底上的硅(SOI)技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，因此可以说SOI将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。

为了实现全耗尽，一般需要获得比较薄的硅层，而传统SOI衬底的制备方法难于获得高质量的极薄硅层。传统SOI衬底的制备方法包括氧注入技术、硅凝聚技术、智能切割技术、以及快速热生长技术等。对于硅凝聚技术而言，高纯度的硅层很难获得；对于氧注入技术和智能切割技术则受到尺寸的限制难以大规模生长，并且成本较高，且硅层的厚度较大，均匀性也较差；快速热生长技术所形成的硅层的均匀性较差，具有梯度性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决传统SOI衬底的制备方法难于获得高质量的极薄硅层的问题，本发明提供了一种硅基绝缘体上硅衬底结构及其制备方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种硅基绝缘体上硅衬底结构，所述硅衬底结构包括：硅衬底；形成于该硅衬底之上的结晶氧化物层；以及形成于该结晶氧化物层之上的结晶硅层。

上述方案中，所述硅衬底为单晶硅(100)衬底、单晶硅(110)衬底或单晶硅(111)衬底。

上述方案中，所述结晶硅层为单晶硅层；所述单晶硅层的晶面为硅(111)、硅(110)或硅(100)。

上述方案中，所述结晶氧化物层的晶体结构为外延单晶。

为达到上述目的，本发明还提供了一种硅基绝缘体上硅衬底结构的制备方法，包括：将表面清洁的单晶硅衬底置于真空腔体内；对所述单晶硅衬底加热，在所述单晶硅衬底上沉积结晶氧化物层；以及在所述结晶氧化物层上高温原位沉积单晶硅层，形成结晶硅层。

上述方案中，所述对所述单晶硅衬底加热，在所述单晶硅衬底上沉积结晶氧化物层，包括：将所述单晶硅衬底加热至400～1000℃，获得重构表面的单晶硅衬底；将所述重构表面的单晶硅衬底降温至20～800℃，在所述单晶硅衬底表面上沉积结晶氧化物层。

上述方案中，所述对所述单晶硅衬底加热，在所述单晶硅衬底上沉积结晶氧化物层，包括：将所述单晶硅衬底加热至400～1000℃，获得重构表面的单晶硅衬底；将重构表面的单晶硅衬底降温至20～800℃，先沉积金属原子层，使金属原子在硅表面发生自组装形成金属外延层，进而通过原位氧化的方法形成结晶氧化物层。

上述方案中，所述沉积结晶氧化物层或沉积金属原子层采用的方法为分子束外延法、物理沉积法或化学沉积法。

上述方案中，所述通过原位氧化的方法形成结晶氧化物层，包括：在20～500℃的温度条件下，采用氧等离子体或者氧自由基原位对所述金属外延层进行氧化处理，形成结晶氧化物层；所述金属外延层的厚度为

上述方案中，所述在所述结晶氧化物层上高温原位沉积单晶硅层，形成结晶硅层，包括：将所述单晶硅衬底加热至200～1000℃，采用分子束外延法、物理沉积法或化学沉积法在所述结晶氧化物层上沉积单晶硅层，形成结晶硅层。

上述方案中，当采用所述分子束外延法沉积单晶硅层时，所述单晶硅层的厚度通过控制外延时间的长短来自由调整；所述单晶硅层的最小厚度为0.5nm。

(三)有益效果

本发明提供的硅基绝缘体上硅衬底结构及其制备方法，通过在硅衬底表面沉积结晶氧化物层，再在结晶氧化物层表面上沉积单晶硅层，从而实现了方便地在绝缘体上制备极薄硅层，具有可大面积生长、散热性能好、衬底绝缘性能好、以及制备成本低廉等优点，可以方便在大尺寸晶圆上制备全耗尽硅基器件。

附图说明

图1是本发明实施例提供的硅基绝缘体上硅衬底结构的立体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的硅基绝缘体上硅衬底结构的平面结构示意图；