绝缘体上单晶薄膜制备方法及层叠结构与流程

1.本发明涉及半导体制备技术领域，尤其涉及一种绝缘体上单晶薄膜制备方法及层叠结构。


背景技术：

2.在绝缘体上制备单晶体薄膜具有重要的意义，例如，可以作为衬底材料制备器件或者作为三维集成器件的顶层硅材料制备。在现有技术中，在绝缘体上制备单晶体薄膜主要是通过键合技术来实现的，采用键合技术制备的绝缘体与单晶体薄膜的层叠结构具有很高的材料质量，能够制备出性能良好的半导体器件。但是键合技术的制备方法制备的层叠结构成本很高，成品率低，不利于大规模制备。


技术实现要素：

3.本发明提供的绝缘体上单晶薄膜制备方法及层叠结构，能够低成本制备高质量的单晶薄膜层叠机构，有利于大规模制备单晶薄膜层叠结构。
4.第一方面，本发明提供一种绝缘体上单晶薄膜制备方法，包括：
5.制备绝缘衬底，所述绝缘衬底包括绝缘层和分布在所述绝缘层上的单晶晶粒阵列；
6.在所述绝缘衬底上以第一外延材料进行外延，以获得单晶籽晶层；
7.在所述单晶籽晶层上以第二外延材料进行外延，以获得单晶薄膜层；其中，所述第二外延材料的迁移率大于所述第一外延材料的迁移率。
8.可选地，制备绝缘衬底包括：
9.在绝缘层上形成多个凹陷结构，所述凹陷结构用于获取单一的结晶取向；
10.在所述绝缘层上形成非晶薄膜；
11.对所述非晶薄膜进行退火，以形成规则多晶薄膜；
12.对所述规则多晶薄膜进行晶向腐蚀，以保留单晶晶粒阵列；
13.向所述单晶晶粒阵列中腐蚀形成的凹槽中填充绝缘介质。
14.可选地，对所述规则多晶薄膜进行晶向腐蚀包括：采用氢氟酸和重铬酸钾的混合水溶液对所述规则多晶薄膜进行晶向腐蚀。
15.可选地，对所述非晶薄膜进行退火包括：
16.在非晶薄膜的表面形成结晶抑制膜层，以使非晶薄膜在退火过程中沿横向结晶；
17.采用激光退火的方式对所述非晶薄膜进行退火；
18.当所述非晶薄膜的厚度小于500埃米时，选择355纳米以下的激光波长进行激光退火；
19.当所述非晶薄膜的厚度不小于500埃米时，选择475纳米以上的激光波长进行激光退火。
20.可选地，在绝缘层上形成多个凹陷结构包括：
21.在绝缘介质上形成周期性排列的凹陷结构，其中，所述凹陷结构的尺寸小于0.5微米，相邻的凹陷结构之间的距离小于10微米。
22.可选地，在所述绝缘层上形成非晶薄膜包括：在所述绝缘层上采用物理气相沉积或者化学气相沉积的方法形成非晶薄膜材料。
23.可选地，向所述单晶晶粒阵列中腐蚀形成的凹槽中填充绝缘介质包括：采用原子层沉积的方式向所述单晶晶粒阵列中腐蚀形成的凹槽中填充绝缘介质；或者，对所述单晶晶粒阵列进行硅氧化，以使所述单晶晶粒的表层膨胀，填充所述凹槽。
24.可选地，在绝缘层上形成多个凹陷结构包括：在所述绝缘层上形成多个盲孔或者多个凹槽。
25.第二方面，本发明提供一种绝缘体上单晶薄膜层叠结构，包括：
26.由下向上依次层叠设置的绝缘衬底、第一外延材料和第二外延材料；其中，
27.所述绝缘衬底包括绝缘层和设置在所述绝缘层上的单晶晶粒阵列；
28.所述第二外延材料的迁移率大于所述第一外延材料的迁移率。
29.可选地，所述绝缘衬底上设置有多个凹陷结构，所述单晶晶粒阵列中的单晶晶粒与所述凹陷结构一一对应的一体形成。
30.在本发明提供的技术方案中，采用多个单晶晶粒形成的阵列作为籽晶层，在单晶晶粒阵列上进行外延形成单晶籽晶层，在单晶籽晶层上进行第二次外延，形成高质量的单晶薄膜材料。由于第二外延材料为高迁移率材料，如果将第二外延材料直接在单晶晶粒阵列上进行外延，难以获得良好的单晶薄膜，因此，在本发明提供的技术方案中，首先采用低迁移率材料作为第一外延材料形成单晶籽晶层，单晶籽晶层具有良好的结晶取向，再单晶籽晶层上采用第二外延材料进行外延时，能够获得良好的单晶薄膜。
附图说明
31.图1a为本发明一实施例绝缘体上单晶薄膜制备方法形成非晶材料的示意图；
32.图1b为本发明一实施例绝缘体上单晶薄膜制备方法形成非晶材料的截面示意图；
33.图2a为本发明另一实施例绝缘体上单晶薄膜制备方法进行晶向腐蚀的示意图；
34.图2b为本发明另一实施例绝缘体上单晶薄膜制备方法进行晶向腐蚀的截面示意图；
35.图3a为本发明另一实施例绝缘体上单晶薄膜制备方法晶界进行填充的示意图；
36.图3b为本发明另一实施例绝缘体上单晶薄膜制备方法晶界进行填充的截面示意图；
37.图4a为本发明另一实施例绝缘体上单晶薄膜制备方法进行第一外延材料进行外延的示意图；
38.图4b为本发明另一实施例绝缘体上单晶薄膜制备方法进行第一外延材料进行外延的截面示意图；
39.图5a为本发明另一实施例绝缘体上单晶薄膜制备方法进行第二外延材料进行外延的示意图；
40.图5b为本发明另一实施例绝缘体上单晶薄膜制备方法进行第二外延材料进行外延的截面示意图。
具体实施方式
41.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本发明实施例提供一种绝缘体上单晶薄膜制备方法，包括：
43.制备绝缘衬底，所述绝缘衬底包括绝缘层100和分布在所述绝缘层100上的单晶晶粒阵列200；在一些实施例中，绝缘衬底包括绝缘层100，例如可以为氧化硅制备的薄膜作为绝缘层100，还可以为氮化硅或者氧化铝形成的绝缘层100，绝缘层100上形成有非晶材料，如图1a至图1b所示；非晶材料经退火后形成多晶薄膜，对多晶薄膜进行晶向腐蚀，去除晶界、缺陷以及不符合预期的晶向区域，从而，保留单晶晶粒阵列200，如图2a和图2b所示。其中，单晶晶粒阵列200中的单个的晶粒为单晶晶粒，整个阵列是以多个单晶晶粒按照周期排列形成的阵列。
44.在所述绝缘衬底上以第一外延材料进行外延，以获得单晶籽晶层300；在一些实施例中，由于经过晶向腐蚀之后，在单晶晶粒阵列200的晶粒之间具有沟槽210，为了实现第一外延材料的外延，需要提供一个平整的平面，因此，需要首先对沟槽210进行填充，例如，可以采用氧化硅对沟槽210进行填充并进行平坦化，得到如图3a和图3b所示的结构。在得到的平面上以第一外延材料进行外延，形成单晶籽晶层300，如图4a和图4b所示。第一外延材料通常可以采用硅材料进行外延，由于硅材料为低迁移率的外延材料，能够在单晶晶粒阵列200上形成良好的单晶籽晶层300，同时与后续高迁移率的第二外延材料具有良好的晶格适配能力，有利于后续的第二外延材料形成质量良好的单晶薄膜层400。
45.在所述单晶籽晶层300上以第二外延材料进行外延，以获得单晶薄膜层400；其中，所述第二外延材料的迁移率大于所述第一外延材料的迁移率。在一些实施例中，如图5a和图5b所示，经过第一外延材料形成的单晶籽晶层300，能够获得预定的晶向取向，第二外延材料在单晶籽晶层300上形成，能够获得大面积的质量良好的单晶薄膜层400。
46.在本实施例提供的技术方案中，采用多个单晶晶粒形成的阵列作为籽晶层，在单晶晶粒阵列200上进行外延形成单晶籽晶层300，在单晶籽晶层300上进行第二次外延，形成高质量的单晶薄膜材料。由于第二外延材料为高迁移率材料，如果将第二外延材料直接在单晶晶粒阵列200上进行外延，难以获得良好的单晶薄膜，因此，在本发明提供的技术方案中，首先采用低迁移率材料作为第一外延材料形成单晶籽晶层300，单晶籽晶层300具有良好的结晶取向，再单晶籽晶层300上采用第二外延材料进行外延时，能够获得良好的单晶薄膜。
47.作为一种可选的实施方式，制备绝缘衬底包括：
48.在绝缘层100上形成多个凹陷110结构，所述凹陷110结构用于获取单一的结晶取向；在一些实施例中，如图1a和图1b所示，在绝缘层100上设置多个凹陷110结构，在后续的非晶材料的退火过程中，凹陷110中的非晶材料会受到凹陷110结构的限制，从而，形成单一的结晶取向，随着退火的进程，非晶薄膜会转变为与凹陷110结构中的结晶取向相同的单晶晶粒。
49.在所述绝缘层100上形成非晶薄膜；在一些实施例中，如图1a和图1b所示，在设置
有凹陷110结构的绝缘层100上形成非晶薄膜，在形成过程中，会对绝缘层100上的凹陷110结构形成填充，本领域技术人员应当能够理解，在非晶薄膜的形成过程中，会形成与凹陷110结构对应的随形结构，因此，在非晶薄膜形成之后，需要进行平坦化处理。
50.对所述非晶薄膜进行退火，以形成规则多晶薄膜；在一些实施例中，如图1a和图1b所示，由于在绝缘层100上具有多个凹陷110结构，在非晶薄膜转换为单晶晶粒的过程中，会以凹陷110结构中的晶向为预定的晶向进行生成。相邻两个单晶晶粒之间会形成晶界，因此，整个多晶薄膜为多晶薄膜。
51.对所述规则多晶薄膜进行晶向腐蚀，以保留单晶晶粒阵列200；在一些实施例中，如图2a和图2b所示，在进行晶向腐蚀时，由于对晶界、缺陷以及不符合预期的晶向进行了腐蚀，从而，去除了不符合预期的晶向，也将多个单晶晶粒进行了划分，从而，每个晶粒均为单晶晶粒，多个单晶晶粒按照周期进行排列形成了单晶晶粒阵列200。
52.向所述单晶晶粒阵列200中腐蚀形成的凹槽中填充绝缘介质220。在一些实施例中，如图3a和图3b所示，由于后续的第一外延材料进行外延时，需要在平坦的平面上进行，因此，在本实施方式中对凹槽进行填充，填充时所使用的绝缘介质例如可以为硅材料形成的绝缘介质220，还可以为氮化硅或者氧化铝形成的绝缘介质220。
53.在本实施方式中，采用凹陷110结构对晶向进行限制，从而，在退火过程中，整个非晶薄膜以凹陷110结构的晶向为基础，形成多个单晶晶粒。能够为后续的第一外延材料的外延提供一个单一晶向的籽晶层，有利于后续的第一外延材料的晶向控制。
54.作为一种可选的实施方式，对所述规则多晶薄膜进行晶向腐蚀包括：采用氢氟酸和重铬酸钾的混合水溶液对所述规则多晶薄膜进行晶向腐蚀。在一些实施例中，氢氟酸和重铬酸钾的混合水溶液，能够实现对多晶薄膜中的晶界、缺陷以及不符合预期的晶向进行腐蚀，从而，仅保存单晶晶粒的阵列。
55.作为一种可选的实施方式，对所述非晶薄膜进行退火包括：
56.在非晶薄膜的表面形成结晶抑制膜层，以使非晶薄膜在退火过程中沿横向结晶；在一些实施例中，采用激光退火之前，在表面沉积300～500a氧化硅活氮化硅薄膜，一方面用于抑制结晶过程中的纵向生长，另一方面可以提高激光的吸收效率；
57.采用激光退火的方式对所述非晶薄膜进行退火；在一些实施例中，采用激光退火的方式对非晶薄膜进行退火能够快速且均匀的对非晶薄膜进行加热，能够提高加热的效率和均匀性。
58.当所述非晶薄膜的厚度小于500埃米时，选择355纳米以下的激光波长进行激光退火；当所述非晶薄膜的厚度不小于500埃米时，选择475纳米以上的激光波长进行激光退火。在一些实施例中，由于激光的波长越小，能量越高，因此，在薄膜的厚度较小时，其散热速度更快，因此，需要以更高的能量密度进行加热，选择较小的激光波长，当薄膜的厚度较大时，选择较长的激光波长。
59.作为一种可选的实施方式，在绝缘层100上形成多个凹陷110结构包括：在绝缘介质上形成周期性排列的凹陷110结构，其中，所述凹陷110结构的尺寸小于0.5微米，相邻的凹陷110结构之间的距离小于10微米。在一些实施例中，为了限制凹陷110中退火时形成的晶向，在本实施方式中，将凹陷110结构的尺寸设置为小于0.5微米。为了确保单晶晶粒的质量，需要将相邻的凹陷110结构之间设置合适的间距，在本实施方式中选取了小于10微米的
间距。
60.作为一种可选的实施方式，在所述绝缘层100上形成非晶薄膜包括：在所述绝缘层100上采用物理气相沉积或者化学气相沉积的方法形成非晶薄膜材料。在一些实施例中，由于物理气相沉积或者化学气相沉积具有低成本、高效率的特点，为了降低薄膜材料的制备成本，在本实施方式中，通过物理气相沉积或者化学气相沉积的方法形成非晶薄膜材料。
61.作为一种可选的实施方式，向所述单晶晶粒阵列200中腐蚀形成的凹槽中填充绝缘介质包括：采用原子层沉积的方式向所述单晶晶粒阵列200中腐蚀形成的凹槽中填充绝缘介质220。在本实施方式中，由于单晶晶粒阵列200中腐蚀形成的凹槽尺寸极小，为了获取良好的填充效果，在本实施方式中，通过原子层沉积的方式向单晶晶粒阵列200中腐蚀形成的凹槽进行介质填充。或者，对所述单晶晶粒阵列进行硅氧化，以使所述单晶晶粒的表层膨胀，填充所述凹槽。在一些实施例中，硅在氧化的过程中，变为氧化硅，由于氧原子的增加，会使其提及发生膨胀，因此，可以通过硅氧化的膨胀作用将晶界填充，其氧化过程可以是热氧也可以是低温臭氧氧化。
62.作为一种可选的实施方式，在绝缘层100上形成多个凹陷110结构包括：在所述绝缘层100上形成多个盲孔或者多个凹槽。在一些实施方式中，凹陷110结构设置为盲孔，在退火过程中，受到盲孔的限制，在盲孔中的非晶材料会转变为单一结晶取向的单晶材料，例如，形成的晶向可以为[0,0,1]。同理，还可以将凹陷110结构设置为凹槽，在退火过程中，受到凹槽的限制，在凹槽中的非晶材料会转变为单一结晶取向的单晶材料。
[0063]
本发明实施例还提供一种绝缘体上单晶薄膜层400叠结构，包括：
[0064]
由下向上依次层叠设置的绝缘衬底、第一外延材料和第二外延材料；其中，
[0065]
所述绝缘衬底包括绝缘层100和设置在所述绝缘层100上的单晶晶粒阵列200；
[0066]
所述第二外延材料的迁移率大于所述第一外延材料的迁移率。
[0067]
在一些实施例中，绝缘衬底包括绝缘层100，例如可以为氧化硅制备的薄膜作为绝缘层100，绝缘层100上形成有非晶材料，如图1a至图1b所示；非晶材料经退火后形成多晶薄膜，对多晶薄膜进行晶向腐蚀，去除晶界、缺陷以及不符合预期的晶向区域，从而，保留单晶晶粒阵列200，如图2a和图2b所示。其中，单晶晶粒阵列200中的单个的晶粒为单晶晶粒，整个阵列是以多个单晶晶粒按照周期排列形成的阵列。由于经过晶向腐蚀之后，在单晶晶粒阵列200的晶粒之间具有沟槽210，为了实现第一外延材料的外延，需要提供一个平整的平面，因此，需要首先对沟槽210进行填充，例如，可以采用氧化硅对沟槽210进行填充并进行平坦化，得到如图3a和图3b所示的结构。在得到的平面上以第一外延材料进行外延，形成单晶籽晶层300，如图4a和图4b所示。第一外延材料通常可以采用硅材料进行外延，由于硅材料为低迁移率的外延材料，能够在单晶晶粒阵列200上形成良好的单晶籽晶层300，同时与后续高迁移率的第二外延材料具有良好的晶格适配能力，有利于后续的第二外延材料形成质量良好的单晶薄膜层400。如图5a和图5b所示，经过第一外延材料形成的单晶籽晶层300，能够获得预定的晶向取向，第二外延材料在单晶籽晶层300上形成，能够获得大面积的质量良好的单晶薄膜层400。
[0068]
在本实施例提供的技术方案中，采用多个单晶晶粒形成的阵列作为籽晶层，在单晶晶粒阵列200上进行外延形成单晶籽晶层300，在单晶籽晶层300上进行第二次外延，形成高质量的单晶薄膜材料。由于第二外延材料为高迁移率材料，如果将第二外延材料直接在
单晶晶粒阵列200上进行外延，难以获得良好的单晶薄膜，因此，在本发明提供的技术方案中，首先采用低迁移率材料作为第一外延材料形成单晶籽晶层300，单晶籽晶层300具有良好的结晶取向，再单晶籽晶层300上采用第二外延材料进行外延时，能够获得良好的单晶薄膜。
[0069]
作为一种可选的实施方式，所述绝缘衬底上设置有多个凹陷110结构，所述单晶晶粒阵列200中的单晶晶粒与所述凹陷110结构一一对应的一体形成。在一些实施例中，如图1a和图1b所示，在设置有凹陷110结构的绝缘层100上形成非晶薄膜，在形成过程中，会对绝缘层100上的凹陷110结构形成填充，本领域技术人员应当能够理解，在非晶薄膜的形成过程中，会形成与凹陷110结构对应的随形结构，因此，在非晶薄膜形成之后，需要进行平坦化处理。由于在绝缘层100上具有多个凹陷110结构，在非晶薄膜转换为单晶晶粒的过程中，会以凹陷110结构中的晶向为预定的晶向进行生成。相邻两个单晶晶粒之间会形成晶界，因此，整个多晶薄膜为多晶薄膜。如图2a和图2b所示，在进行晶向腐蚀时，由于对晶界、缺陷以及不符合预期的晶向进行了腐蚀，从而，去除了不符合预期的晶向，也将多个单晶晶粒进行了划分，从而，每个晶粒均为单晶晶粒，多个单晶晶粒按照周期进行排列形成了单晶晶粒阵列200，每个单晶晶粒对应一个凹陷110结构。
[0070]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。