超薄绝缘体上硅（SOI）衬底基片及其制备方法与流程

超薄绝缘体上硅(soi)衬底基片及其制备方法
技术领域
1.本技术涉及半导体相关技术领域，尤其涉及一种超薄绝缘体上硅(soi)衬底基片及其制备方法。


背景技术：

2.soi指的是绝缘衬底上的硅基片技术，由于具有低寄生电容、低短沟道效应、低功耗以及良好的抗闭锁性等优点，使用soi衬底基片技术制备的集成电路广泛应用于高速度、低功耗、高集成度以及高可靠性领域。soi衬底基片包括衬底体硅、埋氧化层以及顶层硅，其中，埋氧化层和顶层硅的厚度及厚度均匀性是影响soi衬底基片品质的重要参数。若soi衬底基片具有超薄的顶层硅和埋氧化层，则使用该soi衬底基片制备的集成电路具有更优的性能。但soi衬底基片的传统制备方法不能得到超薄的埋氧化层和顶层硅，且埋氧化层和顶层硅的厚度均匀性不易控制，影响了soi衬底基片的品质，并限制了soi衬底基片在高速度、低压、低功耗领域的应用范围。


技术实现要素：

3.本技术的目的是提供一种超薄绝缘体上硅(soi)衬底基片的制备方法，通过该方法能够制备薄且具有良好厚度均匀性的埋氧化层和单晶硅层，其能够减小阈值电压(v
t
)变异性，增强soi衬底基片的稳定性，并增大其在低压、低功耗领域的应用范围。
4.另一目的还在于提供一种超薄绝缘体上硅(soi)衬底基片。
5.第一方面，本技术实施例提供一种超薄绝缘体上硅(soi)衬底基片的制备方法，其包括以下步骤：
6.提供一单晶硅背衬底，并在单晶硅背衬底的上表面形成具有第一厚度的埋氧化层；
7.刻蚀埋氧化层，并形成贯穿该埋氧化层的窗口，该窗口暴露出单晶硅背衬底的部分上表面；
8.以单晶硅背衬底为籽晶，并沿窗口生长出具有第二厚度的单晶硅层；单晶硅层覆盖埋氧化层的上表面以及窗口，且晶向与单晶硅背衬底的晶向相同。
9.在一种可能的实施方案中，以单晶硅背衬底为籽晶，并沿窗口生长出具有第二厚度的单晶硅层的步骤包括：
10.在埋氧化层的上表面以及窗口沉积非晶态硅层或多晶硅层；
11.对非晶态硅层或多晶硅层退火处理；非晶态硅层或多晶硅层以单晶硅背衬底为籽晶，并自窗口处结晶为与单晶硅背衬底晶向相同的单晶硅层。
12.在一种可能的实施方案中，单晶硅层的厚度取决于非晶态硅层或多晶硅层的厚度。
13.在一种可能的实施方案中，在以单晶硅背衬底为籽晶，并沿窗口生长出具有第二厚度的单晶硅层的步骤中，单晶硅层的数量为一个；
14.或者，单晶硅层的数量为多个，多个单晶硅层沿单晶硅背衬底高度(垂直于单晶硅背衬底上表面)方向布置；单晶硅层按照自下而上的顺序定义为第1单晶硅层，第n-1单晶硅层，第n单晶硅层，n大于或等于2；在第n-1单晶硅层的上表面沉积非晶态硅层或多晶硅层，非晶态硅层或多晶硅层以第n-1单晶硅层为籽晶，并结晶为第n单晶硅层。
15.第二方面，本技术实施例提供一种超薄绝缘体上硅(soi)衬底基片，其包括：
16.单晶硅背衬底；
17.具有第一厚度的埋氧化层，设在单晶硅背衬底的上表面；埋氧化层开设有窗口，窗口贯穿埋氧化层并暴露出单晶硅背衬底的部分上表面；
18.具有第二厚度的单晶硅层，覆盖埋氧化层的上表面以及窗口；单晶硅层通过以单晶硅背衬底为籽晶，以窗口作为生长窗口由非晶态硅层或多晶硅层结晶而成；单晶硅层的晶向与单晶硅背衬底的晶向相同。
19.在一种可能的实施方案中，窗口的总面积等于或大于单晶硅背衬底的上表面总面积的1％。
20.在一种可能的实施方案中，窗口的截面为圆形、多边形、弧形或环形。
21.在一种可能的实施方案中，单晶硅层的厚度等于或小于20nm；埋氧化层的厚度等于或小于50nm。
22.在一种可能的实施方案中，单晶硅层的厚度介于10～15nm或者5～10nm；埋氧化层的厚度介于20～30nm或者10～20nm。
23.在一种可能的实施方案中，埋氧化层和单晶硅层的厚度均匀性均等于或小于5埃。
24.在一种可能的实施方案中，单晶硅层的晶向为[100]、[110]或[111]；单晶硅背衬底的晶向与单晶硅层的晶向相同。
[0025]
在一种可能的实施方案中，单晶硅层的数量为一个；或者，单晶硅层的数量为多个，多个单晶硅层沿单晶硅背衬底高度(垂直于单晶硅背衬底上表面)方向布置。
[0026]
与现有技术相比，本技术的有益效果至少如下：
[0027]
1)利用本技术所提供的制备方法能够得到具有薄且良好厚度均匀性的埋氧化层和单晶硅层的soi衬底基片，由于该soi衬底基片具有薄的埋氧化层和单晶硅层，该soi衬底基片具有小的垂直场，改善了短沟道效应，减小了阈值电压(v
t
)变异性，增强了soi衬底基片的稳定性，并增大其在低压、低功耗领域的应用范围。另外，埋氧化层和单晶硅层均具有良好的厚度均匀性，其能够减小由厚度不均匀所导致的阈值电压(v
t
)变异性。
[0028]
2)本技术所提供的制备方法以单晶硅背衬底为籽晶，以窗口作为生长窗口生长出晶向与单晶硅背衬底晶向相同的单晶硅层，即利用该方法能够制备得到具有特定晶向的单晶硅层的soi衬底基片。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0030]
图1为根据本技术实施例示出的一种超薄绝缘体上硅(soi)衬底基片的制备方法
的示意图；
[0031]
图2为根据本技术实施例示出的单晶硅背衬底上形成有埋氧化层的截面示意图；
[0032]
图3为根据本技术实施例示出的埋氧化层上设有窗口的截面示意图；
[0033]
图4为根据本技术实施例示出的埋氧化层上表面及窗口处形成有非晶态硅层或多晶硅层的截面示意图；
[0034]
图5为根据本技术实施例示出的一种超薄绝缘体上硅(soi)衬底基片的截面示意图。
[0035]
图示说明：
[0036]
100单晶硅背衬底；200埋氧化层；210窗口；300非晶态硅层或多晶硅层；400单晶硅层。
具体实施方式
[0037]
以下通过特定的具体实施例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或营业，本技术中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。
[0038]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”和“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”和“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0039]
现有绝缘体上硅(soi)衬底基片的传统制备方法包括外延层转移技术(eltran)或智能剥离技术(smart-cut)。当利用上述制备方法制备soi衬底基片时，埋氧化层和单晶硅层的厚度及厚度均匀性不易控制，且不适用于制备单晶硅层厚度小于100nm的soi衬底基片，从而会影响soi衬底基片的品质，并限制了soi衬底基片在高速度、低压、低功耗领域的应用范围。另外，采用现有制备方法制备soi衬底基片时，单晶硅层的晶向是随机的，无法制备具有特定晶向的单晶硅层的soi衬底基片。因此，本技术设计一种超薄绝缘体上硅(soi)衬底基片及其制备方法，以解决现有绝缘体上硅(soi)衬底基片中所存在的问题。
[0040]
根据本技术的一个方面，提供了一种超薄绝缘体上硅(soi)衬底基片的制备方法。参见图1，该制备方法包括以下步骤：
[0041]
s1、提供一单晶硅背衬底100，并在单晶硅背衬底100的上表面形成具有第一厚度的埋氧化层200。
[0042]
在一种实施方式中，参见图2，单晶硅背衬底100的晶向可选择为[100]、[110]或者[111]。在单晶硅背衬底100的上表面形成埋氧化层200，埋氧化层200的制备材料为硅的氧化物，具体包括氧化硅、氮化硅、碳化硅或氮氧化硅的一种或多种，其可以采用诸如等离子体增强化学的气相沉积法(pecvd)等方法形成。埋氧化层200的厚度等于或小于50nm，且厚度均匀性等于或小于5埃。较佳地，埋氧化层200的厚度介于20～30nm或者10～20nm。
[0043]
s2、刻蚀埋氧化层200，并形成贯穿该埋氧化层200的窗口210，该窗口210暴露出单晶硅背衬底100的部分上表面。
[0044]
在一种实施方式中，参见图3，刻蚀埋氧化层200并形成后续用作单晶硅层生长的窗口210，该窗口210自上而下贯穿埋氧化层200并暴露出单晶硅背衬底100的部分上表面。窗口210的数量可为一个，也可为多个；在窗口210的数量为多个时，多个窗口210按照预定排列方式布置在埋氧化层200上。窗口210的截面为圆形、多边形、弧形或环形，其总面积等于或大于单晶硅背衬底100的上表面总面积的1％。
[0045]
后续利用该soi衬底基片制作soi器件时，需在soi衬底基片上制作浅沟槽(sti)，浅沟槽(sti)的位置与窗口210的位置相同，只需在该窗口210的基础上，对其进一步刻蚀即可。浅沟槽(sti)的总面积为单晶硅背衬底100的上表面总面积的10％-50％。
[0046]
s3、以单晶硅背衬底100为籽晶，并沿窗口210生长出具有第二厚度的单晶硅层400；单晶硅层400覆盖埋氧化层200的上表面以及窗口210，且晶向与单晶硅背衬底100的晶向相同。
[0047]
在一种实施方式中，参见图4和图5，在埋氧化层200的上表面以及窗口210沉积非晶态硅层或多晶硅层300。对非晶态硅层或多晶硅层300退火处理，在退火处理过程中，非晶态硅层或多晶硅层300以单晶硅背衬底100为籽晶，并自窗口210处结晶为与单晶硅背衬底100晶向相同的单晶硅层400。单晶硅层400的厚度等于或小于20nm，且厚度均匀性等于或小于5埃。较佳地，单晶硅层400的厚度介于10～15nm或者5～10nm。
[0048]
对非晶态硅层或多晶硅层300退火处理时，将该soi衬底基片置于真空或低压(惰性气体或h2环境)中，并于1400℃退火，则非晶态硅层或多晶硅层300从窗口210处开始结晶，并继续将埋氧化层200上表面的非晶态硅层或多晶硅层300结晶为单晶硅层400。由于非晶态硅层或多晶硅层300与单晶硅背衬底100通过窗口210连接，则非晶态硅层或多晶硅层300以单晶硅背衬底100作为籽晶，以窗口210作为生长窗口结晶为与单晶硅背衬底100晶向相同的单晶硅层400。例如，在单晶硅背衬底100的晶向为[100]时，单晶硅层400的晶向为[100]；在单晶硅背衬底100的晶向为[110]时，单晶硅层400的晶向为[110]。
[0049]
对非晶态硅层或多晶硅层300退火处理时，通过使用加热器、白光或激光扫描对非晶态硅层或多晶硅层300的整个区域同时进行退火处理；或者，通过使用加热器、白光或激光多通道扫描对非晶态硅层或多晶硅层300的局部区域进行退火处理。
[0050]
较佳地，在形成单晶硅层400之后，可对整个soi衬底基片进行氢气h2处理，以平滑单晶硅层400的表面。
[0051]
在本实施例中，埋氧化层200和单晶硅层400的厚度分别取决于退火处理前所沉积的硅的氧化物、以及非晶态硅层或多晶硅层300的厚度。
[0052]
在一种实施方式中，在以单晶硅背衬底100为籽晶，并沿窗口210生长出具有第二厚度的单晶硅层400的步骤中，单晶硅层400的数量为一个。
[0053]
作为可替换的实施方式，单晶硅层400的数量为多个，多个单晶硅层400之间的晶向相同。多个单晶硅层400沿单晶硅背衬底100高度(垂直于单晶硅背衬底100上表面)方向布置，单晶硅层400按照自下而上的顺序定义为第1单晶硅层，第n-1单晶硅层，第n单晶硅层，n大于或等于2。在第n-1单晶硅层的上表面沉积预设厚度的非晶态硅层或多晶硅层，该非晶态硅层或多晶硅层以第n-1单晶硅层为籽晶，并结晶为第n单晶硅层。
[0054]
根据本技术的一个方面，提供了一种超薄绝缘体上硅(soi)衬底基片。该超薄绝缘体上硅(soi)衬底基片采用上述实施例中的制备方法制备而成。参见图5，该超薄绝缘体上
硅(soi)衬底基片包括单晶硅背衬底100、埋氧化层200和单晶硅层400。埋氧化层200设在单晶硅背衬底100的上表面，且开设有窗口210；该窗口210自上而下贯穿埋氧化层200并暴露出单晶硅背衬底100的部分上表面；埋氧化层200具有第一厚度。单晶硅层400覆盖埋氧化层200的上表面以及窗口210，单晶硅层400通过以单晶硅背衬底100为籽晶，以窗口210作为生长窗口由非晶态硅层或多晶硅层300结晶而成；单晶硅层400的晶向与单晶硅背衬底100的晶向相同；单晶硅层400具有第二厚度。
[0055]
其中，单晶硅背衬底100的晶向可选择为[100]、[110]或者[111]。在单晶硅背衬底100的晶向为[100]时，单晶硅层400的晶向为[100]；在单晶硅背衬底100的晶向为[110]时，单晶硅层400的晶向为[110]。
[0056]
在一种实施方式中，窗口210的数量可为一个，也可为多个；在窗口210的数量为多个时，多个窗口210按照预定排列方式布置在埋氧化层200上。窗口210的截面为圆形、多边形、弧形或环形，其总面积等于或大于单晶硅背衬底100的上表面总面积的1％。
[0057]
在一种实施方式中，埋氧化层200为氧化硅层、氮化硅层、碳化硅层或氮氧化硅层的一种或多种。埋氧化层200的厚度等于或小于50nm，且厚度均匀性等于或小于5埃。较佳地，埋氧化层200的厚度介于20～30nm或者10～20nm。
[0058]
单晶硅层400的厚度等于或小于20nm，且厚度均匀性等于或小于5埃。较佳地，单晶硅层的厚度介于10～15nm或者5～10nm。
[0059]
需要说明的是，单晶硅层400和埋氧化层200的厚度和厚度均匀性均是示例性的，单晶硅层400和埋氧化层200的厚度和厚度均匀性可根据绝缘体上硅(soi)衬底基片的实际应用需求去调整。
[0060]
在一种实施方式中，单晶硅层400的数量为一个；或者，单晶硅层400的数量为多个。在单晶硅层400的数量为多个时，多个单晶硅层400沿单晶硅背衬底100高度(垂直于单晶硅背衬底100上表面)方向布置，且多个单晶硅层400之间的晶向相同。多个单晶硅层400按照自下而上的顺序定义为第1单晶硅层，第n-1单晶硅层，第n单晶硅层，n大于或等于2。在第n-1单晶硅层的上表面沉积预设厚度的非晶态硅层或多晶硅层，该非晶态硅层或多晶硅层以第n-1单晶硅层为籽晶，并结晶为第n单晶硅层。
[0061]
由以上的技术方案可知，利用本技术所提供的制备方法能够得到具有薄且良好厚度均匀性的埋氧化层200和单晶硅层400的soi衬底基片，由于该soi衬底基片具有薄的埋氧化层200和单晶硅层400，该soi衬底基片具有小的垂直场，改善了短沟道效应，减小了阈值电压(v
t
)变异性，增强了soi衬底基片的稳定性，并增大其在低压、低功耗领域的应用范围。另外，埋氧化层200和单晶硅层400均具有良好的厚度均匀性，其能够减小由厚度不均匀所导致的阈值电压(v
t
)变异性。
[0062]
进一步地，本技术所提供的制备方法以单晶硅背衬底100为籽晶，以窗口210作为生长窗口生长出晶向与单晶硅背衬底100晶向相同的单晶硅层400，即利用该方法能够制备得到具有特定晶向的单晶硅层400的soi衬底基片。
[0063]
以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本技术的保护范围。