一種絕緣體上Si/CoSi₂襯底材料及其制備方法

專利名稱：一種絕緣體上Si/CoSi₂襯底材料及其制備方法
—種絕緣體上s i /CoS i 2襯底材料及其制備方法技術領域
本發明屬于半導體領域，特別是涉及一種絕緣體上Si/CoSi2襯底材料及其制備方 法。
背景技術：
SOI (Silicon-On-1nsulator,絕緣襯底上的娃)技術是在頂層娃和背襯底之間引 入了一層埋氧化層。通過在絕緣體上形成半導體薄膜，SOI材料具有了體硅所無法比擬的 優點:可以實現集成電路中元器件的介質隔離，徹底消除了體硅CMOS電路中的寄生閂鎖效 應；采用這種材料制成的集成電路還具有寄生電容小、集成密度高、速度快、工藝簡單、短溝 道效應小及特別適用于低壓低功耗電路等優勢，因此可以說SOI將有可能成為深亞微米的 低壓、低功耗集成電路的主流技術。
傳統的SOI襯底包括背襯底，絕緣層以及絕緣層上的頂層硅，一般雙極電路、 BiCMOS電路的制造需要在傳統SOI頂層硅中制作集電區重摻雜埋層，以降低集電極電阻與 增加襯底的擊穿電壓，但是，這樣的制作工藝步驟復雜，且占用了部分頂層硅的空間，增加 了頂層硅的厚度。發明內容
鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種絕緣體上Si/CoSi2襯 底材料及其制備方法，在傳統SOI襯底的絕緣層和頂層娃之間插入一層金屬娃化物CoSi2, 以代替常規SOI雙極晶體管中的集電區重摻雜埋層，從而達到減小雙極電路所需頂層硅厚 度、簡化工藝等目的。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的 制備方法，所述制備方法至少包括以下步驟:1)提供第一 Si襯底，在所述第一 Si襯底表面 依次形成Co層與Ti層；2)進行第一次退火以使所述第一 Si襯底與所述Co層反應生成 CoSi層，然后去除所述Ti層及未反應的Co層，接著進行第二次退火以使所述CoSi層轉變 成CoSi2層；3)在所述CoSi2層表面形成第一 SiO2層，然后進行H離子注入以在所述第一 Si襯底形成剝離界面；4)提供具有第二 SiO2層的第二 Si襯底，并鍵合所述第二 SiO2層與 所述第一 SiO2層，然后進行第三次退火以使所述第一 Si襯底從所述剝離界面剝離，最后對 剝離表面拋光以完成制備。
在本發明的制備方法中，所述步驟I)還包括對所述第一 Si襯底進行標準的濕式 化學清洗法清洗的步驟。
優選地，所述步驟I)中，在真空環境中淀積所述Co層與Ti層，淀積的Co層厚度 為15 30nm, Ti層厚度為5 10nm。
在本發明的制備方法中，所述第一次退火氣氛為N2氣氛，退火溫度為500 600 °C，退火時間為60秒。
在本發明的制備方法中，在60°C下選用摩爾比為1:1: 5的NH3、H2O2、H2O溶液采用濕法刻蝕去除所述Ti層，選用摩爾比為1:1: 5的HC1、H202、H2O溶液采用濕法刻蝕去除所述未反應的Co層。
在本發明的制備方法中，所述第二次退火氣氛為N2氣氛，退火溫度為800 900 °C，退火時間為60秒。
在本發明的制備方法中，所述步驟3)中形成所述第一 SiO2層后還包括對其在 900°C下退火I小時的步驟。
在本發明的制備方法中，所述步驟3)中H離子注入后還包括對所述第一 SiO2層進行拋光的步驟。
在本發明的制備方法中，所述第三次退火氣氛為N2氣氛，退火溫度為400 600°C，退火時間為30分鐘。
在本發明的制備方法中，所述步驟4)還包括第四次退火以加強所述第二 SiO2層與所述第一 SiO2層的鍵合的步驟。所述第四次退火氣氛為N2氣氛，退火溫度為800°C，退火時間為4小時。
本發明還提供一種絕緣體上Si/CoSi2襯底材料,至少包括:Si襯底；結合與所述 Si襯底表面的絕緣層；結合于所述絕緣層表面的CoSi2層；以及結合于所述CoSi2層表面的 Si頂層。
在本發明的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料中，所述CoSi2層的厚度為30 150nm。 所述Si頂層的厚度為5 200nm。
如上所述，本發明的絕緣體上底材料及其制備方法，具有以下有益效果:通過Co與Si襯底兩次反應生成CoSi2,并通過智能剝離工藝對其進行轉移，以在傳統 SOI襯底的BOX層和頂層硅之間插入一層金屬硅化物CoSi2,以代替常規SOI雙極晶體管中的集電區重摻雜埋層，從而達到減小頂層硅厚度、簡化工藝等目的。本發明的工藝簡單，適用于大規模的工業生產。


圖1 圖9顯示為本發明的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法各步驟所呈現的結構示意圖。
元件標號說明
111第一 Si 襯底
112Co 層
113Ti 層
114CoSi2 層
115第一 SiO2 層
122第二 SiO2 層
121第二 Si 襯底具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發 明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離 本發明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱圖1至圖9。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明 本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數 目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其 組件布局型態也可能更為復雜。
實施例1
如圖1 圖9所示，本發明提供一種絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法，所 述制備方法至少包括以下步驟:
請參閱圖1 圖2，如圖所示，首先進行步驟I)，提供第一 Si襯底111，所述第一 Si 襯底111為普通的硅晶圓，然后對所述第一 Si襯底111進行標準的濕式化學清洗法清洗， 以去除其表面的雜質離子及表面缺陷，在真空的環境下在所述第一 Si襯底111表面通過淀 積的方法形成Co層112，然后在所述Co層112上淀積Ti層113，淀積的Co層厚度為15 30nm, Ti層厚度為5 10nm，在本實施例中，所述Co層112的厚度為20nm，所述Ti層113 厚度為8nm。
請參閱圖3，如圖所示，然后進行步驟2)，對步驟I)完成后所得結構進行第一次退 火，退火在N2氣氛下進行，退火溫度為500 600°C，退火時間為60秒，在本實施例中，退火 溫度為550°C，以使所述第一 Si襯底111與所述Co層112反應生成CoSi層，然后在60°C 下選用摩爾比為1:1: 5的NH3、H202、H2O溶液采用濕法刻蝕去除所述Ti層113，選用摩 爾比為1:1: 5的HCl、Η202、Η20溶液采用濕法刻蝕去除所述未反應的Co層112 ;接著進 行第二次退火以使所述CoSi層轉變成CoSi2層114，其中，所述第二次退火在N2氣氛下進 行，退火溫度為800 900°C，退火時間為60秒，在本實施例中，退火溫度為850°C。
請參閱圖4 圖5,如圖所示,接著進行步驟3),在所述CoSi2層114表面通過淀積 方法形成第一 SiO2層115，所述第一 SiO2層115的厚度為400 600nm，然后根據需求以特 定的能量與特定的角度對所述第一 SiO2層115進行H離子注入，以在第一 Si襯底111形 成剝離界面，接著對所述第一 SiO2層115使用機械化學拋光法進行拋光，最后對以上所得 結構進行退火，退火溫度為900°C，退火時間為I小時，以使其更容易鍵合；
請參閱圖6 圖9，如圖所示，最后進行步驟4)，提供具有第二 SiO2層122的第二 Si襯底121，在本實施例中，所述第二 Si襯底122為普通的硅晶圓，然后對所述硅晶圓表面 進行氧化以獲得第二 SiO2層122，所述第二 SiO2層122的厚度為200 300nm，鍵合所述第 二 SiO2層122與所述第一 SiO2層115，以形成鍵合SiO2層123，然后進行第三次退火以使 所述第一 Si襯底111從所述剝離界面剝離，在具體的實施過程中，在N2氣氛中對鍵合以后 的結構進行第三次退火，退火溫度為400 600°C，退火時間為30分鐘，在本實施例中，退 火溫度為500°C，使所述剝離界面附近的H離子逐漸聚集并形成氣泡，氣泡膨脹最終使所述 第一 Si襯底111在剝離界面處分離，接著，對分離后的結構進行第四次退火，退火氣氛為N2 氣氛，退火溫度為800°C，退火時間為4小時，以加強所述第二 SiO2層122與所述第一 SiO2 層115之間的鍵合強度，以形成鍵合SiO2層123，最后，對剝離后的所述第一 Si襯底111表 面采用機械化學拋光法進行拋光以完成所述絕緣體上Si/CoSi2襯底材料制備。
請參閱圖9,如圖所示,本發明還提供一種絕緣體上Si/CoSiJf底材料,至少包括:Si襯底111 ;結合與所述Si襯底121表面的絕緣層123 ;結合于所述絕緣層表面的CoSi2層 114 ;以及結合于所述CoSi2層114表面的Si頂層111，所述CoSi2層的厚度為30 150nm， 所述Si頂層的厚度為5 200nm，在本實施例中，所述CoSi2層114的厚度為80nm。所述 Si頂層111的厚度為IOOnm0
實施例2
請參閱圖1 圖9,如圖所示,所述絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法的基本 步驟如實施例1，其中，所述Co層112的厚度選用15nm，所述Ti層113厚度為5nm。所述第 一次退火溫度選用500°C，所述第二次退火選用800°C，所述第三次退火選用400°C。
請參閱圖9,如圖所示,所述絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的基本結構如實施例1, 其中，所述CoSi2層114的厚度為30nm。所述Si頂層111的厚度為5nm。
實施例3
請參閱圖1 圖9,如圖所示,所述絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法的基本 步驟如實施例1，其中，所述Co層112的厚度選用30nm，所述Ti層113厚度為10nm。所述 第一次退火溫度選用600°C，所述第二次退火選用900°C，所述第三次退火選用600°C。
請參閱圖9,如圖所示,所述絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的基本結構如實施例1, 其中，所述CoSi2層114的厚度為150nm。所述Si頂層111的厚度為200nm。
綜上所述，本發明的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料及其制備方法通過Co與Si襯底 兩次反應生成CoSi2,并通過智能剝離工藝對其進行轉移，以在傳統SOI襯底的BOX層和頂 層硅之間插入一層金屬硅化物CoSi2,以代替常規SOI雙極晶體管中的集電區重摻雜埋層， 從而達到減小頂層硅厚度、簡化工藝等目的。本發明的工藝簡單，適用于大規模的工業生 產。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟 悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因 此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法至少包括 以下步驟:1)提供第一Si襯底，在所述第一 Si襯底表面依次形成Co層與Ti層；2)進行第一次退火以使所述第一Si襯底與所述Co層反應生成CoSi層，然后去除所述 Ti層及未反應的Co層，接著進行第二次退火以使所述CoSi層轉變成CoSi2層；3)在所述CoSi2層表面形成第一SiO2層，然后進行H離子注入以在所述第一 Si襯底 形成剝離界面；4)提供具有第二SiO2層的第二 Si襯底，并鍵合所述第二 SiO2層與所述第一 SiO2層， 然后進行第三次退火以使所述第一 Si襯底從所述剝離界面剝離，最后對剝離表面拋光以 完成制備。
2.根據權利要求1所述的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法，其特征在于:所述 步驟I)還包括對所述第一 Si襯底進行標準的濕式化學清洗法清洗的步驟。
3.根據權利要求1所述的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法，其特征在于:所述 步驟I)中，在真空環境中淀積所述Co層與Ti層，淀積的Co層厚度為15 30nm，Ti層厚 度為5 IOnm0
4.根據權利要求1所述的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法，其特征在于:所述 第一次退火氣氛為N2氣氛,退火溫度為500 600°C,退火時間為60秒。
5.根據權利要求1所述的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法，其特征在于:在 60°C下選用摩爾比為1:1: 5的ΝΗ3、Η202、Η20溶液采用濕法刻蝕去除所述Ti層，選用摩 爾比為1:1: 5的HCl、H202、H2O溶液采用濕法刻蝕去除所述未反應的Co層。
6.根據權利要求1所述的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法，其特征在于:所述 第二次退火氣氛為N2氣氛，退火溫度為800 900°C，退火時間為60秒。
7.根據權利要求1所述的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法，其特征在于:所述 步驟3)中形成所述第一 SiO2層后還包括對其在900°C下退火I小時的步驟。
8.根據權利要求1所述的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法，其特征在于:所述 步驟3)中H離子注入后還包括對所述第一 SiO2層進行拋光的步驟。
9.根據權利要求1所述的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法，其特征在于:所述 第三次退火氣氛為N2氣氛，退火溫度為400 600°C，退火時間為30分鐘。
10.根據權利要求1所述的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法，其特征在于:所述 步驟4)還包括第四次退火以加強所述第二 SiO2層與所述第一 SiO2層的鍵合的步驟。
11.根據權利要求10所述的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料的制備方法，其特征在于:所 述第四次退火氣氛為N2氣氛，退火溫度為800°C，退火時間為4小時。
12.—種絕緣體上Si/CoSi2襯底材料，其特征在于，至少包括:Si襯底；結合與所述Si 襯底表面的絕緣層；結合于所述絕緣層表面的CoSi2層；以及結合于所述CoSi2層表面的Si 頂層。
13.根據權利要求12所述的絕緣體上Si/CoSi2襯底材料，其特征在于:所述CoSi2層 的厚度為30 150nm。
14.根據權利要求12所述的絕緣體上Si/CoSidi底材料，其特征在于:所述Si頂層的 厚度為5 200nm。
全文摘要
本發明提供一種絕緣體上Si/CoSi2襯底材料及其制備方法，通過Co與Si襯底兩次反應生成CoSi2，并通過智能剝離工藝對其進行轉移，以在傳統SOI襯底的BOX層和頂層硅之間插入一層金屬硅化物CoSi2，以代替常規SOI雙極晶體管中的集電區重摻雜埋層，從而達到減小頂層硅厚度、簡化工藝等目的。本發明的工藝簡單，適用于大規模的工業生產。
文檔編號H01L21/762GK103137539SQ20111038380
公開日2013年6月5日 申請日期2011年11月28日 優先權日2011年11月28日
發明者張波, 俞文杰, 趙清太, 狄增峰, 張苗, 王曦 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所