一种衬底外延层表面寄生电导效应的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种衬底外延层表面寄生电导效应的方法。

背景技术

复合薄膜在当今半导体产业中成为越来越重要的材料。其满足了电子元器件向小型化、低功耗、高性能方向发展的要求。近年来一种被称为绝缘体上的薄膜结构材料越来越引起工业界的重视。其主要包含最上方的有源层、中间的绝缘介质层和半导体衬底。有源层可以为半导体薄膜(如Si，Ge，GaAs，SiC)，压电薄膜(铌酸锂和钽酸锂)，铁电薄膜等。这种材料在CPU芯片、存储器、放大器、滤波器、调制器的都展现出良好的应用性能。

当绝缘体与半导体材料接触时，界面上会由于缺陷能级的存在吸引附近半导体材料中的载流子在界面附近集中，产生表面寄生电导效应(PSC)。这种效应会对一些元器件的最终性能带来恶劣的影响，如MOS器件中电学性能稳定性，一些射频器件如放大器，滤波器，调制器等的射频损耗。申请号202111432984.7的专利公开了一种压电衬底的制备方法、压电衬底及声波器件，通过在支撑层和介质层之间制备一层载流子俘获层来抑制PSC，防止衬底的电阻率下降。申请号为2021115859905.6的专利公开了一种复合衬底的制备方法、复合衬底及电子元器件，通过在衬底层和绝缘层之间引入富含载流子陷阱的多晶硅层来抑制PSC。虽然上述方法都可以起到抑制PSC的作用，但在后续加工中，还需要对材料加热处理，会使得被俘获的载流子从多晶硅层或俘获层中逸出，仍然会产生PSC影响后续器件的使用。因此，需要一种新的思路、新的方法消除衬底层表面寄生电导效应，避免其因后续加工使得载流子逸出产生新的表面寄生电导效应问题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种衬底外延层表面寄生电导效应的方法。本发明通过在衬底基体上制备吸杂层，在无氧气氛下退火对衬底基体所含杂质以及游离的电荷进行吸附，然后再腐蚀掉吸杂层的方法，使得衬底外延层表面的表面寄生电导效应得到有效抑制，保证衬底层在后续制备复合薄膜或器件时不会产生表面寄生电导效应。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种衬底外延层表面寄生电导效应的方法，包括以下步骤：

(1)在衬底基体上沉积吸杂层，无氧气氛下退火得到衬底基体/吸杂层；

(2)对吸杂层进行腐蚀，得到无杂质衬底层。

优选的，步骤(1)中，所述衬底基体的材质为硅、蓝宝石、石英、碳化硅、氮化硅、铌酸锂、钽酸锂或石英玻璃；所述吸杂层为多晶或者非晶碳化硅层、硅层、氮化硅层或多晶锗层中的至少一种。

优选的，步骤(1)中，所述沉积为化学气相沉积或物理气相沉积；所述退火的温度为900～1200℃，退火的时间为1-100h。

优选的，步骤(2)中，所述腐蚀为：用显影液进行湿法腐蚀，再用RCA清洗将残留的吸杂层去除。

优选的，所述湿法腐蚀的温度为50～80℃，湿法腐蚀的时间为0.5～2.5h。

优选的，步骤(2)中，所述腐蚀的厚度大于或等于吸杂层的厚度；所述吸杂层的厚度为300～5000nm。

吸杂层中存在一定密度的晶格缺陷，可以捕获存在于隔离层和衬底基板(衬底基体)之间的载流子，避免这些载流子引起第一隔离层与衬底基板界面处的载流子聚集，降低复合薄膜的损耗。

步骤(2)中，所述无杂质衬底层上还设有隔离层；所述隔离层的材质为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝，制备隔离层的方法为沉积或氧化；所述沉积为化学气相沉积或物理气相沉积；所述氧化的温度为900～1000℃。

制备隔离层的方式可以为沉积法或热氧化法，隔离层的厚度可以为200～3000nm。

本发明的第二方面，提供上述方法制备得到的衬底外延层。

本发明的第三方面，提供利用衬底外延层制备的复合薄膜，所述复合薄膜由以下方法制备：

薄膜基体通过离子注入形成薄膜层、注入层和余质层，将薄膜层和衬底外延层的工艺面键合得键合体，对键合体热处理，剥离余质层，得到复合薄膜。

优选的，所述薄膜基体的材质为铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、砷化镓、硅、陶瓷、四硼酸锂、砷化镓、磷酸钛氧钾、磷酸钛氧铷晶体或石英中的至少一种。

优选的，所述离子注入法注入的离子为氢离子、氦离子、氮离子、氧离子或氩离子；所述离子注入法的注入能量为50KeV～1000KeV、注入剂量为1×10

本发明采用现有技术中的离子注入+键合制备薄膜层，具体来说：

在薄膜基体中注入离子，从而在薄膜基体上形成薄膜层、注入层和余质层。薄膜基体是指具有一定厚度的，用于得到薄膜层的基础材料。薄膜基体可以为铌酸锂、钽酸锂、石英材料。

所注入的离子可以为通过热处理能够生成气体的离子，例如：注入离子可以为氢离子、氦离子、氮离子、氧离子或氩离子。注入氢离子时，注入剂量可以为3×10

可以通过调整离子注入深度来调整薄膜层的厚度，具体地，离子注入的深度越大，所制备的薄膜层的厚度越大；相反，离子注入的深度越小，所制备的薄膜层的厚度越小。可以通过调整离子注入剂量来调整离子注入层的扩散宽度，具体地，离子注入的剂量越大，离子注入层的扩散宽度越广；相反，离子注入的剂量越小，离子注入层的扩散宽度越窄。

将薄膜基体的薄膜层与无杂质衬底层进行键合得到键合体，对键合体进行热处理，热处理包括一退和二退，一退温度范围在180-300℃，目的是剥离掉余质层，使得薄膜层和余质层分离，二退温度范围在300-600℃，目的是消除注入损伤。在热处理过程中，注入层内形成气泡，例如，H离子形成氢气，He离子形成氦气等，随着热处理进展，注入层内的气泡连成一片，最后注入层裂开，将余质层与薄膜层分离，从而使余质层由键合体上剥离下来，在处理后的衬底顶表面形成薄膜层。之后对薄膜层进行抛光减薄至50-3000nm，得到复合薄膜。

热处理的两次退火可以提升键合力大于10MPa，并且能够恢复离子注入对薄膜层的损伤，使得所获得的钽酸锂薄膜层接近钽酸锂晶圆的性质。将键合体放入加热设备以在预定温度下进行保温预定时间。在此过程中，分离层中的离子发生化学反应变成气体分子或原子，并产生微小的气泡，随着加热时间的延长或加热温度的升高，气泡会越来越多，体积也逐渐增大。当这些气泡连成一片时，实现余料层与分离层分离，从而使薄膜层转移到隔离层上，并形成复合结构。接着，可以将复合结构放入加热设备中以在预定温度下进行保温预定时间，进而消除由离子注入工艺造成的损伤。

优选的，所述热处理包括第一次退火和第二次退火；所述第一次退火的温度为180-300℃、时间为1min-48h，所述第二次退火的温度为300-600℃、时间为1min-48h。

本发明的有益效果：

(1)本发明在衬底层上沉积吸杂层(PolySI片)，然后在无氧气氛下进行热退火，通过吸杂层(PolySI片)高温无氧气体退火将衬底层内的杂质以及游离的电荷进行吸附，解决了表面寄生电导效应(PSC)。吸杂层(PolySI片)高温无氧气体退火的作用是通过降低氧含量，从而提升多晶硅膜层的内部吸杂孔类结构的吸附能力，将吸收衬底基板内的杂质以及游离的电荷。

(2)本发明摆脱了俘获载流子的固有方式，吸杂层通过高温无氧退火，不仅将吸附了衬底层的游离电荷还将其中所含杂质吸附；再用腐蚀的方式将吸杂层去掉，得到无杂质衬底层，使得最终制备的复合薄膜从根本上摆脱了表面寄生电导效应，吸附的电荷和杂质被去除，复合薄膜层在后续热加工时不会出现电荷和杂质因受热从吸杂层逸出的问题。

附图说明

图1：不含隔离层的复合薄膜的制备流程图；

图2：含隔离层的复合薄膜的制备流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

说明：本发明所用显影液为25％四甲基氢氧化铵，型号GREENDA-SDS-004，购自杭州格林达电子材料股份有限公司，需避光使用。

本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。

实施例1

1、准备6英寸的硅晶圆和钽酸锂晶圆，将硅晶圆或者钽酸锂晶圆分别固定在抛光设备的多孔陶瓷吸盘上，进行化学机械抛光处理获得光滑表面，然后对两种晶圆进行半导体RCA清洗，获得洁净表面。将清洗后的硅晶圆作为衬底层，在衬底层上采用LPCVD工艺沉积多晶硅PolySI作为吸杂层，沉积温度控制在580～650℃，沉积厚度为300nm；然后N

2、腐蚀掉多晶硅(PolySI片)吸杂层，将显影液浸没吸杂层，在温度65℃腐蚀1.5h，将吸杂层完全腐蚀干净，再使用RCA(SC1)清洗工艺清洗，去除吸杂层腐蚀残留，得到无杂质衬底层。采用扩展电阻测试(SRP)对无杂质衬底层的体积电阻率值进行检测，其体积电阻率为4×10

采用LPCVD法在腐蚀后的无杂质衬底层(硅晶圆)上制作二氧化硅层作为隔离层，然后进行化学机械抛光至厚度为400nm，获得光滑表面，RCA清洗得到洁净表面。

3、以钽酸锂晶圆作为薄膜基体制备薄膜层：采用离子注入法向处理后的钽酸锂晶圆注入氮离子，使得钽酸锂晶圆从注入面开始依次分成余质层、注入层和薄膜层，注入的氮离子分布在注入层，得到钽酸锂注入片；采用离子注入法注入氮离子时，注入剂量为2×10

将钽酸锂晶圆注入片的薄膜层与二氧化硅层进行清洗，采用等离子体键合的方法将清洗后的薄膜层的工艺面与二氧化硅隔离层进行键合，形成键合体。然后将键合体在高温下进行退火，直至余料层从键合体上分离下来形成钽酸锂复合薄膜。退火在氮气气氛下进行，退火包括一退和二退，一退的温度为200℃，时间为10h；二退的温度为450℃、时间为10h。然后，可以将隔离层上的薄膜层研磨抛光至预定厚度，并获得复合薄膜。将复合薄膜固定在抛光设备的多孔陶瓷吸盘上，然后进行化学机械抛光处理掉80nm，最后进行RCA清洗，获得复合薄膜。

实施例2

1、准备6英寸的硅晶圆和铌酸锂晶圆，将硅晶圆或者铌酸锂晶圆分别固定在抛光设备的多孔陶瓷吸盘上，进行化学机械抛光处理获得光滑表面，然后对两种晶圆进行半导体RCA清洗，获得洁净表面。以硅晶圆作为衬底层，在清洗后的硅晶圆上采用LPCVD工艺沉积多晶硅PolySI吸杂层，沉积温度为580℃，沉积厚度为300nm。然后N

2、将显影液浸没吸杂层，在温度50℃下腐蚀2.5h，将多晶硅吸杂层完全腐蚀干净，再使用RCA(SC1)清洗工艺清洗，去除多晶硅腐蚀残留，得到无杂质衬底层。采用扩展电阻测试(SRP)对无杂质衬底层的体积电阻率值进行检测，其体积电阻率为4×10

采用LPCVD法在无杂质衬底层上制作二氧化硅隔离层，然后进行化学机械抛光至厚度为100nm，获得光滑表面，RCA清洗得到洁净表面。

3、将步骤1处理后的铌酸锂晶圆作为薄膜基体，采用剥离离子注入法注入氧离子，使铌酸锂晶圆从注入面开始依次分割成余质层、分离层和薄膜层，注入的氧离子分布在分离层，得到单晶铌酸锂晶圆注入片。离子注入的深度为440nm，注入的能量为300kev，注入的剂量为1×10

将单晶铌酸锂晶圆注入片的薄膜层与二氧化硅隔离层进行清洗，采用等离子体键合的方法将清洗后的铌酸锂薄膜层的工艺面与二氧化硅层进行键合，形成键合体；然后将键合体在高温下进行退火，直至余料层从键合体上分离下来形成铌酸锂复合薄膜。退火在真空环境下进行，退火包括一退和二退，一退的温度为100℃，时间为1h，二退的温度为600℃，时间为1h。然后，将隔离层上的薄膜层研磨抛光至预定厚度，并获得复合薄膜。将复合薄膜固定在抛光设备的多孔陶瓷吸盘上，然后进行化学机械抛光处理掉20nm，最后进行RCA清洗，获得洁净复合薄膜。

实施例3

1、准备3英寸硅晶圆和铌酸锂晶圆，将硅晶圆或者铌酸锂晶圆分别固定在抛光设备的多孔陶瓷吸盘上，进行化学机械抛光处理获得光滑表面，然后对两种晶圆进行半导体RCA清洗，获得洁净表面。以清洗后的硅晶圆作为衬底层，在衬底层上用PECVD法(制作多晶硅层，多晶硅层的厚度为1μm。然后N

2、将显影液浸没吸杂层，在80℃下腐蚀0.5h，将多晶硅吸杂层完全腐蚀干净，再使用RCA(SC1)清洗工艺清洗，去除多晶硅腐蚀残留，得到无杂质衬底层。采用扩展电阻测试(SRP)对无杂质衬底层的体积电阻率值进行检测，其体积电阻率为5×10

采用LPCVD法在腐蚀后的硅晶圆无杂质衬底层上制作二氧化硅隔离层，然后进行化学机械抛光获得光滑表面，厚度为1μm，RCA清洗得到洁净表面。

3、对步骤1处理后的铌酸锂晶圆为薄膜基体，采用剥离离子注入法注入He

实施例4

1、准备4英寸硅晶圆和铌酸锂晶圆，将硅晶圆或者铌酸锂晶圆分别固定在抛光设备的多孔陶瓷吸盘上，进行化学机械抛光处理获得光滑表面，然后对两种晶圆进行半导体RCA清洗，获得洁净表面。以清洗后的硅晶圆为衬底层，在衬底层上用PECVD法制作多晶硅层PolySI吸杂层，多晶硅吸杂层的厚度为5μm。然后N

2、将显影液浸没吸杂层，在70℃下1h，将多晶硅吸杂层完全腐蚀干净，再使用RCA(SC1)清洗工艺清洗，去除多晶硅腐蚀残留，得到无杂质衬底层。采用扩展电阻测试(SRP)对无杂质衬底层的体积电阻率值进行检测，其体积电阻率为5×10

采用LPCVD法在无杂质衬底层上制作二氧化硅层，然后进行化学机械抛光获得光滑表面，厚度为500nm，RCA清洗得到洁净表面。

3、对步骤1处理后的铌酸锂晶圆采用剥离离子注入法注入He

对比例1

与实施例1的区别在于：有氧退火制备吸杂层，不腐蚀掉吸杂层，得到衬底层。采用扩展电阻测试(SRP)对衬底层的体积电阻率值进行检测，其体积电阻率为1×10

与实施例1的区别在于：有氧退火制备吸杂层，再腐蚀掉吸杂层，得到衬底层。采用扩展电阻测试(SRP)对衬底层的体积电阻率值进行检测，其体积电阻率为2×10

对比例3

与实施例1的区别在于：无氧退火后不腐蚀掉吸杂层，得到衬底层。采用扩展电阻测试(SRP)对衬底层的体积电阻率值进行检测，其体积电阻率为1×10

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。