[发明专利]一种用于半导体量子计算的应变纯化硅衬底及其形成方法

说明书

本发明公开了一种用于半导体量子计算的应变纯化硅衬底及其形成方法，属于半导体技术领域，用以解决现有技术中外延纯化硅受衬底自然硅同位素成分的影响较大、纯化硅层电子迁移率较小的问题。应变纯化硅衬底包括自然硅衬底、绝缘层和应变纯化硅层，应变纯化硅层中引入张应力。形成方法为在基础衬底上外延形成多层硅锗缓冲层，多层硅锗缓冲层中的锗掺杂浓度逐渐增加，在硅锗缓冲层上形成应变纯化硅层，得到施主衬底；提供自然硅衬底；在施主衬底和/或自然硅衬底上形成绝缘层；将施主衬底与自然硅衬底键合，去除硅锗缓冲层和基础衬底，得到应变纯化硅衬底。该应变纯化硅衬底和形成方法可用于半导体量子计算。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种用于半导体量子计算的应变纯化硅衬底及其形成方法。

背景技术

集成电路沿摩尔定律不断发展，现阶段特征尺寸已达5nm及以下。在小尺寸下，电路散热的“热耗效应”使经典计算产生计算上限，同时小尺寸下将产生“尺寸效应”使经典物理规律也不再适用。量子计算可借助量子力学的叠加特性，实现计算状态的叠加，其不仅具备经典计算的0和1模式，同时包含其叠加态，由于这种特性其可实现一键式处理多个输入的强并行性，相比传统程序，呈现指数级的加速。量子计算成为取代经典计算的重要研究方向之一。

量子计算依托于量子计算芯片，半导体量子计算芯片制造可兼容现有半导体工艺，实现微小尺寸结构的制备，在高密度、大尺寸以及大规模生产方面具备极大的优势，是量子计算芯片的极具研究前景与应用前景的方向之一。而提供高质量的可用于制备量子计算芯片的衬底材料是实现量子计算芯片的基础，也是半导体量子计算芯片实现的重要研究内容之一。

现有技术中，通常采用外延方案在自然硅上外延纯化硅层，外延纯化硅受衬底自然硅同位素成分的影响较大，此外，直接外延形成的纯化硅层，不具有张应力，因此，电子迁移率较小。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种用于半导体量子计算的应变纯化硅衬底及其形成方法，用以解决现有技术中外延纯化硅受衬底自然硅同位素成分的影响较大、纯化硅层电子迁移率较小的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种用于半导体量子计算的应变纯化硅衬底，包括依次层叠的自然硅衬底、绝缘层和应变纯化硅层，应变纯化硅层中引入张应力。

进一步地，上述应变纯化硅(²⁸Si)层中纯化硅的纯度≥99.9％，应变纯化硅层采用SiH₄减压化学气相沉积方法外延形成。

进一步地，上述应变纯化硅层中纯化硅(²⁸Si)为纯度≥99.999％。

进一步地，绝缘层采用介电常数大于或等于自然硅氧化硅的高k介质材料。

进一步地，绝缘层采用自然硅氮化硅、纯化硅氮化硅、自然硅氧化硅(SiO₂)、纯化硅氧化硅(²⁸SiO₂)和氧化铝中的一种或多种。

进一步地，绝缘层为单层结构，绝缘层为自然硅氮化硅层、纯化硅氮化硅层、自然硅氧化硅层、纯化硅氧化硅层或氧化铝层；或者，绝缘层为复合结构，绝缘层包括依次层叠的自然硅氧化硅层和纯化硅氧化硅层。

进一步地，上述绝缘层为双层结构，包括依次层叠在自然硅衬底上的自然硅氧化硅层和纯化硅氧化硅层，自然硅氧化硅层靠近自然硅衬底，纯化硅氧化硅层靠近应变纯化硅层，或者，包括依次层叠在自然硅衬底上的自然硅氮化硅层和纯化硅氮化硅层，自然硅氮化硅层靠近自然硅衬底，纯化硅氮化硅层靠近应变纯化硅层。

进一步地，上述绝缘层包括依次层叠在自然硅衬底上的自然硅氮化硅层和氧化铝层。

本发明还提供了一种用于半导体量子计算的应变纯化硅衬底的形成方法，包括如下步骤：