專利名稱：一種絕緣體上鍺硅和應(yīng)變硅材料的制備方法
一種絕緣體上鍺硅和應(yīng)變硅材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種絕緣體上應(yīng)變硅材料的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路工藝的發(fā)展，器件的特征尺寸不斷縮小，體硅材料較低的電子和空 穴遷移率已經(jīng)成為提高器件性能的瓶頸。應(yīng)變硅(strained silicon)通過(guò)在晶格常數(shù)不同 于硅的材料上外延硅，或者其他工藝方法引起硅晶格結(jié)構(gòu)的拉伸或者壓縮形變而形成。由 于其可以有效提高載流子遷移率，已經(jīng)成為面向新一代半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的候選襯底材料。 SiGe襯底具有與Si不相同的晶格常數(shù)，在SiGe襯底上外延生長(zhǎng)的Si與SiGe襯底之間會(huì) 存在晶格失配，這種晶格失配使得外延的Si層會(huì)有應(yīng)變。應(yīng)變硅材料由于其晶格結(jié)構(gòu)的 畸變，能夠同時(shí)提高電子和空穴的遷移率，而絕緣體上應(yīng)變硅(sSOI = strained silicon oninsulator)同時(shí)具有絕緣體上硅(SOI = silicon on insulator)和應(yīng)變硅的優(yōu)點(diǎn)，在集 成電路工藝中具有更廣闊的應(yīng)用前景。絕緣體上應(yīng)變硅材料也可以是應(yīng)變Si與(應(yīng)變)SiGe的組合，即以應(yīng)變Si/ (應(yīng) 變)SiGe形成雙溝道層結(jié)構(gòu)(應(yīng)變Si為表層、SiGe為埋層)。在雙溝道獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)中， 電子被限制在應(yīng)變Si層中，可以獲得高的電子遷移率，空穴被限制在(應(yīng)變)SiGe層中，可 以獲得高的空穴遷移率。遷移率與表層應(yīng)變Si的厚度是密切相關(guān)的，在應(yīng)變Si層厚lOnm 時(shí)，電子遷移率增強(qiáng)約1. 7倍，在應(yīng)變Si層厚3nm時(shí)，空穴遷移率增強(qiáng)約2. 8倍。這比單獨(dú) 的應(yīng)變Si層更容易獲得高空穴遷移率。因而，這種絕緣體上應(yīng)變硅材料的制備工藝已經(jīng)成 為國(guó)內(nèi)外本領(lǐng)域科研人員的研究熱點(diǎn)。作為S0I材料的主流制備技術(shù)之一的SIM0X(s印aration by implantedoxygen) 技術(shù)同樣可以用于制備絕緣體上硅鍺(SiGeOI)材料。傳統(tǒng)工藝為向SiGe材料中注入高劑 量的氧離子(通常為1.8X1018cm_2)，隨后高溫退火，促進(jìn)注入的氧在硅片內(nèi)部聚集成核而 形成連續(xù)埋氧層。但是，該大劑量的氧離子注入使得生產(chǎn)成本過(guò)高，并且會(huì)導(dǎo)致SiGe層內(nèi) 缺陷密度增大。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種絕緣體上鍺硅和應(yīng)變硅材料的制備方 法，能夠提高注入離子聚集形成絕緣埋層的效率，從而降低離子注入劑量，提高生產(chǎn)效率。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種絕緣體上鍺硅材料的制備方法，包括如下 步驟提供含有空洞層的襯底；在襯底表面外延生長(zhǎng)鍺硅層；將改性離子注入在空洞層的 位置；退火形成絕緣埋層；在鍺硅層表面生長(zhǎng)應(yīng)變硅層。作為可選的技術(shù)方案，獲得所述含有空洞層的硅襯底的方法包括如下步驟提供 初始襯底；將起泡離子注入初始襯底，從而在初始襯底內(nèi)部形成空洞層。所述起泡離子選 自于氫離子和氦離子中的一種或兩種。所述起泡離子為氫離子，注入劑量為lX1014cnT2 1 X 1018cnT2，注入能量為 lOKeV 到 2000KeV。作為可選的技術(shù)方案，獲得所述含有空洞層的硅襯底的方法包括如下步驟提供 初始襯底；采用陽(yáng)極氧化工藝在該初始襯底的表面形成空洞層，后續(xù)的鍺硅層直接生長(zhǎng)在 空洞層的表面。作為可選的技術(shù)方案，獲得所述含有空洞層的硅襯底的方法進(jìn)一步包括如下步 驟在空洞層的表面進(jìn)一步生長(zhǎng)蓋帽層，后續(xù)的鍺硅層生長(zhǎng)在蓋帽層的表面。作為可選的技術(shù)方案，所述蓋帽層的厚度為lOnm至lym。作為可選的技術(shù)方案，在鍺硅層生長(zhǎng)完畢后，繼續(xù)生長(zhǎng)一注入阻擋層，再實(shí)施改性 離子注入的步驟。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種絕緣體上應(yīng)變硅材料的制備方法，包括如下步驟提供 含有空洞層的襯底；在襯底表面外延生長(zhǎng)鍺硅層；將改性離子注入在空洞層的位置；退火 形成絕緣埋層；在鍺硅層表面生長(zhǎng)應(yīng)變硅層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用了含有空洞層的初始襯底作為外延鍺硅的支撐襯底，在 隨后的注氧制備SiGeOI和應(yīng)變硅材料的過(guò)程中，該空洞層能夠有效地促進(jìn)注入的改性離 子的聚集形成絕緣層，從而得到高質(zhì)量的SiGeOI和應(yīng)變硅材料并降低生產(chǎn)成本。

附圖1是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的實(shí)施步驟示意圖。附圖2至附圖9是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的工藝流程圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的一種絕緣體上應(yīng)變硅材料的制備方法的具體實(shí)施 方式做詳細(xì)說(shuō)明。附圖1所示是本具體實(shí)施方式
的實(shí)施步驟示意圖，包括步驟S100，提供初始襯 底；步驟S110，將起泡離子注入初始襯底，從而在初始襯底內(nèi)部形成空洞層；步驟S120，在 襯底表面外延生長(zhǎng)鍺硅層；步驟S130，將改性離子注入在空洞層的位置；步驟S140，退火形 成絕緣埋層；步驟S150，在鍺硅層表面生長(zhǎng)應(yīng)變硅層。其中步驟S110存在兩種替代方案， 分別是步驟S110'，采用陽(yáng)極氧化工藝在初始襯底的表面形成空洞層，以及在步驟S110' 的基礎(chǔ)上選擇實(shí)施步驟S111'，在空洞層的表面進(jìn)一步生長(zhǎng)蓋帽層。附圖2所示，參考步驟S100，提供初始襯底10。本實(shí)施方式中所述初始襯底10的材料為單晶硅。在其他的實(shí)施方式中，襯底10 的材料可以是任何本領(lǐng)域內(nèi)常見的襯底材料。附圖3所示，參考步驟S110，將起泡離子注入初始襯底10，從而在初始襯底10內(nèi) 部形成空洞層12。經(jīng)起泡離子注入值初始襯底10之后，由于離子對(duì)原有晶格的破壞，以及注入離子 自身的聚集效應(yīng)，在劑量足夠大的情況下，能夠在注入深度所對(duì)應(yīng)的位置形成由起泡離子 聚集而形成的若干空洞，并且初始襯底10表面不氣泡，從而在初始襯底10的內(nèi)部形成空洞 層12。上述步驟S110實(shí)施完畢后，為了提高起泡離子的注入效果，可以選擇對(duì)注入后的初始襯底10進(jìn)行熱處理，處理溫度為300°C 800°C。所述起泡離子選自于氫離子和氦離子中的一種或兩種。本實(shí)施方式中所述起泡 離子為氫離子，注入劑量為1 X 1014Cm_2 1 X 1018cm_2，注入能量為lOKeV到2000KeV。如果 注入離子為氦離子，其能量和劑量的范圍可以參照上述氫離子的能量和劑量值做相應(yīng)的調(diào)
iF. o在另一實(shí)施方式中，步驟SI 10也可以代替為如下步驟步驟S110'，采用陽(yáng)極氧化工藝在初始襯底10的表面形成空洞層12。此步驟請(qǐng) 參考附圖4所示的內(nèi)容。在采用此步驟的情況下，后續(xù)的鍺硅層直接生長(zhǎng)在空洞層12的表面。陽(yáng)極氧化法是半導(dǎo)體工藝中常見的制備多孔結(jié)構(gòu)(例如多孔硅)的方法。本具體 實(shí)施方式在初始襯底10為多孔硅的前提下，陽(yáng)極氧化的條件采用的腐蝕液為HF和C2H5C00H 的混合溶液，兩者混合的體積比為100 1至1 100，優(yōu)選的混合比例為1 1;陽(yáng)極氧化 的電流密度為ImA/em2到20mA/cm2之間；陽(yáng)極氧化時(shí)間為lmin到30min之間。在步驟S110'實(shí)施完畢后，為了提高陽(yáng)極氧化的效果，可以選擇實(shí)施氧化處理該 空洞層，氧化工藝的溫度為100°C至1000°C，氧化時(shí)間為5分鐘到3小時(shí)。在另一實(shí)施方式中，還可以在上述步驟S110'實(shí)施完畢之后，再實(shí)施步如下步 驟步驟S111'，在空洞層12的表面進(jìn)一步生長(zhǎng)蓋帽層15。此步驟請(qǐng)參考附圖5所 示的內(nèi)容，在后續(xù)生長(zhǎng)鍺硅層的步驟中，蓋帽層15也應(yīng)當(dāng)視為初始襯底10的一部分。在包含步驟S111'的實(shí)施方式中，后續(xù)的鍺硅層應(yīng)當(dāng)生長(zhǎng)在蓋帽層15的表面。本實(shí)施方式中蓋帽層15的材料選用單晶硅，厚度為lOnm到1 y m。采用硅外延 工藝外延單晶硅蓋帽層15，采用ASM e2000型外延爐，反應(yīng)氣體可以是SiH4，SiH2Cl2或者 SiHCl3。采用上述步驟S110、S110'或者S110'與S111'三種方法的任意一種，均可以獲 得具有空洞層12的初始襯底10。在選擇實(shí)施步驟S110或者S110'與S111'的情況下，空 洞層12嵌入在初始襯底10的內(nèi)部，而僅選擇實(shí)施步驟S110'的情況下，空洞層12將存在 于初始襯底10的表面。以下以實(shí)施步驟S110之后，形成嵌入在初始襯底10內(nèi)部的空洞層12為例，繼續(xù) 敘述本發(fā)明的實(shí)施方式。對(duì)于實(shí)施S110'與S111'而言，初始襯底10的結(jié)構(gòu)與實(shí)施步驟 S110的情形大致相同。而對(duì)于空洞層12存在于初始襯底10的表面的實(shí)施方式而言，除了 空洞層12表面沒(méi)有覆蓋，而直接生長(zhǎng)鍺硅層之外，其余均和空洞層12嵌入初始襯底10內(nèi) 部這一情形的后續(xù)實(shí)施方式大致相同。在一下的敘述中如遇不同之處將分別予以敘述，不 加區(qū)別之處即認(rèn)為對(duì)于以上三種實(shí)施方式而言，后續(xù)的步驟是相同的。附圖6所示，參考步驟S120，在初始襯底10表面外延生長(zhǎng)鍺硅層19。本實(shí)施方式中，反應(yīng)氣體為SiH4和GeH4，生長(zhǎng)設(shè)備為CVD型號(hào)為ASMe2000，反應(yīng)溫 度為600°C 900°C。在生長(zhǎng)鍺硅層19的過(guò)程中，可以直接外延一層固定組分的鍺硅，也可 以首先外延一層漸變組分的鍺硅，之后再外延一層固定組分的鍺硅，固定組分的鍺硅中，鍺 的組分濃度范圍是0.2 1.0。對(duì)于直接在空洞層12表面生長(zhǎng)鍺硅層19的實(shí)施方式而言，還可以選擇在外延之前采用氫氣烘烤空洞層12的表面，烘烤的溫度為900°C 1300°C，處理時(shí)間為2 60分鐘。附圖7所示，參考步驟S130，將改性離子注入在空洞層12的位置?？斩磳?2微觀實(shí)質(zhì)為一晶體缺陷極大的區(qū)域，因此能夠降低改性離子的遷移，促 進(jìn)其聚集成核，以更有效的形成絕緣埋層。本具體實(shí)施方式
采用的是單晶硅襯底，所以改性離子可以選用氧離子。如果對(duì)于 化合物半導(dǎo)體襯底如GaAs而言，改性離子也可以選用氫離子，亦可以形成絕緣埋層。改性 離子的注入能量由空洞層12以上的各層厚度和材料共同能夠決定。對(duì)于采用陽(yáng)極氧化形成空洞層12的實(shí)施方式而言，在進(jìn)行改性離子注入之間，還 可以選擇實(shí)施在鍺硅層表面生長(zhǎng)一注入阻擋層(圖中未示出)的步驟。生長(zhǎng)注入阻擋層的 目的在于避免注入對(duì)鍺硅層表面的破壞。對(duì)于陽(yáng)極氧化形成空洞層12而言，由于在空洞層 12上繼續(xù)外延的薄膜，其晶格不夠穩(wěn)定，因此優(yōu)選實(shí)施一生長(zhǎng)注入阻擋層的步驟。該注入阻 擋層的優(yōu)選厚度為15nm。在采用氧離子的實(shí)施方式中，氧離子的注入劑量范圍是5X1016/cm2 1X1018/ cm2，也可以是單次或者多次注入，注入時(shí)襯底的溫度為200°C 700°C。此注入劑量較現(xiàn)有 技術(shù)中2X1018/cm2以上的注入劑量相比有顯著的降低。附圖8所示，參考步驟S140，退火形成絕緣埋層18。如果在鍺硅層19不是直接生長(zhǎng)在空洞層12表面，則鍺硅層下面的單晶硅(初始 襯底10自身的單晶硅或者空洞層12上方的單晶硅蓋帽層15)在退火過(guò)程中會(huì)和上層的鍺 硅層19相互融合，其機(jī)理在于鍺硅層19中的鍺原子在高溫作用下向下方的單晶硅層中擴(kuò) 散，從而使上下兩層融合在一起形成更厚的鍺硅層19。本實(shí)施方式針對(duì)氧離子的特點(diǎn)，選擇在高溫下退火，退火溫度1100°C 1400°C， 退火時(shí)間為2小時(shí) 8小時(shí)，退火氣氛為氧氬混合氣體。退火后形成鍺硅層19中，鍺組分 為0. 2至0. 4。鍺組分為0. 2時(shí)，所外延生長(zhǎng)的應(yīng)變硅電子遷移率最大，而如果鍺組分為0. 4 時(shí)，在該SiGe層上生長(zhǎng)的應(yīng)變硅層空穴遷移率最大。如果注入的改性離子為其他離子，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的退火參數(shù)。以上步驟實(shí)施完畢后，即獲得帶有絕緣埋層的鍺硅材料，即所謂SiGeOI材料。如 果需要獲得帶有絕緣埋層的應(yīng)變硅材料，則需繼續(xù)實(shí)施如下步驟。附圖9所示，步驟S150，在鍺硅層19表面生長(zhǎng)應(yīng)變硅層17。本實(shí)施方式采用CVD工藝，反應(yīng)氣體為SiH4，生長(zhǎng)溫度為600°C 900°C，生長(zhǎng)的硅 為應(yīng)變硅。為了保證生長(zhǎng)的晶體為應(yīng)變狀態(tài)，其厚度不能超過(guò)其臨界厚度，優(yōu)選為20nm。上述步驟實(shí)施完畢后，即獲得帶有絕緣埋層的應(yīng)變硅材料。由于采用了含有空洞層12的初始襯底10作為外延鍺硅的支撐襯底，可以得到高 質(zhì)量的鍺硅材料，并且在隨后的注氧制備SiGeOI和應(yīng)變硅材料的過(guò)程中，該空洞層能夠有 效地促進(jìn)注入的改性離子的聚集形成絕緣層，從而得到高質(zhì)量的SiGeOI和應(yīng)變硅材料并 降低生產(chǎn)成本。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種絕緣體上鍺硅材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟提供含有空洞層的襯底；在襯底表面外延生長(zhǎng)鍺硅層；將改性離子注入在空洞層的位置；退火形成絕緣埋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，獲得所述含有空洞層的硅襯底的方法包 括如下步驟提供初始襯底；將起泡離子注入初始襯底，從而在初始襯底內(nèi)部形成空洞層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述起泡離子選自于氫離子和氦離子中 的一種或兩種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述起泡離子為氫離子，注入劑量為 1 X IO14CnT2 1 X IO1W2,注入能量為 IOKeV 到 2000KeV。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，獲得所述含有空洞層的硅襯底的方法包 括如下步驟提供初始襯底；采用陽(yáng)極氧化工藝在該初始襯底的表面形成空洞層，后續(xù)的鍺硅層直接生長(zhǎng)在空洞層 的表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，獲得所述含有空洞層的硅襯底的方法進(jìn) 一步包括如下步驟在空洞層的表面進(jìn)一步生長(zhǎng)蓋帽層，后續(xù)的鍺硅層生長(zhǎng)在蓋帽層的表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述蓋帽層的厚度為IOnm至Ιμπι。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或者6所述的方法，其特征在于，在鍺硅層生長(zhǎng)完畢后，繼續(xù)生長(zhǎng)一 注入阻擋層，再實(shí)施改性離子注入的步驟。
9.一種絕緣體上應(yīng)變硅材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 提供含有空洞層的襯底；在襯底表面外延生長(zhǎng)鍺硅層； 將改性離子注入在空洞層的位置； 退火形成絕緣埋層； 在鍺硅層表面生長(zhǎng)應(yīng)變硅層。
全文摘要
一種絕緣體上鍺硅材料的制備方法，包括如下步驟提供含有空洞層的襯底；在襯底表面外延生長(zhǎng)鍺硅層；將改性離子注入在空洞層的位置；退火形成絕緣埋層；在鍺硅層表面生長(zhǎng)應(yīng)變硅層。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種絕緣體上應(yīng)變硅材料的制備方法，包括如下步驟提供含有空洞層的襯底；在襯底表面外延生長(zhǎng)鍺硅層；將改性離子注入在空洞層的位置；退火形成絕緣埋層；在鍺硅層表面生長(zhǎng)應(yīng)變硅層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用了含有空洞層的初始襯底作為外延鍺硅的支撐襯底，在隨后的注氧制備SiGeOI和應(yīng)變硅材料的過(guò)程中，該空洞層能夠有效地促進(jìn)注入的改性離子的聚集形成絕緣層，從而得到高質(zhì)量的SiGeOI和應(yīng)變硅材料并降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)H01L21/762GK101901780SQ20101021145
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者張苗, 楊建 , 林成魯, 王曦, 王湘, 魏星 申請(qǐng)人:上海新傲科技股份有限公司;中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所