提高鍺材料n型摻雜載流子濃度的方法與應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法及其應(yīng)用。該提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法，包括如下步驟：提供鍺襯底、采用離子注入法在所述鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子、對鍺襯底進(jìn)行退火處理、重復(fù)進(jìn)行在鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子和退火處理的步驟。該提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法通過對鍺襯底進(jìn)行離子注入/退火處理的循環(huán)工藝可以有效控制并降低鍺材料的缺陷密度，防止摻雜離子的擴(kuò)散，使得摻雜離子的激活率高，可以完全被激活，提高摻雜載流子濃度。因此，該提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法可以用于制備含鍺材料器件。
【專利說明】提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]由于鍺(Ge)具有準(zhǔn)直接帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，禁帶寬帶小，載流子遷移率高，與Si微電子制造工藝兼容，因此，Ge材料在場效應(yīng)晶體管、光電探測器、發(fā)光管等器件中得到了廣泛研究。
[0003]Ge材料器件的制造工藝中，摻雜是一道重要的工序。摻雜的方法主要有:擴(kuò)散、離子注入和原位生長?，F(xiàn)階段，Ge材料P型載流子濃度高且界面陡峭(P型雜質(zhì)如硼在Ge中的空穴濃度達(dá)到6 X IO2tVcm3)，但是N型載流子濃度低且擴(kuò)散嚴(yán)重(N型雜質(zhì)如磷在Ge中的電子濃度最高僅為5X1019/cm3)，無法滿足實(shí)際器件的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種能有效降低鍺材料缺陷密度且能提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法與應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法，包括如下步驟:
[0007]提供錯襯底；
[0008]采用離子注入法在所述鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子；將注入有N型雜質(zhì)離子的所述鍺襯底進(jìn)行退火處理；
[0009]將經(jīng)步驟退火處理的所述鍺襯底依次重復(fù)進(jìn)行在所述鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子和退火處理的步驟；其中，每次進(jìn)行注入N型雜質(zhì)離子的步驟時，注入在所述鍺襯底中N型雜質(zhì)離子的量不高于N型雜質(zhì)離子在所述鍺襯底中固溶度的1/3。
[0010]以及，上述提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法在制備含鍺材料器件中的應(yīng)用。
[0011]上述提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法的N型雜質(zhì)離子注入步驟中，每次注入離子的劑量低，帶來的注入缺陷密度低。在隨后進(jìn)行退火處理步驟中，該缺陷隨之被修復(fù)，使得雜質(zhì)離子的擴(kuò)散被抑制，激活率得到提升。因此，上述提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法通過對鍺襯底進(jìn)行離子注入/退火處理的循環(huán)工藝可以有效控制并降低鍺材料的缺陷密度，防止雜質(zhì)離子的擴(kuò)散，使得雜質(zhì)離子的激活率高，可以完全被激活，提高摻雜載流子濃度。另外，該提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法工藝簡單，條件易控，能有效提高鍺材料N型摻雜載流子濃度。正因該方法的優(yōu)點(diǎn)，使得將該提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法用于制備含鍺材料器件時，能有效提高該含鍺材料器件的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提高鍺材料N型摻雜載流子濃度方法的流程圖。【具體實(shí)施方式】
[0013]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0014]在研究中發(fā)現(xiàn)，Ge材料N型摻雜質(zhì)量不高的主要原因是Ge材料中存在高密度的空位-間隙對缺陷。缺陷的能級靠近價帶，呈受主態(tài)。一方面，缺陷補(bǔ)償了部分施主雜質(zhì)，使電子濃度難以提升；另一方面，缺陷與施主雜質(zhì)形成團(tuán)簇，降低了雜質(zhì)的激活率，加速了雜質(zhì)在退火處理時的擴(kuò)散。因此，要提高Ge材料N型摻雜載流子濃度，必須有效降低缺陷
山/又ο
[0015]基于該發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種能有效降低鍺材料缺陷密度且能提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法與應(yīng)用。該提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法工藝流程如圖1所示，包括如下步驟:
[0016]步驟SOL提供錯襯底；
[0017]步驟S02.在鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子:采用離子注入法在步驟SOl提供的鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子；
[0018]步驟S03.對鍺襯底進(jìn)行退火處理:將步驟S02處理的鍺襯底進(jìn)行退火處理；
[0019]步驟S04.重復(fù)進(jìn)行在鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子和退火處理的步驟:將經(jīng)步驟S03中退火處理的鍺襯底依次重復(fù)進(jìn)行步驟S02和步驟S03 ;其中，每次注入所述N型雜質(zhì)離子的劑量為注入在所述鍺襯底中N型雜質(zhì)離子的量不高于N型雜質(zhì)離子在所述鍺襯底中固溶度的1/3。
[0020]具體地，上述步驟SOl中，鍺襯底可以直接選用本領(lǐng)域常用的鍺襯底，也可以選用在娃襯底表面上層疊結(jié)合的鍺膜層的襯底。當(dāng)選用在娃襯底表面上層疊結(jié)合的鍺膜層的襯底時，該鍺膜層的厚度為20nm?2 μ m。
[0021]上述步驟S02中，N型雜質(zhì)離子注入的劑量由所需注入的離子類型和所需濃度決定。其中，每次進(jìn)行注入N型雜質(zhì)離子的步驟時，N型雜質(zhì)離子每次注入的劑量應(yīng)該使注入在鍺襯底中的該N型雜質(zhì)離子的量不超過其在Ge襯底中固溶度的1/3。這是因?yàn)?，缺陷密度與注入劑量是相關(guān)聯(lián)的，如果每次注入的劑量過大，鍺襯底上產(chǎn)生的缺陷密度就會過高，這樣，在后續(xù)退火工藝進(jìn)行修復(fù)缺陷的時候就會困難。當(dāng)然如果每次注入的劑量過小，每次獲得的載流子濃度就偏低，為了獲得高的摻雜載流子濃度，可以增加注入/退火的循環(huán)次數(shù)來克服。
[0022]在該步驟S02中，N型雜質(zhì)離子注入的能量由所需注入的離子類型和所需注入的深度決定，也就是說N型雜質(zhì)離子注入的能量可以根據(jù)所需注入的雜質(zhì)離子類型和所需注入的深度而靈活調(diào)整。在優(yōu)選實(shí)施例中，該N型雜質(zhì)離子注入的能量為10?lOOKeV。
[0023]在進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例中，上述各實(shí)施例中的N型雜質(zhì)離子為磷、砷、銻中的至少一種。
[0024]上述步驟S03中，經(jīng)步驟S02處理的注入有N型雜質(zhì)離子的鍺襯底進(jìn)行退火處理過程中，鍺襯底中的缺陷被修復(fù)，抑制了摻雜離子的擴(kuò)散，提高了摻雜離子的激活率。作為優(yōu)選實(shí)施例，退火處理的溫度為400°C?700°C，該優(yōu)選的退火溫度能有效避免雜質(zhì)離子的擴(kuò)散，有效激活雜質(zhì)離子，又能有效的修復(fù)缺陷。
[0025]該步驟S03中，退火時間根據(jù)退火方法而定。作為優(yōu)選實(shí)施例，該退火處理可以是激光退火、快速熱退火或普通熱退火。其中，激光退火、快速熱退火和普通熱退火的方法均可采用本領(lǐng)域常規(guī)的工藝進(jìn)行處理即可，但退火溫度優(yōu)選為400°C?700°C。
[0026]上述步驟S04中，經(jīng)上述步驟S03處理后的鍺襯底在依次重復(fù)進(jìn)行上述步驟S02和步驟S03的過程中，使得N型摻雜載流子總濃度在得到不斷升高的同時，注入時產(chǎn)生的缺陷不斷得到修復(fù)，從而使得缺陷密度得以有效降低，摻雜離子的擴(kuò)散得以有效抑制，雜質(zhì)離子得到有效的激活。因此，在優(yōu)選實(shí)施例中，經(jīng)上述步驟S03處理后的鍺襯底在依次重復(fù)進(jìn)行上述步驟S02和步驟S03也即是依次重復(fù)進(jìn)行在鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子和退火處理步驟的次數(shù)為I?5次。
[0027]由上述可知，上述提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法通過對鍺襯底進(jìn)行離子注入/退火處理的循環(huán)工藝可以有效控制鍺襯底中的空位-間隙對缺陷密度，防止摻雜離子的擴(kuò)散，使得摻雜離子的激活率高，可以完全被激活，提高摻雜載流子濃度。
[0028]正是由于上述實(shí)施例該方法提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法具有的優(yōu)點(diǎn)，因此，本發(fā)明實(shí)施例還提供了上述提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法在制備含鍺材料器件中的應(yīng)用。將該提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法用于制備含鍺材料器件時，能有效提高該含鍺材料器件的性能。
[0029]在優(yōu)選實(shí)施例中，該含鍺材料器件為場效應(yīng)晶體管、光電探測器和發(fā)光管等器件。作為一具體實(shí)施例，該提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法在制備場效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用如下文應(yīng)用實(shí)施例所述。
[0030]以下通過多個實(shí)施例來舉例說明上述提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法及其應(yīng)用等方面。
[0031]實(shí)施例1
[0032]一種提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法，具體步驟如下:
[0033]選用P型Ge襯底(電阻率為5.1?5.8 Ω.cm)，采用離子注入法注入磷離子，注入角度為7度，注入劑量和能量分別為6.0XlO1Vcm2和90KeV，注入后在500度氮?dú)夥諊驴焖偻嘶?0秒。離子注入和退火過程循環(huán)I次。這樣，獲得N型摻雜載流子濃度可達(dá)到4X1019/cm3，摻雜深度為150納米。
[0034]實(shí)施例2
[0035]選用P型Ge襯底(電阻率為5.1?5.8 Ω.cm)，采用離子注入法注入磷離子，注入角度為7度，注入劑量和能量分別為6.0 X IO1Vcm2和90KeV，注入后在500°C氮?dú)夥諊驴焖偻嘶?0秒。離子注入和退火過程循環(huán)兩次。這樣，獲得N型摻雜載流子濃度可達(dá)到6X1019/cm3，摻雜深度為150納米。
[0036]實(shí)施例3
[0037]選用P型Ge襯底(電阻率為5.1?5.8 Ω.cm)，采用離子注入法注入磷離子，注入角度為7度，注入劑量和能量分別為6.0 X IO1Vcm2和90KeV，注入后在500°C氮?dú)夥諊驴焖偻嘶?0秒。離子注入和退火過程循環(huán)三次。這樣，獲得N型摻雜載流子濃度可達(dá)到I X IO2Vcm3,摻雜深度為150納米。
[0038]對比實(shí)例[0039]選用P型Ge襯底(電阻率為5.1?5.8 Ω.αιι)，采用離子注入法注入磷離子，注入角度為7度，注入劑量和能量分別為1.8 X IO1Vcm2和90KeV，注入后在500°C氮?dú)夥諊驴焖偻嘶?0秒。獲得N型摻雜載流子濃度可達(dá)到4X IO1Vcm3，摻雜深度為150納米。
[0040]由上述實(shí)施例1-3可知，在相同雜質(zhì)離子注入劑量和能量條件下，獲得N型摻雜載流子濃度隨著離子注入和退火過程循環(huán)的次數(shù)增加而增加。
[0041]將上述實(shí)施例1與上述對比實(shí)例相比較，兩方法獲得的N型摻雜載流子濃度相同，但是實(shí)施例1所需注入的劑量僅需對比實(shí)例的1/3 ;將實(shí)施例2、3與對比實(shí)例相比較，實(shí)施例2總注入劑量是對比實(shí)例注入劑量的2/3，實(shí)施例3與對比實(shí)例注入劑量相等，但是獲得的N型摻雜載流子濃度明顯要高，其中，實(shí)施例3獲得的N型摻雜載流子濃度是上述對比實(shí)例近3倍。由此可知，本發(fā)明實(shí)施例采用離子注入和退火過程循環(huán)的工藝方法，能有效控制并降低鍺材料的缺陷密度，防止雜質(zhì)離子的擴(kuò)散，使得雜質(zhì)離子的激活率高，可以完全被激活，提高摻雜載流子濃度。
[0042]應(yīng)用實(shí)施例
[0043]本發(fā)明在Ge溝道N型場效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用
[0044]Ge溝道N型場效應(yīng)晶體管的制備工藝主要包括:P型Ge襯底的清洗、光刻形成源/漏區(qū)、源/漏區(qū)N型雜質(zhì)離子的摻雜、柵介質(zhì)的形成和金屬電極的形成等。其中源/漏區(qū)N型雜質(zhì)離子的摻雜工藝可以采用本發(fā)明方法，工藝如實(shí)施例3所述。
[0045]以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法，包括如下步驟: 提供錯襯底； 采用離子注入法在所述鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子； 將注入有N型雜質(zhì)離子的所述鍺襯底進(jìn)行退火處理； 將經(jīng)步驟退火處理的所述鍺襯底依次重復(fù)進(jìn)行在所述鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子和退火處理的步驟；其中，每次進(jìn)行注入N型雜質(zhì)離子的步驟時，注入在所述鍺襯底中N型雜質(zhì)離子的量不高于N型雜質(zhì)離子在所述鍺襯底中固溶度的1/3。
2.如權(quán)利要求1所述的提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法，其特征在于:在所述鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子的步驟中，所述N型雜質(zhì)離子注入的能量為10?lOOKeV。
3.如權(quán)利要求1或2所述的提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法，其特征在于:在所述鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子的步驟中，所述N型雜質(zhì)離子為磷、砷、銻中的至少一種。
4.如權(quán)利要求1所述的提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法，其特征在于:在所述退火處理的步驟中，所述退火處理的溫度為400°C?700°C。
5.如權(quán)利要求1或4所述的提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法，其特征在于:所述退火處理的方法為激光退火、快速熱退火或普通熱退火。
6.如權(quán)利要求1所述的提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法，其特征在于:在依次重復(fù)進(jìn)行于所述鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子和退火處理的步驟中，依次重復(fù)進(jìn)行在所述鍺襯底中注入N型雜質(zhì)離子和退火處理步驟的次數(shù)為I?5次。
7.如權(quán)利要求1或4所述的提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法，其特征在于:所述鍺襯底為在硅襯底表面上層疊結(jié)合的鍺膜層襯底。
8.如權(quán)利要求1?7所述的提高鍺材料N型摻雜載流子濃度的方法在制備含鍺材料器件中的應(yīng)用。
9.如權(quán)利要求8所述的提高鍺材料N型摻雜載流子濃度方法的應(yīng)用，其特征在于:含鍺材料器件為場效應(yīng)晶體管、光電探測器和發(fā)光管等器件。
【文檔編號】H01L21/265GK103456611SQ201310070581
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月6日
【發(fā)明者】周志文 申請人:深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院