SiGeSn層及其形成方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種SiGeSn層及其形成方法。該方法包括以下步驟：提供頂部具有SiGe層的襯底；向SiGe層表層注入含有Sn元素的原子、分子、離子或等離子體，以形成SiGeSn層。該方法能夠形成厚度較薄、質(zhì)量較好的SiGeSn層，具有簡單易行、成本低的優(yōu)點。
【專利說明】SiGeSn層及其形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體薄膜制造領(lǐng)域，具體涉及一種SiGeSn層及其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，器件尺寸的不斷縮小，Si材料較低的遷移率已成為制約器件性能的主要因素。為了不斷提升器件的性能，必須采用更高遷移率的溝道材料。目前研究的主要技術(shù)方案為:采用Ge材料做PM0SFET器件的溝道材料，II1-V化合物半導(dǎo)體材料為NM0SFET器件的溝道材料。Ge具有四倍于Si的空穴遷移率，隨著研究的不斷深入，Ge溝道MOSFET中的技術(shù)難點逐一被攻克。與Ge相兼容的Ge1 _xSnx合金(GeSn)是一種IV族半導(dǎo)體材料，具有良好的電學(xué)特性。首先，應(yīng)變GeSn材料具有比Ge更高的空穴遷移率，具有應(yīng)用于PM0SFET器件溝道的前景；其次，當(dāng)以Ge材料為溝道時，在源漏中填充GeSn合金，可以在Ge溝道中引入單軸壓應(yīng)變，大幅度提升Ge溝道的性能，當(dāng)溝道長度在納米尺度時，其性能提升尤為明顯；第三，理論計算結(jié)果表明，當(dāng)x>0.11時，應(yīng)變Ge1-xSnx合金將成為一種直接帶隙的半導(dǎo)體，這使得GeSn合金逐漸成為Si基集成光電子學(xué)中的一個新的研究熱點。并且，GeSn合金與硅的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝具有良好的兼容性。
[0003]然而，直接生長高質(zhì)量高Sn含量的GeSn合金非常困難。首先，Sn在Ge中的平衡固溶度小于1% (約為0.3%);其次，Sn的表面能比Ge小，非常容易發(fā)生表面分凝；再次，Ge和α -Sn具有很大的晶格失配(14.7%)。為了抑制Sn的表面分凝，提高Sn的含量，可在材料生長時摻入一定量的Si，形成SiGeSn層。Si的晶格常數(shù)比Ge小，而Sn的晶格常數(shù)比Ge大，通過在GeSn合金中摻入Si,可以提高GeSn合金的穩(wěn)定性。
[0004]在生長SiGeSn材料時，通常采用的方法為分子束外延(ΜΒΕ)。其中，現(xiàn)有的MBE工藝生長SiGeSn材料的過程為:先在襯底上外延生長一層SiGe緩沖層，再外延SiGeSn薄膜。該方法可得到晶體質(zhì)量較好的SiGeSn薄膜，但設(shè)備昂貴，生長過程較為費時，成本高，在大規(guī)模生產(chǎn)中將受到一定限制。
[0005]也有人采用化學(xué)氣相淀積(CVD)工藝生長SiGeSn薄膜，但工藝不穩(wěn)定，制得的SiGeSn薄膜質(zhì)量較差，熱穩(wěn)定性不佳，Sn易分凝，成本也較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是提供一種簡單易行且成本低的SiGeSn層及其形成方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面實施例的SiGeSn層的形成方法可以包括以下步驟:提供頂部具有SiGe層的襯底；向所述SiGe層表層注入含有Sn元素的原子、分子、離子或等離子體，以形成SiGeSn層。
[0008]根據(jù)本發(fā)明實施例的SiGeSn層的形成方法可以得到厚度較薄、質(zhì)量較好的SiGeSn層，具有簡單易行、成本低的優(yōu)點。
[0009]在本發(fā)明的一個實施例中，所述注入的方法包括離子注入。[0010]在本發(fā)明的一個實施例中，所述離子注入包括等離子體源離子注入和等離子體浸沒離子注入。
[0011]在本發(fā)明的一個實施例中，所述注入的方法包括磁控濺射。
[0012]在本發(fā)明的一個實施例中，在利用所述磁控濺射注入的過程中，在所述襯底上加載負偏壓。
[0013]在本發(fā)明的一個實施例中，還包括，去除所述磁控濺射在所述SiGeSn層之上形成的Sn薄膜。
[0014]在本發(fā)明的一個實施例中，利用對SiGeSn和Sn具有高腐蝕選擇比的溶液清洗以去除所述Sn薄膜。
[0015]在本發(fā)明的一個實施例中，所述注入的過程中對所述襯底加熱，加熱溫度為100-600。。。
[0016]在本發(fā)明的一個實施例中，還包括，在所述注入之后，對所述SiGeSn層退火，退火溫度為 100-600°C。
[0017]在本發(fā)明的一個實施例中，所述SiGeSn層為應(yīng)變SiGeSn層。
[0018]在本發(fā)明的一個實施例中，所述應(yīng)變SiGeSn層的厚度為0.5_100nm。
[0019]在本發(fā)明的一個實施例中，所述應(yīng)變SiGeSn層中Sn的原子百分含量小于20%。
[0020]在本發(fā)明的一個實施例中，所述頂部具有SiGe層的襯底包括:絕緣體上SiGe襯底、表層為SiGe薄膜的Si襯底或Ge襯底。
[0021]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第二方面實施例的SiGeSn層，采用上文公開的方法形成。
[0022]本發(fā)明實施例的SiGeSn層具有厚度較薄、質(zhì)量較好、成本較低的優(yōu)點。
[0023]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0025]圖1是本發(fā)明實施例的SiGeSn層的形成方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0026]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0027]在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。[0028]本發(fā)明第一方面提出一種SiGeSn層的形成方法。
[0029]如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的SiGeSn層的形成方法，可以包括如下步驟:
[0030]S1.提供頂部具有SiGe層的襯底。
[0031]具體地，提供的以SiGe層為表面的襯底可以是絕緣體上SiGe襯底(SiGe-On-1nsulator, SG0I)、表層為 SiGe 薄膜的 Si 襯底或 Ge 襯底。
[0032]S2.向SiGe層表層注入含有Sn元素的原子、分子、離子或等離子體，以形成SiGeSn 層。
[0033]具體地，當(dāng)需要形成較厚的SiGeSn層時，可以注入含有Sn元素的離子或等離子體。離子和等離子體能量高，可以注入達到一定深度。當(dāng)需要形成較薄的SiGeSn層時，不僅注入離子或等離子體可以形成SiGeSn層，注入Sn原子或含有Sn元素的分子也可以形成SiGeSn層。需要說明的是，原有的SiGe層可以僅有表層部分變化為SiGeSn層，也可以全部變化為SiGeSn層。
[0034]根據(jù)本發(fā)明上述實施例的SiGeSn層的形成方法通過利用注入工藝對原有的SiGe層進行表面改性，即將含有Sn元素的原子、分子、離子或等離子體注入到原有的SiGe層中，通過控制合適的溫度和注入劑量，使注入的Sn元素不明顯擴散，就可以使得晶格中的Sn原子不會聚集形成Sn的沉淀物，保持SiGeSn合金的亞穩(wěn)態(tài)而不發(fā)生分凝，這樣可以得到厚度較薄、質(zhì)量較好的SiGeSn層，具有簡單易行、成本低的優(yōu)點。而已有的SiGeSn形成方法中，MBE方法需要昂貴的設(shè)備且需要超高真空，工藝復(fù)雜且成本高；CVD方法還不完全成熟，因為生長溫度高，所以處于亞穩(wěn)態(tài)的SiGeSn經(jīng)常發(fā)生Sn元素的分凝，從而影響SiGeSn層的晶體質(zhì)量，且其設(shè)備和氣源較為昂貴，因而成本也較高。
[0035]在本發(fā)明的一個示例中，注入的方法可以采用離子注入，即將具有一定能量的、含有Sn元素的離子束(包括Sn離子或含Sn元素的等離子體)入射到SiGe層中去，并停留在SiGe層中，使SiGe層部分或全部轉(zhuǎn)換為SiGeSn合金。通過改變離子束的能量來改變注入的深度，離子束能量越高，則注入越深。在注入過程中，可以采用變化的電壓來獲得變化的離子束能量，從而使Sn元素在一定范圍內(nèi)較為均勻地分布。具體地，除常規(guī)的離子注入外，離子注入還包括等離子體源離子注入和等離子體浸沒離子注入，即等離子體基離子注入。在等離子體基離子注入時，SiGe層湮沒在含有Sn元素的等離子體中，含Sn元素的正離子在電場作用下被加速，射向SiGe層表面并注入到SiGe層中。通過等離子體基離子注入，可以很容易達到很高的注入劑量，即很容易獲得1%?20%的Sn含量的SiGeSn層，生產(chǎn)效率很高，成本也很低，且受表面形狀的影響小，即非平面的Ge表面也可以實現(xiàn)均勻地注入。離子注入可以形成較厚的SiGeSn層，注入能量越高，SiGeSn層越厚。優(yōu)選地，SiGeSn層的厚度為 0.5-lOOnm。
[0036]在本發(fā)明的一個示例中，注入的方法可以采用磁控濺射。磁控濺射時，Ar離子在電場作用下加速飛向陰極Sn靶或含Sn的靶材，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。濺射粒子主要是原子，還有少量離子。通過調(diào)整電場電壓，真空度等工藝參數(shù)，使濺射粒子具有較高的能量，并以較高的速度射向SiGe層，部分粒子可以注入到SiGe層中并形成亞穩(wěn)態(tài)的SiGeSn合金?？蛇x地，在利用磁控濺射向SiGe層注入的過程中，在襯底上加載負偏壓，t匕如-40?-120V，這樣可以使濺射出的部分粒子具有更高能量，有利于粒子注入到SiGe層表層的更深處，例如可以深至若干納米。需要說明的是，由于磁控濺射時濺射出的材料較多，通常會在形成SiGeSn層之后進一步形成Sn薄膜。因此在磁控濺射之后，還需要去除磁控濺射在SiGeSn層之上形成的Sn薄膜。例如，可以利用對SiGeSn和Sn具有高腐蝕選擇比的溶液清洗以去除Sn薄膜以及露出SiGeSn層。常見的清洗溶液包括稀鹽酸、稀硫酸、稀硝酸。清洗后保留下來的SiGeSn層的厚度為0.5_20nm，優(yōu)選地，該SiGeSn層厚度為0.5-lOnm。
[0037]在本發(fā)明的一個示例中，在注入工藝中加熱溫度可控制在100-600°C之間，優(yōu)選150-450°C。在該溫度范圍下得到的薄膜質(zhì)量更好。溫度過低，注入帶來的損傷不能修復(fù)，SiGeSn層的質(zhì)量較差；溫度過高，將使得SiGeSn層中的Sn擴散嚴重，而Sn在Ge中的固溶度很低(平衡態(tài)下為原子百分比0.3%)，SiGeSn層中的Sn容易析出形成Sn沉淀物。
[0038]在本發(fā)明的一個示例中，在形成SiGeSn層之后還可以通過退火處理來強化該SiGeSn層。退火的溫度范圍為100-600°C，優(yōu)選150_450°C。溫度過低，注入帶來的損傷不能修復(fù)，SiGeSn層的質(zhì)量較差；溫度過高，將使得SiGeSn層中的Sn擴散嚴重，而Sn在Ge中的固溶度很低，SiGeSn中的Sn容易析出形成Sn沉淀物。
[0039]在本發(fā)明的一個示例中，SiGeSn層為應(yīng)變SiGeSn層。應(yīng)變SiGeSn層的厚度為
0.5-100nm。應(yīng)變SiGeSn層中Sn的原子百分含量小于20%。需要說明的是，完全應(yīng)變的SiGeSn層中Sn含量越高，其應(yīng)變度越大，相應(yīng)地其厚度應(yīng)降低到弛豫的臨界厚度以下，才能保持完全應(yīng)變。應(yīng)變SiGeSn層中Sn含量越高，則其臨界厚度越薄。SiGe上SiGeSn的應(yīng)變度與SiGe層本身的Ge含量和應(yīng)變度有關(guān)。當(dāng)Sn含量小于20%時，完全應(yīng)變的SiGeSn的應(yīng)變度大約在0-4%的范圍內(nèi)。當(dāng)SiGeSn層的應(yīng)變度為3%時，此時應(yīng)變SiGeSn層的臨界厚度約5nm ;而當(dāng)應(yīng)變度為0.8%時，其臨界厚度可以達到IOOnm甚至130nm以上。
[0040]需要進一步說明的是，當(dāng)SiGeSn層為應(yīng)變SiGeSn層時，注入工藝中加熱溫度和退火工藝中退火溫度的高低需要與應(yīng)變SiGeSn層的材料性質(zhì)匹配。例如常見半導(dǎo)體器件中需要10-15%Sn含量的應(yīng)變SiGeSn層，通過加入Si，10-15%的SiGeSn層在450°C下基本是穩(wěn)定的，所以該Sn含量下上述注入工藝中襯底溫度和退火工藝中退火溫度需要不超過450。。。
[0041]本發(fā)明第二方面提出一種SiGeSn層。該SiGeSn層是通過上述公開的任一種方法形成的。本發(fā)明實施例的SiGeSn層具有厚度較薄、質(zhì)量較好、成本較低的優(yōu)點。
[0042]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，發(fā)明人闡述具體實施例如下:
[0043]首先，準備具有SiGe表面的Si襯底，并依次采用丙酮、無水乙醇、去離子水及氫氟酸清洗備用。
[0044]其次，采用磁控濺射儀，抽真空至真空度〈10_4Pa，通入高純氬氣。此時襯底加熱溫度為100-200°C，打開射頻電源，對Sn靶材進行濺射。濺射過程中，首先在SiGe襯底表層先形成SiGeSn層，繼而在SiGeSn層之上形成Sn層。對沉積好的薄膜進行退火處理，退火溫度為100-200°C，以進一步強化SiGeSn層。
[0045]然后，采用10%的稀鹽酸清洗去除SiGeSn層之上的Sn層，以露出SiGeSn層。
[0046]最后，對清洗完成的SiGeSn層再次退火處理，由于此時表面沒有Sn層，退火溫度可升高為450°C，以進一步強化SiGeSn層。
[0047]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0048]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種SiGeSn層的形成方法，其特征在于，包括以下步驟: 提供頂部具有SiGe層的襯底； 向所述SiGe層表層注入含有Sn元素的原子、分子、離子或等離子體，以形成SiGeSn層。
2.如權(quán)利要求1所述的SiGeSn層的形成方法，其特征在于，所述注入的方法包括離子注入。
3.如權(quán)利要求2所述的SiGeSn層的形成方法，其特征在于，所述離子注入包括等離子體源離子注入和等離子體浸沒離子注入。
4.如權(quán)利要求1所述的SiGeSn層的形成方法，其特征在于，所述注入的方法包括磁控濺射。
5.如權(quán)利要求4所述的SiGeSn層的形成方法，其特征在于，在利用所述磁控濺射注入的過程中，在所述襯底上加載負偏壓。
6.如權(quán)利要求4或5所述的SiGeSn層的形成方法，其特征在于，還包括，去除所述磁控派射在所述SiGeSn層之上形成的Sn薄膜。
7.如權(quán)利要求6所述的SiGeSn層的形成方法，其特征在于，利用對SiGeSn和Sn具有高腐蝕選擇比的溶液清洗以去除所述Sn薄膜。
8.如權(quán)利要求1所述的SiGeSn層的形成方法，其特征在于，所述注入的過程中對所述襯底加熱，加熱溫度為100-600°C。
9.如權(quán)利要求1所述的SiGeSn層的形成方法，其特征在于，還包括，在所述注入之后，對所述SiGeSn層退火，退火溫度為100_600°C。
10.如權(quán)利要求1所述的SiGeSn層的形成方法，其特征在于，所述SiGeSn層為應(yīng)變SiGeSn 層。
11.如權(quán)利要求10所述的SiGeSn層的形成方法，其特征在于，所述應(yīng)變SiGeSn層的厚度為 0.5-lOOnm。
12.如權(quán)利要求10所述的SiGeSn層的形成方法，其特征在于，所述應(yīng)變SiGeSn層中Sn的原子百分含量小于20%。
13.如權(quán)利要求1-12任一項所述的SiGeSn層的形成方法，其特征在于，所述頂部具有SiGe層的襯底包括:絕緣體上SiGe襯底、表層為SiGe薄膜的Si襯底或Ge襯底。
14.一種SiGeSn層，其特征在于，通過如權(quán)利要求1_13任一項所述的方法形成。
【文檔編號】H01L27/04GK103839788SQ201410064556
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】肖磊, 王敬, 趙梅, 梁仁榮, 許軍 申請人:清華大學(xué)