一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料及其制作方法，制作方法包括：步骤一)放置材料、步骤二)材料外延、步骤三)锗浓缩。制得的绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料的结构自下而上依次为硅衬底、阻止N型杂质原子向硅衬底扩散的埋层SiO2、N型掺杂锗薄膜和SiO2层，所述埋层SiO2的厚度≥200nm，N型掺杂锗薄膜的厚度为≤30nm；N型掺杂锗薄膜中掺杂元素为磷元素、砷元素或锑元素，掺杂元素的浓度≥1017cm-3。本发明专利技术通过在顶层硅或锗硅合金薄膜中掺入杂质原子，然后再进行锗浓缩，一方面提高了锗中的N型掺杂浓度，另一方面，长时间的氧化退火过程及时地修复了离子注入或者外延生长过程中带来的晶体缺陷，制备得到的N型掺杂锗具有更高的晶体质量。

【技术实现步骤摘要】
一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料及其制作方法
本专利技术属于材料领域，尤其涉及一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料及其制作方法。
技术介绍
锗材料具有比硅材料更高的载流子迁移率，并且在光通信波段(1.55μm)有较高的吸收系数，是制备高性能微电子及光电子器件的理想材料之一；同时，由于锗材料的制备工艺与成熟的硅CMOS工艺相兼容，因此锗器件在硅基光电集成方面的应用具有成本上的优势。绝缘层上锗材料(GOI)具有体锗材料无法比拟的优点：一方面，GOI材料的制备技术是在顶层锗和硅衬底之间引入了一层埋层氧化层，相比于体锗材料，它更不容易脆裂；另一方面，埋层氧化层的引入可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除CMOS电路中的寄生闩锁效应；同时，采用GOI材料制备的集成电路还具有寄生电容小、速度快、工艺简单及短沟道效应小等优势。在GOI器件的制造工艺中，对锗层进行N型掺杂是一道十分重要的工艺。通过提高绝缘层上锗材料的N型掺杂浓度不仅可以解决目前Ge的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)源-漏极接触电阻高的问题，进而提高Ge的N型MOSFET的性能；而且在光电子器件制备方面也大有裨益：一方面，有利于制备高性能的GePIN光电探测器，另一方面，高浓度的N型掺杂填充了Ge材料的间接带隙，有利于提高Ge材料的直接带发光效率，进而制备具有高效发光性能的Ge激光器件。目前在顶层Ge薄膜中进行N型掺杂主要有以下几种方法：一是通过原位掺杂的方法，即在外延锗薄膜的过程中，掺入N型杂质原子，可以得到约为2x1019cm-3的N型掺杂浓度，但是该方法得到的材料其表面粗糙，杂质激活度低，晶体质量差，不利于器件性能的提高；二是通过离子注入的方法提高N型掺杂浓度，但是通过离子注入到体锗材料损伤了锗的晶格完整性，而这种损伤很难通过后续的退火工艺完全修复，并且该方法还存在杂质扩散快，杂质损耗问题严重等缺点；三是采用气体浸入激光掺杂技术可以在GOI材料上掺杂n型浓度为1x1020cm-3的杂质，气体浸入激光掺杂技术的缺点是：集成工艺复杂，技术尚不成熟，设备昂贵，制备成本较高。因此，提供一种提高绝缘层上锗材料N型掺杂浓度的制备方法，在微电子及光电子领域中的应用实属必要。
技术实现思路
为克服上述问题本专利技术提供了一种绝缘层上高浓度N型掺杂锗材料及其制作方法。通过在顶层硅或锗硅合金薄膜中掺入杂质原子，然后再进行锗浓缩，一方面提高了锗中的N型掺杂浓度，另一方面，长时间的氧化退火过程及时地修复了由于离子注入或者外延生长过程中带来的晶体损伤，使得制备得到的N型掺杂锗具有更高的晶体质量；同时高温退火也提高了锗薄膜中载流子的激活率。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料的制作方法，包括如下步骤：步骤一)放置材料：放入SOI衬底，所述SOI衬底自下而上依次为硅衬底、埋层SiO2和顶层硅；所述顶层硅为N型掺杂硅或本征硅；所述N型掺杂硅是通过离子注入的方式得到，掺杂元素为磷元素、砷元素或锑元素，所述磷元素或砷元素的注入浓度≥1017cm‐3；步骤二)材料外延:在SOI衬底的顶层硅上依次外延锗硅合金薄膜及Si盖层；若所述顶层硅为N型掺杂硅，则所述锗硅合金薄膜为普通锗硅合金薄膜或N型掺杂锗硅合金薄膜；若所述顶层硅为本征硅，则所述锗硅合金薄膜为N型掺杂锗硅合金薄膜；所述N型掺杂锗硅合金薄膜掺杂元素为磷元素、砷元素或锑元素；步骤三)锗浓缩:将样品置于1000℃-1200℃的氧气环境中高温氧化10-40min再置于1000℃-1200℃的氮气环境中高温退火40-80min；重复所述高温氧化和高温退火步骤至所述锗硅合金薄膜中锗组分为0.5-0.6；然后将样品置于700℃-900℃氧气环境中中温氧化10-40min，再置于700℃-900℃氮气环境中中温退火40-80min，重复所述中温氧化和中温退火步骤至所述锗硅合金薄膜中锗组分为1；最终形成自下而上依次包含有硅衬底、埋层SiO2、N型掺杂锗薄膜和由氧化生成的SiO2层的多层结构。进一步的改进，所述埋层SiO2的厚度≥200nm。进一步的改进，所述顶层硅厚度为5-60nm。进一步的改进，所述Si盖层厚度为≤10nm。在本专利技术中掺杂元素的浓缩程度和最终浓缩得到的浓度可通过多种形式进行控制，具体方法如下:设顶层硅中掺杂元素的浓度为N1，顶层硅的厚度为h1；锗硅合金薄膜中的掺杂元素的浓度为N2，锗硅合金薄膜的厚度为h2，锗硅合金薄膜中锗的比例为a(0≤a≤1)；得到的绝缘层上薄锗材料中的N型掺杂锗薄膜中掺杂元素的浓度为N3，N型掺杂锗薄膜厚度为h3；则有如下公式:h3＝h2×a(1)；N1×h1+N2×h2＝N3×h3(2)；根据式(1)和式(2)可得N3＝(N1×h1+N2×h2)/(h2×a)(3)；根据式(3)可知：人们可以通过控制顶层硅中掺杂元素的浓度N1，顶层硅的厚度h1；锗硅合金薄膜中的掺杂元素的浓度N2，锗硅合金薄膜的厚度h2，锗硅合金薄膜中锗的比例a(0≤a≤1)来控制最终形成的绝缘层上薄锗材料的N型掺杂锗薄膜中掺杂元素的浓度N3和N型掺杂锗薄膜厚度h3。人们可以通过调节锗硅合金薄膜的高度h2和其中锗的比例a控制N型掺杂锗薄膜的厚度，想得到较厚的N型掺杂锗薄膜可以增加h2和a的数值，想降低N型掺杂锗薄膜的厚度则可以降低h2和a的数值。人们可以通过式(3)中的参数N1、h1、N2、h2和a来调节N型掺杂锗薄膜中的元素掺杂浓度，通过提高N1、h1和N2的数值，降低h2和a的数值可以提高N型掺杂锗薄膜中的元素掺杂浓度；通过降低N1、h1和N2的数值，提高h2和a的数值可降低N型掺杂锗薄膜中的元素掺杂浓度；从而得到合适的N型掺杂锗薄膜的厚度和元素掺杂浓度。本专利技术具有以下优点：通过在顶层硅或锗硅合金薄膜中掺入杂质原子，然后再进行锗浓缩，一方面提高了锗中的N型掺杂浓度，另一方面，长时间的氧化退火过程及时地修复了由于离子注入或者外延生长过程中带来的晶体损伤，使得制备得到的N型掺杂锗具有更高的晶体质量；同时高温退火也提高了锗薄膜中载流子的激活率。制备得到的绝缘层上N型掺杂锗材料具有制备工艺与硅CMOS工艺相兼容，可以降低生产成本；通过设计不同的结构可以制备得到不同掺杂浓度的N型GOI材料，并且制备得到的N型掺杂浓度高于现有技术。附图说明下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述：图1本专利技术绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构示意图；图2本专利技术绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料制作方法示意图。其中1.硅衬底；2.埋层SiO2；3.N型掺杂锗薄膜；4.由氧化生成的SiO2层。具体实施方式：实施例1如图1所示的一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料，所述绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料的结构自下而上依次为硅衬底1、阻止N型杂质原子向硅衬底扩散的埋层SiO22、N型掺杂锗薄膜3和由氧化生成的SiO2层4，所述埋层SiO22的厚度为200nm，所述N型掺杂锗薄膜3的厚度为30nm；所述N型掺杂锗薄膜3中掺杂元素为砷元素，所述掺杂元素的浓度为1017cm‐3。实施例2如图1所示的一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料，所述绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料的结构自下而上依次为硅衬底1、阻止N型杂质原子向硅衬底扩散的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料，其特征在于，所述绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料的结构自下而上依次为硅衬底、阻止N型杂质原子向硅衬底扩散的埋层SiO2、N型掺杂锗薄膜和由氧化生成的SiO2层，所述埋层SiO2的厚度≥200nm，所述N型掺杂锗薄膜的厚度为≤30nm，所述N型掺杂锗薄膜中掺杂元素的浓度≥1017cm‑3。

【技术特征摘要】
1.一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一)放置材料：放入SOI衬底，所述SOI衬底自下而上依次为硅衬底、埋层SiO2和顶层硅；所述顶层硅为N型掺杂硅或本征硅；所述N型掺杂硅是通过离子注入的方式得到，掺杂元素为磷元素、砷元素或锑元素；步骤二)材料外延:在SOI衬底的顶层硅上依次外延锗硅合金薄膜及Si盖层；若所述顶层硅为N型掺杂硅，则所述锗硅合金薄膜为本征锗硅合金薄膜或N型掺杂锗硅合金薄膜；若所述顶层硅为本征硅，则所述锗硅合金薄膜为N型掺杂锗硅合金薄膜；所述N型掺杂锗硅合金薄膜掺杂元素为磷元素、砷元素或锑元素；步骤三)锗浓缩:将样品置于1000℃-1200℃的氧气环境中高温氧化10-40min再置于1000℃-1200℃的氮气环境中高温退火40-80min；重复所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄诗浩，陈佳新，谢文明，林抒毅，聂明星，邵明，林承华，蒋新华，
申请(专利权)人：福建工程学院，
类型：发明
国别省市：福建;35