激光再晶化GeNMOS器件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种激光再晶化Ge NMOS器件及其制备方法。该方法包括：选取Si衬底；生长第一Ge籽晶层；生长第二Ge主体层；将衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm

Laser recrystallized GeNMOS devices and their preparation methods

The invention relates to a laser crystallization of Ge NMOS device and preparation method thereof. The method includes: selecting a Si substrate; the first growth Ge seed layer; growth of second Ge body layer; the substrate material is heated to 700 DEG C, continuous crystallization by laser process the whole substrate material, wherein the laser wavelength of 808nm, laser spot size 10mm * 1mm, the laser power is 1.5kW/cm

【技术实现步骤摘要】
激光再晶化GeNMOS器件及其制备方法
本专利技术涉及集成电路
，特别涉及一种激光再晶化GeNMOS器件及其制备方法。
技术介绍
自从1958年JackKilby专利技术了第一块集成电路以来，集成电路一直以Moore定律向前发展，即集成电路上可容纳的晶体管数目，约每十八个月便会增加一倍，性能提升一倍，而价格降低一半。直至今天，Moore定律仍然发挥着作用。然而随着微电子技术的进一步发展，器件特征尺寸的不断缩小，电路的速度不断增快，静态漏电、短沟道效应、功耗密度增大、迁移率退化等物理极限使器件性能不断恶化，IC芯片逐渐趋近其物理与工艺极限，传统Si基器件和集成电路逐渐显示出其缺陷和不足，使得Si基集成电路技术难以再按照摩尔定律继续发展下去。因此，在目前的工艺水平下，要继续维持Moore定律发展，必须研究新型器件结构、探索新型器件材料、开发新型器件工艺，从而不断提高器件与集成电路的性能。对NMOS器件而言，采用新的沟道材料无疑是一种有效的解决这些物理问题和技术挑战的办法。普通硅(Si)的电子迁移率约1350～1500cm2/Vs，而空穴迁移率仅约450～500cm2/Vs，低迁移率尤其是空穴迁移率未来将限制极小尺寸CMOS集成电路的发展。在新材料技术中，锗(Ge)沟道技术是非常引人注目的。其中的重要原因是Ge具有很好的空穴迁移率，其值为1900cm2/Vs。Ge材料同时具有较高的电子迁移率和空穴迁移率，这使其能够被更加对称地设计CMOS逻辑电路中的n沟道金属-氧化物-半导体场效应管(n-MOSFETs)和p沟道金属-氧化物-半导体场效应管(p-MOSFETs)。Ge因其与Si同属第IV主族具有与Si十分相似的物理化学性能而与传统的SiCMOS工艺平台高度兼容。正是由于Ge材料的这些突出优点，使其成为最有希望克服目前Si技术瓶颈的新沟道候选材料。但Ge单晶片很昂贵，直接应用到成熟的硅平面工艺中存在技术和经济两方面的问题。考虑到Si单晶片资源丰富、质优价廉，Si工艺又很成熟，在Si单晶衬底上通过外延生长Ge单晶膜来制备NMOS、PMOS及CMOS器件是目前研究较多的办法。目前Si衬底上制备Ge外延层相对成熟，但仍然无法解决Ge外延层中大量螺位错的出现，需要通过高温退火进一步降低位错密度，然而高温退火中经常会出现Si，Ge相互扩散，影响NMOS器件的性能。
技术实现思路
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本专利技术提出一种激光再晶化GeNMOS器件及其制备方法。具体地，本专利技术一个实施例提出的一种激光再晶化GeNMOS器件的制备方法，包括：S101、选取单晶Si衬底；S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长40～50nm的第一Ge籽晶层；S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述第一Ge籽晶层表面生长150～250nm的第二Ge主体层；S104、利用CVD工艺在所述第二Ge主体层表面上淀积150nmSiO2层；S105、将包括所述单晶Si衬底、所述第一Ge籽晶层、所述第二Ge主体层及所述SiO2层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s；S106、自然冷却整个衬底材料；S107、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述SiO2层，得到所述Ge/Si虚衬底材料；S108、在500～600℃温度下，利用CVD外延工艺在所述Ge/Si虚衬底表面淀积厚度为900～950nm的P型Ge层，掺杂浓度为1×1016～5×1016cm-3；S109、在70℃～80℃温度下，将所述P型Ge层放置于H2O2溶液中形成GeO2层；S110、在250～300℃温度下，采用原子层淀积工艺在所述GeO2层表面淀积厚度为2～3nmHfO2材料；S111、利用电子束蒸发工艺在所述HfO2材料表面淀积厚度为10～20nm的Al-Cu材料；S112、利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的所述Al-Cu材料形成NMOS的栅极区；S113、采用自对准工艺，对整个衬底表面进行P离子注入，在250～300℃温度下，在氮气环境下快速热退火30s，形成NMOS源漏区；S114、利用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为200～300nm的BPSG形成介质层；S115、利用硝酸和氢氟酸刻蚀所述BPSG形成源漏接触孔；S116、利用电子束蒸发工艺在整个衬底表面淀积厚度为10～20nm的金属W形成源漏接触；S117、利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属W，并利用CMP工进行平坦化处理；S118、利用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为20～30nm的SiN以形成所述激光再晶化GeNMOS器件。本专利技术另一个实施例提出的一种激光再晶化GeNMOS器件，包括：单晶Si衬底、第一Ge籽晶层、第二Ge主体层、P型Ge层、HfO2层及Al-Cu层；其中，所述NMOS器件由上述实施例所述的方法制备形成。本专利技术再一个实施例提出的一种激光再晶化GeNMOS器件的制备方法，包括：选取Si衬底；在第一温度下，在所述Si衬底表面生长第一Ge籽晶层；在第二温度下，在所述第一Ge籽晶层表面生长第二Ge主体层；将包括所述Si衬底、所述第一Ge籽晶层、所述第二Ge主体层的衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，形成晶化Ge层；在衬底材料表面生长栅介质层；在所述栅介质层表面生长栅极层；刻蚀所述栅极层及所述栅介质层，形成栅极；利用自对准工艺进行源漏注入，形成源漏区，最终形成所述激光再晶化GeNMOS器件。在本专利技术的一个实施例中，在所述第一Ge籽晶层表面生长第二Ge主体层之后，还包括：在所述第二Ge主体层表面上淀积SiO2材料；相应地，在形成晶化Ge层之后，还包括：去除所述SiO2材料。在本专利技术的一个实施例中，第一温度为275℃～325℃，第二温度为500℃～600℃。在本专利技术的一个实施例中，在衬底材料表面生长栅介质层之前，还包括：将整个衬底置于H2O2溶液中，在所述晶化Ge层表面形成GeO2层。在本专利技术的一个实施例中，在衬底材料表面生长栅介质层，包括：在所述GeO2层表面采用原子层淀积工艺淀积HfO2材料，形成所述栅介质层。在本专利技术的一个实施例中，形成源漏区之后，还包括：利用CVD工艺在整个衬底表面淀积BPSG形成介质层；利用硝酸和氢氟酸刻蚀所述BPSG形成源漏接触孔；利用电子束蒸发工艺在整个衬底表面淀积金属W形成源漏接触；利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属W。在本专利技术的一个实施例中，利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属W之后，还包括：利用CMP工艺对整个衬底进行平坦化处理；利用CVD工艺在衬底表面淀积SiN材料。本专利技术又一个实施例提出的一种激光再晶化GeNMOS器件，包括：Si衬底、第一Ge籽晶层、第二Ge主体层、晶化Ge层、栅介质层及栅极层；其中，所述NMOS器件由上述实施例所述的方法制备形成。上述实施例，本专利技术采用激光再晶化(LaserRe-Crystallization，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光再晶化Ge NMOS器件的制备方法，其特征在于，包括：S101、选取单晶Si衬底；S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长40～50nm的第一Ge籽晶层；S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述第一Ge籽晶层表面生长150～250nm的第二Ge主体层；S104、利用CVD工艺在所述第二Ge主体层表面上淀积150nmSiO2层；S105、将包括所述单晶Si衬底、所述第一Ge籽晶层、所述第二Ge主体层及所述SiO2层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm

【技术特征摘要】
1.一种激光再晶化GeNMOS器件的制备方法，其特征在于，包括：S101、选取单晶Si衬底；S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长40～50nm的第一Ge籽晶层；S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述第一Ge籽晶层表面生长150～250nm的第二Ge主体层；S104、利用CVD工艺在所述第二Ge主体层表面上淀积150nmSiO2层；S105、将包括所述单晶Si衬底、所述第一Ge籽晶层、所述第二Ge主体层及所述SiO2层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s；S106、自然冷却整个衬底材料；S107、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述SiO2层，得到所述Ge/Si虚衬底材料；S108、在500～600℃温度下，利用CVD外延工艺在所述Ge/Si虚衬底表面淀积厚度为900～950nm的P型Ge层，掺杂浓度为1×1016～5×1016cm-3；S109、在70℃～80℃温度下，将所述P型Ge层放置于H2O2溶液中形成GeO2层；S110、在250～300℃温度下，采用原子层淀积工艺在所述GeO2层表面淀积厚度为2～3nmHfO2材料；S111、利用电子束蒸发工艺在所述HfO2材料表面淀积厚度为10～20nm的Al-Cu材料；S112、利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的所述Al-Cu材料形成NMOS的栅极区；S113、采用自对准工艺，对整个衬底表面进行P离子注入，在250～300℃温度下，在氮气环境下快速热退火30s，形成NMOS源漏区；S114、利用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为200～300nm的BPSG形成介质层；S115、利用硝酸和氢氟酸刻蚀所述BPSG形成源漏接触孔；S116、利用电子束蒸发工艺在整个衬底表面淀积厚度为10～20nm的金属W形成源漏接触；S117、利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属W，并利用CMP工进行平坦化处理；S118、利用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为20～30nm的SiN以形成所述激光再晶化GeNMOS器件。2.一种激光再晶化GeNMOS器件，其特征在于，包括：单晶Si衬底、第一Ge籽晶层、第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪霖，陈晓璇，张万绪，刘成，彭瑶，姜博，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61