激光再晶化Ge CMOS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 CMOS器件及其制备方法。该方法包括：选取Si衬底，生长Ge籽晶层、Ge主体层；淀积SiO2材料；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，光斑尺寸10mm×1mm，功率为1.5kW/cm

Laser recrystallizing Ge CMOS devices and their preparation methods

The invention relates to a laser crystallization of Ge CMOS device and preparation method thereof. The method includes: selecting Si substrate, growth of Ge seed layer, Ge layer deposition SiO2 material; main body; the substrate material is heated to 700 DEG C, continuous crystallization by laser process the whole substrate material, wherein the laser wavelength is 808nm, the spot size of 10mm * 1mm, power is 1.5kW/cm

【技术实现步骤摘要】
激光再晶化GeCMOS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GeCMOS器件及其制备方法。
技术介绍
随着MOS器件特征尺寸的不断缩小，制造工艺的复杂程度也在不断增加，相应地实现大批量生产的设备投资规模也越来越大。通过改进器件结构、工艺、或采用新材料，提高沟道内载流子的迁移率，按已有的特征尺寸，利用已有的生产设备条件加工MOS器件，不但达到提高器件性能的目的，还可延长已有生产线的使用寿命。因此，开发高迁移率沟道的MOS器件，对提高器件与集成电路的性能，促进微电子学和集成电路技术的长远发展具有十分重要的应用价值和意义。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，也是最常见的方法是两步生长法。但是，两步生长法仍然无法解决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GeCMOS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GeCMOS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、利用干法刻蚀工艺，在整个衬底材料上刻蚀出深度为100～150nm的浅槽；S110、在750℃～850℃温度下，利用CVD工艺在整个衬底表面淀积SiO2材料，将所述浅槽内填满；S111、利用CVD工艺在SiO2材料表面淀积厚度为20～30nm的Si3N4材料；S112、利用CMP方法去除部分SiO2材料与Si3N4材料，去除厚度等于Si3N4材料的厚度；S113、利用各向异性的干法刻蚀工艺刻蚀掉整个衬底表面的SiO2材料，形成浅槽隔离；S114、在整个衬底表面涂抹光刻胶，曝光局部区域的光刻胶并利用离子注入工艺注入硼离子，形成NMOS器件有源区；S115、去除光刻胶；S116、在600℃～1000℃的H2环境中加热整个衬底以修复离子注入造成的Si表面晶体损伤；S117、将整个衬底放在100℃的H2O2溶液中10分钟，在所述Ge/Si虚衬底材料表面形成GeO2钝化层；S118、在所述GeO2钝化层表面生长厚度为2～10nm的HfO2材料；S119、在750～850℃温度下，利用CVD工艺在所述HfO2材料表面淀积厚度为110nm的TaN材料；S120、利用选择性刻蚀工艺刻蚀部分TaN材料和HfO2材料，形成NMOS栅极和PMOS栅极；S121、在所述NMOS栅极和PMOS栅极表面利用CVD工艺淀积SiO2材料；S122、采用离子注入工艺，对所述NMOS有源区进行As离子注入形成NMOS源漏区；S123、采用离子注入工艺，在异于所述NMOS有源区的整个衬底表面进行BF2+注入形成PMOS源漏区；S124、去除所述NMOS栅极和PMOS栅极表面的SiO2材料；S125、利用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为20～30nm的BPSG形成介质层；S126、采用硝酸和氢氟酸刻蚀BPSG形成NMOS源漏接触孔和PMOS源漏接触孔；S127、利用电子束蒸发工艺在整个衬底表面淀积厚度为10～20nm金属W形成源漏接触；S128、利用选择性刻蚀工艺刻蚀指定区域的金属W，并利用CMP工艺进行平坦化处理；S129、利用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为20～30nm的SiN材料用于钝化电介质，最终形成所述激光再晶化GeCMOS器件。本专利技术另一个实施例提出的一种激光再晶化GeCMOS器件，包括：单晶Si衬底、第一Ge籽晶层、第二Ge主体层、Ge层、HfO2层及Al-Cu层；其中，所述CMOS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GeCMOS器件的制备方法，包括：选取单晶Si衬底；在第一温度下，在所述Si衬底上生长第一Ge籽晶层；在第二温度下，在在所述第一Ge籽晶层表面生长第二Ge主体层；将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，形成晶化Ge层；在所述晶化Ge层表面生长P型Ge层；在整个衬底形成浅槽隔离；向所述P型Ge层表面的局部区域注入离子形成NMOS器件有源区；在所述P型Ge层表面生长栅介质层、栅极层，刻蚀形成NMOS栅极及PMOS栅极；向所述NMOS有源区、异于所述NMOS有源区的区域表面注入离子分别形成NMOS源漏区及PMOS源漏区，最终形成所述激光再晶化GeCMOS器件。在本专利技术的一个实施例中，所述第一温度为275℃～325℃，所述第二温度为500℃～600℃。在本专利技术的一个实施例中，在整个衬底形成浅槽隔离，包括：利用干法刻蚀工艺，在整个衬底材料上刻蚀出一定深度的沟槽；利用CVD工艺在整个衬底表面淀积SiO2材料，将所述沟槽内填满；利用CVD工艺在SiO2材料表面淀积Si3N4材料；利用CMP方法去除部分SiO2材料与所述Si3N4材料，去除厚度等于所述Si3N4材料的厚度；利用各向异性的干法刻蚀工艺刻蚀掉整个衬底表面的SiO2材料，形成所述浅槽隔离。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光再晶化Ge CMOS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GeCMOS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、利用干法刻蚀工艺，在整个衬底材料上刻蚀出深度为100～150nm的浅槽；S110、在750℃～850℃温度下，利用CVD工艺在整个衬底表面淀积SiO2材料，将所述浅槽内填满；S111、利用CVD工艺在SiO2材料表面淀积厚度为20～30nm的Si3N4材料；S112、利用CMP方法去除部分SiO2材料与Si3N4材料，去除厚度等于Si3N4材料的厚度；S113、利用各向异性的干法刻蚀工艺刻蚀掉整个衬底表面的SiO2材料，形成浅槽隔离；S114、在整个衬底表面涂抹光刻胶，曝光局部区域的光刻胶并利用离子注入工艺注入硼离子，形成NMOS器件有源区；S115、去除光刻胶；S116、在600℃～1000℃的H2环境中加热整个衬底以修复离子注入造成的Si表面晶体损伤；S117、将整个衬底放在100℃的H2O2溶液中10分钟，在所述Ge/Si虚衬底材料表面形成GeO2钝化层；S118、在所述GeO2钝化层表面生长厚度为2～10nm的HfO2材料；S119、在750～850℃温度下，利用CVD工艺在所述HfO2材料表面淀积厚度为110nm的TaN材料；S120、利用选择性刻蚀工艺刻蚀部分TaN材料和HfO2材料，形成NMOS栅极和PMOS栅极；S121、在所述NMOS栅极和PMOS栅极表面利用CVD工艺淀积SiO2材料；S122、采用离子注入工艺，对所述NMOS有源区进行As离子注入形成NMOS源漏区；S123、采用离子注入工艺，在异于所述NMOS有源区的整个衬底表面进行BF2+注入形成PMOS源漏区；S124、去除所述NMOS栅极和PMOS栅极表面的SiO2材料；S125、利用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为20～30nm的BPSG形成介质层；S126、采用硝酸和氢氟酸刻蚀BPSG形成NMOS源漏接触孔和PMOS源漏接触孔；S127、利用电子束蒸发工艺在整个衬底表面淀积厚度为10～20nm金属W形成源漏接触；S128、利用选择性刻蚀工艺刻蚀指定区域的金属W，并利用CMP工艺进行平坦化处理；S129、利用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为20～30nm的SiN材料用于钝化电介质，最终形成所述激光再晶化GeCMOS器件。2.一种激光再晶化GeCMOS器件，其特征在于，包括：单晶Si衬底、第一Ge籽晶层、第二Ge主体层、Ge层、HfO2层及Al-...

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