本发明专利技术公开了属于半导体衬底材料的制作领域的一种应变锗薄膜的制备方法。在Ｓｉ基质上沉积覆盖单晶Ｓｉ缓冲层；在单晶Ｓｉ缓冲层上覆盖小于临界厚度的应变的单晶锗硅Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］层，然后氧化、使其转换为弛豫的高Ｇｅ组分Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］层，通过离子注入及退火使高Ｇｅ组分Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］层完全弛豫，并在该层上覆盖压应变的Ｇｅ层或压应变的高Ｇｅ组分Ｓｉ↓［１－ｚ］Ｇｅ↓［ｚ］层，或在压应变的Ｇｅ层或压应变的高Ｇｅ组分Ｓｉ↓［１－ｚ］Ｇｅ↓［ｚ］层上覆盖张应变的Ｓｉ层或张应变的Ｓｉ↓［１－ａ］Ｇｅ↓［ａ］层。本发明专利技术可用于制造互补金属氧化物半导体晶体管、调治掺杂场效应晶体管、高电子迁移率晶体管和双极型晶体管等高速器件，能够大大提高器件的性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体衬底材料的制作领域。具体涉及在体Si材料上的高质量 的，基本驰豫的高锗组分锗硅(SiGe)虚衬底以及在该虚衬底上的高质量的，基 本应变的锗、硅或硅/锗异质结材料的一种。
技术介绍
随着特征尺寸越来越小，集成电路面临诸多由材料和器件自身引起的小尺寸 效应。特征尺寸的不断缩小使单个晶体管尺寸逐渐达到物理和技术的双重极限， 晶体管性能难以再按照以往的速度不断提升，而必须采用新的技术来提高器件与 集成电路的性能。其中一个重要方面就是采取措施提高晶体管的饱和驱动电流， 饱和驱动电流与沟道内载流子迁移率有关，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，即可按已有的特征尺寸，利用己有的生产设 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。随着线宽的不断縮小，也许对沟道内载流子迁移率的要求将进一步提高。在 新技术中，锗沟道技术是非常引人注目的。其中的重要原因是锗具有很好的空穴 迁移率。普通硅的电子迁移率约1350-1500cm2/V.s，而空穴迁移率仅约 450-500cm2/V.S，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。目前实验研究得到的最好的应变硅空穴迁移率大约是普通硅的2-2.5 倍，应变SiGe大约是2-3倍，Si的(110)晶面的空穴迁移率可比(100)面提高约1.5 倍，而锗的空穴迁移率约为1900±50cm2/V.S，比目前在硅和应变硅中获得的空穴 迁移率要高得多，甚至比众多的化合物半导体材料也要高得多。锗的电子迁移率 也较高，约3900±100cm2/V-s。因为Ge和Si之间有4.2%的晶格失配，只有非常薄的无缺陷的Ge层直接长 在Si (001)晶向上，该Ge层是存在双轴压应变的，应变锗层中锗原子与衬底达 到匹配时，锗原子受到压縮，形成双轴(Biaxial)压应变，临界厚度小于lnm。过渡层中锗含量越低，则应变锗中的应变度越大。 一般认为，压应变对空穴迁移 率具有很好的增强作用。实验获得的应变锗空穴迁移率比硅高8-10倍。无疑锗 沟道在载流子迁移率提升方面(尤其对PMOS而言)具有很大的优势。当层厚度大于临界厚度，缺陷将会产生，直接生长在Si (001)晶向上的完全弛豫的Ge 层的缺陷密度会相当高，达到109cm—2，这样就无法用于器件的制造。因此要生 长厚的应变的Ge层，降低Ge层与衬底之间的晶格失配是必需的。最广泛应用的一种方法是在硅衬底表面生长锗组分梯度变化的弛豫锗硅(Sii-xGex)过渡层，以弛豫的Sh.xGex (x<l)过渡层为虚衬底(virtual substrate), 在其表面直接外延生长应变锗，梯度过渡层可有效地降低外延层中的位错密度。 厚SiGe缓冲层具有与其相关的几个值得注意的缺陷第一，厚的SiGe缓冲层通 常不容易与已有的Si基CMOS工艺相集成。第二，耗费了大量的材料，从而使 得成本大大提高。另外一种方法是采用低温Si、低温SiGe生长技术。该方法具 体描述详见Peng CS等人的Relaxed Gea9Si0.i alloy layers with low threading dislocation densities grown on low-temperature Si buffers, Appl. Phys. Lett., 72, 3160(1998)。但是该方法对温度要求非常苛刻，难以用于大规模的生产之中。第 三种方法是采用表面金属化方法。该方法具体描述详见Wietler T F等人的Surfactant-mediated epitaxy of relaxed low-doped Ge films on Si(OOl) with low defect densities, Appl.Phys丄ett,， 87,182102(2005)。这种方法需要引入额外的杂 质离子，掺杂浓度很高。这些方法都存在各自的明显的缺点。不能用于大规模的 生产中。利用氧化提高SiGe薄膜层内Ge组分的方法己经存在，在B.-G..Min等人的 题为Formation of a Ge-rich layer during the oxidation of strained Sii—xGex，，, Journal of applied physics, 100,016102(2006)，文章中有详细的描述。该方法通常用于制备 SGOI或GOI等衬底，详细描述可参见，美国专利No. WO 2006/090221 A2，题 为Thermal oxidation of a sige layer and applications thereof。本专利技术将氧化方法应用于体Si衬底上，能够提高Ge层的临界厚度，并且降 低表面粗糙度和位错密度，同时减小整个外延层的厚度，该专利技术方法容易与传统的Si基CMOS工艺想集成，从而降低生产难度和成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种。利用该方法，可以制备应变Si，应变Ge等各种衬底结构，本专利技术的新材料可用于制造高速器件，如互补 金属氧化物半导体晶体管、调治掺杂场效应晶体管、高电子迁移率晶体管和双极 型晶体管等，可以大大提高器件的性能。具体工艺步骤如下1) 在Si基质上淀积覆盖厚度为50-1000A0的单晶Si缓冲层；2) 在单晶Si缓冲层上覆盖厚度小于临界厚度，具体为100-2000 Al勺应变的 单晶锗硅Si^Gex层。其中，0.15<x<0.4， x为摩尔数；3) 在高温氧环境内对单晶锗硅Si^Gex层进行氧化，在氧化温度为800~1000 。C下，氧化时间在0.1 500分钟,使单晶锗硅层转换为高锗含量的弛豫的锗硅 SiLyGey层，其中0.4^<1;其中y为摩尔数；4) 对没有完全弛豫的锗硅Sh.yGey层进行离子注入，并退火。用选自氢、硼、 氦、磷和氩等的一种或几种物质注入Si,.yGey层，包括以lxl011 /cm2 lxl0'7/cm2的剂量范围，以5keV 250keV的能量范围进行注入。在250 1000 t:的温度范围内退火0.1 300分钟。典型地，退火在诸如真空，氮，氩，或者其 他惰性气体中进行。该步骤可以被省略。5) 去除弛豫的锗硅SiLyGey层上的Si02层；6) 弛豫的单晶锗硅(SiLyGey)层上覆盖张应变的Si层或张应变的Si,.bGeb 层，其中b〈y,应变层的生长温度在350。C 70(TC;应变层的厚度小于临界厚度， 更具体的，应变Si层厚度小于300A、7) 在弛豫的单晶锗硅(SGey)层上覆盖压应变的Ge层或压应变的高Ge 组分Si^G^层，其中z〉y，压应变层的生长温度在25(TC 65(TC，压应变层的 厚度小于临界厚度。更具体的，应变Ge层厚度小于300A、8) 在压应变的Ge层或压应变的高Ge组分SiuG^层上覆盖张应变的Si层 或张应变的Si^Gea层，其中a〈y〈z〈1。张应变层的生长温度在35(TC 70(rC,张应变层的厚度小于临界厚度。更具体的，应变Si层厚度小于300A^所述压应变的单晶锗硅Si,.xGex层具有与下面单晶Si缓冲层晶格结构相匹配的晶本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种应变锗薄膜的制备方法，其特征在于，具体工艺步骤如下：１）在Ｓｉ基质上淀积覆盖所述Ｓｉ基质的厚度为５０－１０００Ａ↑［０］单晶Ｓｉ缓冲层；２）在单晶Ｓｉ缓冲层上覆盖厚度小于临界厚度，具体为１００－２０００Ａ０的应变的单晶锗硅Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］层，在氧化温度为８００～１０００℃的氧环境下，０．１－５００分钟之内使应变的单晶锗硅Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］层转换为高锗含量的弛豫的锗硅Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］层，其中ｙ为摩尔数；０．４＜ｙ＜１；３）在高温氧环境内对单晶锗硅Ｓｉ↓［１－ｘ］Ｇｅ↓［ｘ］层进行氧化，在氧化温度为８００～１０００℃下，氧化时间在０．１－５００分钟之内使单晶锗硅层转换为高锗含量的弛豫的锗硅Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］层，其中０．４＜ｙ＜１；ｙ为摩尔数；４）去除弛豫的锗硅Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］层上的ＳｉＯ↓［２］层；５）在弛豫的单晶锗硅Ｓｉ↓［１－ｙ］Ｇｅ↓［ｙ］层上覆盖压应变的Ｇｅ层或压应变的高Ｇｅ组分Ｓｉ↓［１－ｚ］Ｇｅ↓［ｚ］层，其中ｚ＜ｙ应变层的生长温度在２５０℃～７００℃；应变层的厚度小于临界厚度，更具体的，应变Ｓｉ层厚度小于３００Ａ↑［０］；其中，淀积张应变的Ｓｉ层或张应变的Ｓｉ↓［１－ｂ］Ｇｅ↓［ｂ］层时，应变层的生长温度在３５０～７００℃；淀积压应变的Ｇｅ层或压应变的高Ｇｅ组分Ｓｉ↓［１－ｚ］Ｇｅ↓［ｚ］层时，应变层的生长温度在２５０℃～６５０℃；６）在压应变的Ｇｅ层或压应变的高Ｇｅ组分Ｓｉ↓［１－ｚ］Ｇｅ↓［ｚ］层上覆盖张应变的Ｓｉ层或张应变的Ｓｉ↓［１－ａ］Ｇｅ↓［ａ］层，其中ａ＜ｙ，其中ｙ＜ｚ＜１。...
【技术特征摘要】
1. 一种应变锗薄膜的制备方法，其特征在于，具体工艺步骤如下1)在Si基质上淀积覆盖所述Si基质的厚度为50-1000A°单晶Si缓冲层；2)在单晶Si缓冲层上覆盖厚度小于临界厚度，具体为100-2000A0的应变的单晶锗硅Si1-xGex层，在氧化温度为800～1000℃的氧环境下，0.1-500分钟之内使应变的单晶锗硅Si1-xGex层转换为高锗含量的弛豫的锗硅Si1-yGey层，其中y为摩尔数；0.4＜y＜1；3)在高温氧环境内对单晶锗硅Si1-xGex层进行氧化，在氧化温度为800～1000℃下，氧化时间在0.1-500分钟之内使单晶锗硅层转换为高锗含量的弛豫的锗硅Si1-yGey层，其中0.4＜y＜1；y为摩尔数；4)去除弛豫的锗硅Si1-yGey层上的SiO2层；5)在弛豫的单晶锗硅Si1-yGey层上覆盖压应变的Ge层或压应变的高Ge组分Si1-zGez层，其中z＜y应变层的生...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘佳磊，梁仁荣，王敬，许军，刘志弘，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。