本发明专利技术公开了一种基于硅锗／硅结构注氧隔离制备绝缘体上硅锗材料的方法，依次包括二氧化硅保护层生长、离子注入、高温退火和去除二氧化硅层。其特征在于（１）注入前，在硅锗上生长二氧化硅层，层厚２０～１２０ｎｍ；（２）离子注入的能量范围是１５～８０ｋｅＶ，相应剂量范围是１．０×１０↑［１７］～６．０×１０↑［１７］ｍ↑［－２］；（３）在１２００～１３７５℃范围内退火，退火时间１～２４个小时，退火气氛为氩气或氮气与氧气的混合气体，其中氧气的体积含量为０％～２０％。（４）去除二氧化硅保护层。采用本发明专利技术的工艺制备的绝缘体上的硅锗材料埋氧层连续，晶格质量好，锗含量高，全释放，满足实用要求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术公开了一种基于硅锗/硅结构注氧隔离制备绝缘体上的硅锗材料(SGOIsilicon germanium-on-insulator)的方法。与现有的技术相比，采用本专利技术提供的方法制备的绝缘体上的硅锗材料埋氧层连续，晶格质量好，锗含量高，全释放，满足实用要求，属于先进半导体材料的制造工艺。
技术介绍
随着工业硅集成电路的特征尺寸达到90纳米范围，硅集成技术的发展已接近其物理极限，进一步减小线宽所要面对的困难愈加艰巨；应变硅技术由于在现有的集成电路工艺基础上可以大幅度提高集成电路的性能，成为减小线宽之外的又一选择。应变硅技术的发展与高质量硅锗合金的外延生长技术的成熟是分不开的。由于硅的晶格常数比锗小，在无应变硅锗上外延生长硅时，硅晶格会被一定程度的拉伸，从而形成应变硅。应变硅技术利用晶格的拉伸可以获得较体硅更高的电子和空穴迁移率且与现有集成电路工艺兼容，可实现器件应用和器件性能的提高。初期应变硅技术的衬底材料是硅锗/硅结构，但这一结构在低线宽的工艺条件下难以避免漏电流问题和闩锁效应，因而使其应用受到了很大的限制。结合绝缘体上的硅(SOI)工艺与特点发展的SGOI结构在硅锗结构中引入一SiO2绝缘埋层，因而兼有SOI技术和硅锗技术的优越性，可降低器件短沟道效应、避免浮体效应，并具有低寄生电容、高抗辐照能力、高电子空穴迁移率和低失效漏电流的特性，能改善MOS器件性能，对制造高性能、低功耗器件平台是非常理想的。另外，一层或多层器件层可生长在SGOI平台上，如应变硅，应变锗，应变Si1-yGey(x＜y或x＞y)，InGaP或GaAs(x＝1)，这些结构在微电子与光电子领域应用前景广阔。目前用于制备SGOI结构的技术主要有智能剥离(SMART-CUT)技术，SOI外延(Epitaxy)硅锗和注氧隔离技术(SIMOX)技术。SMART-CUT技术通过将硅锗/硅片与硅片键合的方法得到SGOI材料，此法得到的SGOI结构一般硅锗层和二氧化硅层厚度较大，需要进一步处理，其工艺过程比较复杂，且键合的可靠性是很大的难题。SOI-Epitaxy技术是指通过注氧隔离技术往硅片注氧形成SOI片后，再在顶层硅上外延生长硅锗，最后进行高温退火，利用锗的高温扩散，使SOI片顶层硅与锗形成硅锗合金获得SGOI结构的方法，此方法要求SOI的顶层硅非常薄，需要对SOI片进行减薄处理，而且在SOI片上外延得到硅锗的技术还不是非常成熟，晶体质量仍需要进一步提高，通过高温扩散的方法得到硅锗合金在组分均匀性方面也需要进一步的研究。注氧隔离(SIMOX)技术在SOI材料制备中得到了成功的应用，且与目前超大规模集成电路的制造工艺相兼容。SGOI结构的制备也可以采用SIMOX技术。在硅锗/硅基片上通过SIMOX技术，形成SGOI结构的工艺过程比较简单，将氧注入硅锗中，得到SiO2埋层，形成SGOI结构。与SMART-CUT技术相比，采用SIMOX技术制备SGOI结构通过剂量、能量的相应调整可以进行绝缘埋层厚度，顶层硅锗材料厚度的调整，扩大了SGOI结构的尺度范围和应用范围。尤其在全耗尽MOSFET器件应用领域，SIMOX技术采用低剂量可以得到厚度在60纳米左右的硅锗层和绝缘埋层。超低剂量SIMOX技术的开发还可进一步减小SGOI结构的尺度。但是，目前常规SIMOX技术在SGOI结构制备领域也存在许多要克服的难题直接的SIMOX技术往往需要高温1300℃以上长时间退火以提高埋氧层质量，但当硅锗层中锗的含量高于10％时，硅锗的熔点接近甚至低于退火温度，退火过程中锗流失的问题难以克服，硅锗层与埋氧质量也得不到保证。具体可以参考Zhenghua An(Zhenghua An，Relaxed silicon germanium oninsulator substrates by oxygen implantation into pseudomorphicsilicon germanium silicon heterostructure，Applied Physics Letters82(15)，2003，pp.2452-2454)等人的研究结果，14％锗含量的硅锗材料在SIMOX技术后，虽然利用了两步退火工艺，锗含量仍有大量的损失，降低到只有8％；高温退火后，由于选择氧化的后果，界面会出现锗的聚集，并导致绝缘埋层界面处缺陷和位错的形成，晶格质量恶化。鉴于常规注氧隔离技术制备绝缘体上硅锗材料存在的问题，本专利技术提出。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，所制备的绝缘体上的硅锗材料具有埋氧层连续，晶格质量好，锗含量高，全释放的优点；同时在SGOI区域，掩埋氧化层中硅岛和针孔的密度非常低。采用本专利技术提出的与常规SGOI材料的注氧隔离技术的差异在于，在离子注入前，在表层硅锗上预先生长一二氧化硅保护层，以减少锗的外扩散，保持硅锗合金组分稳定。其机理在于高温退火过程中，锗的扩散系数会随着温度升高逐渐增大，常规SIMOX技术制备SGOI材料过程，退火会引起锗的外扩散，引起硅锗合金中锗含量的损失；本专利技术利用二氧化硅层中锗扩散系数小的机理，在退火前生长的二氧化硅层可以很大程度上限制锗的外扩散，解决高温退火过程中锗损失的难题；另一方面，离子注入过程会对表层硅锗有一定的破坏作用，在注入前生长一层二氧化硅保护层可以很好的保护顶层硅锗的质量。具体工艺步骤如下(a)生长二氧化硅保护层；(b)选择优化的剂量和能量进行离子注入；(c)高温退火，形成连续的绝缘埋层；(d)去除二氧化硅保护层。步骤(a)中的保护层是SiO2薄膜。薄膜厚度范围为20nm～120nm，以起到保护表层硅锗，保持锗组分稳定的作用，但也不能过厚以影响硅锗外界面的平整度，以120nm为限。二氧化硅保护层是由热氧化或化学气相沉积(CVD)制备，厚度20nm以上即可以阻挡离子注入过程对晶格的破坏作用，并在高温退火过程中限制锗的外扩散。步骤(b)中离子注入是形成高质量绝缘体上硅锗材料的关键。离子注入时的能量范围是15～80keV，相应的剂量范围是1.0×1017～6.0×1017cm-2。25keV所对应的剂量为1.5×1017cm-2，60keV所对应的剂量为3.0×1017cm-2。能量与剂量地优化关系近似成线性关系。注入的离子除O+外还可以是O2+、HO+、H2O+等含氧的离子以形成掩埋氧化层。如果注入氮氧的离子，可以形成氮氧化硅的混合埋层。注入的过程包括一次注入和多次注入。注入时衬底温度为400～700℃。注入时离子束与硅锗材料法线之间的角度为7°步骤(c)高温退火是注氧隔离技术制备绝缘体上硅锗材料形成绝缘埋层的重要步骤。退火的温度为1200～1375℃，退火时间为1～24小时。；退火气氛为氩气或氮气与氧气的混合气体，其中氧气的体积含量可以为0％～20％。本专利技术所述的绝缘体上的硅锗材料是广义的，作为半导体衬底的材料包括硅、锗、硅锗合金、GaAs或其它IV-IV，III-V和II-VI族的二元和三元化合物半导体或者它们之间的多层结构。本专利技术利用锗在二氧化硅中扩散系数小的特性，以及氧与硅的选择氧化，使锗在退火过程中不能轻易扩散流失出去，从而提高了SGOI结构的锗含量，该方法可以应用于锗含量超过10％的SGOI材料制备本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于硅锗／硅结构注氧隔离制备绝缘体上硅锗材料的方法，其特征在于依次包括二氧化硅保护层生长、离子注入、高温退火和去除二氧化硅层，具体工艺过程是：（１）注入前，在硅锗上生长二氧化硅层，层厚２０～１２０ｎｍ；（２）离子注入的能 量范围是１５～８０ｋｅＶ，相应剂量范围是１．０×１０↑［１７］～６．０×１０↑［１７］ｃｍ↑［－２］；衬底温度为４００～７００℃；（３）在１２００～１３７５℃范围内退火，退火时间１～２４个小时，退火气氛为氩气或氮气与氧气的混合气体， 其中氧气的体积含量为０％～２０％；（４）高温退火后，去除二氧化硅保护层。
【技术特征摘要】
1.一种基于硅锗/硅结构注氧隔离制备绝缘体上硅锗材料的方法，其特征在于依次包括二氧化硅保护层生长、离子注入、高温退火和去除二氧化硅层，具体工艺过程是(1)注入前，在硅锗上生长二氧化硅层，层厚20～120nm；(2)离子注入的能量范围是15～80keV，相应剂量范围是1.0×1017～6.0×1017cm-2；衬底温度为400～700℃；(3)在1200～1375℃范围内退火，退火时间1～24个小时，退火气氛为氩气或氮气与氧气的混合气体，其中氧气的体积含量为0％～20％；(4)高温退火后，去除二氧化硅保护层。2.按权利要求1所述的基于硅锗/硅结构注氧隔离制备绝缘体上硅锗材料的方法，其特征在于所述的半导体衬底包括体硅、体锗、硅锗合金、GaAs及其它IV-IV，III-V和II-VI族的二元和三元化合物中一种或者它们之间的多层结构。3.按权利要求1所述的基于硅锗/硅结构注氧隔离制备绝缘体上硅锗材料的方法，其特征在于所述的二氧化硅保护层是热氧化或化学气相沉积(CVD)方法生成的。4.按权利要求1所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈志君，张峰，
申请(专利权)人：上海新傲科技有限公司，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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