基于注氧隔离技术的绝缘体上锗硅材料及其制备方法.pdf

本发明涉及基于注氧隔离技术的绝缘体上锗硅材料及制备方法。特征在于以单晶锗硅薄膜取代传统的材料中的顶层单晶硅薄膜，形成以单晶锗硅薄膜为顶层半导体膜的更广义的新型衬底材料。制备方法是首先向单晶硅片中注入氧离子，然后在注氧硅片上生长Ge或SiGe薄膜，再在最上面生长Si或Si3N4或SiO2保护层，经高温退火，在注入的氧在硅中形成氧化硅埋层的同时，表面Si薄膜氧化为SiO2或保持原来的保护层结构，Ge从原来的Ge或SiGe沉积层中向注氧层上面的Si薄膜扩散，形成SiGe，从而形成SiGe/SiO2/Si，为应变Si材料的生长提供高质量的衬底材料。本发明将Si基能带工程拓展到SOI衬底材料，使得器件速度，功耗，抗辐照等性能大为提高。

1、  一种绝缘体上的锗硅材料，其特征在于所述的锗硅材料为三层结构，上层是单晶锗硅薄层，中间为二氧化硅埋层，底层为硅衬底。

2、  按权利要求1所述的绝缘体上锗硅材料，其特征在于所述的顶层单晶锗硅薄层的厚度为30～200nm；中间二氧化硅埋层厚度为30～500nm。

3、  一种按权利要求1所述的绝缘体上锗硅材料的制备方法，其特征在于具体工艺步骤是：
(a)在硅衬底上注入氧离子；
(b)在步骤(a)注氧的硅衬底上采用超高真空电子束蒸发、超高真空化学气相外延或磁控溅射沉积技术中一种生长Ge薄膜或SiGe薄膜沉积层；
(c)在步骤(b)的样品最表面生长Si、Si₃N₄或SiO₂保护层；
(d)在步骤(c)所得的样品在1300～1350℃，保护气氛下退火，注入的氧在硅中形成氧化硅的同时，Ge扩散到原来位于氧注入层上面的Si层形成驰豫的SiGe，位于最顶层的Si保护薄膜氧化成SiO₂。

4、  按权利要求3所述的绝缘体上锗硅材料的制备方法，其特征在于室温条件下，硅衬底上注入氧离子时的注入剂量3×10¹⁷～2×10¹⁸cm^-2；注入能量60-210KeV；注入时衬底温度500～550℃。

5、  按权利要求3所述的绝缘体上锗硅材料的制备方法，其特征在于步骤(c)中所述的在已经生长Ge薄膜或SiGe薄膜的注氧硅片上沉积Si、Si₃N₄或SiO₂保护层是采用超高真空电子束蒸发、超高真空化学气相外延或溅射沉积中的一种。

6、  按权利要求3或5所述的绝缘体上锗硅材料的制备方法，其特征在于采用超高真空化学气相外延生长Ge或SiGe薄膜时的气态源为GeH₄和SiH₄。

7、  按权利要求3所述的绝缘体上锗硅结构的制备方法，其特征在于单步高温退火时间为2～8小时，退火时的保护气氛或含氧的N₂、Ar或两者混合气体。

8、  按权利要求3或7所述的绝缘体上锗硅材料的制备方法，其特征在于在单步退火后的第二步退火温度为1040-1070℃，退火3-5小时，通过Ge原子扩散，使其在表面保护层与氧化埋层之间成份均匀。

9、  按权利要求3所述的绝缘体上锗硅材料的制备方法，其特征在于制备用HF或H₃PO₄去除所得的绝缘体上锗硅结构的顶层表面含有的氧化层。

10、  按权利要求3所述的绝缘体上锗硅材料的制备方法，其特征在于所制备的锗硅结构的顶层单晶锗硅可用化学机械抛光的方法提高其粗糙度和平整度。

基于注氧隔离技术的绝缘体上锗硅材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及了一种利用业已成熟的注氧隔离技术制备绝缘体上锗硅材料及制备方法，属于微电子学中半导体材料的制造工艺。
背景技术
目前，电子工业是全世界最大的工业，到2030年，电子产品的全球销售额预计将超过10000亿美元。半导体器件、微电子技术是电子工业的核心，其发展之快，是其他任何技术都比不上的。自从1959年开启了集成电路时代以来，最小器件尺寸(feature length)，一直以大约每年13％的速度在缩小(即每三年减少30％)。根据半导体国际技术蓝图(intemation technologyroadmap for semiconductor)的预测，最小的特征长度将由2002年的130nm(0.13μm)缩小至2014年的35nm(0.035μm)，人们也因此面临着巨大的挑战，这其中包括来自于器件方面、材料方面与系统方面的挑战。所以，IBM公司将绝缘体上的硅(SOI)、Cu布线、锗硅(Silicon Germanium)和低K技术称为微电子技术领域的飞跃。
应变Si中能带结构的变化使得载流子的迁移率大大增强，同时它与当前大规模集成电路工艺兼容使得成为当今微电子技术领域研究的热点。产生应变的方法是在驰豫SiGe层上外延应变的Si，因此生长高质量的驰豫SiGe是本技术的关键。本发明是一种高效的生长SiGe的方法，同时与SOI技术相结合，具有广大的应用前景。
早期，E.A.Fitzgerald等人(E.A.Fitzgerald，Y.H.Xie，M.L.Green，D.Brasen，A.R.Kortan，J.Michel，Y.J.Mii，and B.E.Weir，Appl.Phys.Lett.59，811(1991))利用渐变缓冲层的方法生长驰豫SiGe层，但难以控制且生长时间长。Powell等人(A.R.Powell，S.S.Iyer，and F.K.Legoues，Appl.Phys.Lett.64，1856(1994))通过对超薄SOI上生长的应变SiGe层退火的方法生长驰豫SiGe，但有大量位错会由SOI顶层Si中向SiGe层中延伸，其质量难以保证。
目前，T.Tezuka等人(T.Tezuka，N.Sugiyama，and S.Takagi，Appl.Phys.Lett.79，1798(2001))发现SiGe层中的Ge原子高温下会向Si中扩散。虽然他们没有结合SIMOX技术和单晶Ge层扩散，但为本发明基于注氧隔离技术的绝缘体上锗硅材料及其制备技术提供了可能性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于注氧隔离技术的绝缘体上锗硅材料及其制备技术。本发明的方法特征在于以一定能量和剂量向衬底硅材料中注入氧离子，然后采用超高真空电子束蒸发、超高真空化学气相外延或溅射沉积等技术在注氧硅片上生长Ge或SiGe薄膜，然后在最表面生长Si或Si₃N₄或SiO₂保护薄膜，最后对其进行(单步或两步)高温退火工艺，在形成埋层氧化物的同时，Ge在高温下会向Si中扩散，从而形成如图1所示的SiGe-OI结构。顶层是单晶锗硅，厚度为30～200nm，中间是二氧化硅埋层，厚度为30～500nm，下面是硅衬底。本发明避免了由于晶格失配，难以在Si上外延高质量SiGe薄膜的障碍，其特征在于完全通过Ge原子的高温扩散，SiGe层厚度和Ge的浓度可以通过退火时间和Ge薄膜层厚度等来调节，成本低，易于实现产业化。本发明的方法中，采用超高真空电子束蒸发、超高真空化学气相外延或溅射沉积等技术在注氧硅片生长Ge或SiGe薄膜，然后在最表面生长Si或Si₃N₄或SiO₂保护薄膜。上述样品在含有氧的氮或氩气气氛中，1300～1350℃退火2-8小时，从而注入的氧离子形成SiO₂层，同时Ge扩散到原来位于氧注入层上面的Si层中形成驰豫的SiGe，位于最顶层的Si保护薄膜在退火过程中被氧化形成SiO₂，从而可以避免下面的Ge原子氧化成GeO，造成逃逸损失，同样直接生长Si₃N₄或SiO₂保护薄膜也可以发挥相同的作用。初步退火后的样品可以继续在保护气氛中高温退火几个小时，通过Ge原子的扩散，使其在表面保护层与氧化埋层之间达到均匀分布。退火后的样品表面存在保护层，用HF或H₃PO₄溶液去除。为了提高顶层单晶锗硅粗糙度和平整度，可以对其进行化学机械抛光(CMP)。
所述的在硅衬底上注入氧离子是在室温条件下进行的，注入剂量3×10¹⁷～2×10¹⁸cm^-2，注入能量60-210keV，注入时衬底温度500～550℃，用超高真空化学气相外延生长时的气态源为GeH₄和SiH₄。
本发明所述的退火可以单步退火或两步退火，单步高温退火时间为2-8小时，退火时的保护气氛为含10-20vol％氧的N₂、Ar或两者混合气体；第二步退火温度为1040～1070℃，退火3-5小时，通过Ge原子的扩散，使其在表面保护层与氧化埋层之间大道均匀分布。
本发明为应变Si材料的生长提供高质量的衬底材料，可将Si基能带工程拓展到SOI衬底材料上，使器件速度、功耗、抗辐照性能大为提高，器件设计的灵活性也随之大大增强。
图1是本发明提供的基于注氧隔离技术的绝缘体上锗硅材料；
图2是图1基于注氧隔离技术的绝缘体上锗硅材料工艺流程：
(1)在硅衬底材料中注入氧离子
(2)在注氧硅片上依次制备Ge薄膜和Si薄膜
(3)将样品在含有氧的氮气或氩气气氛中，1300～1350℃退火，形成SiGe层
(4)样品在保护气氛中进行第二步高温退火的示意图
(5)退火后用HF或H₃PO₄溶液去除样品表面存在的保护层
(6)最后制备的绝缘体上锗硅材料
图中：1—Si衬底；2—SiO2埋层；3—SiGe层；4—注入氧层；5—Ge薄膜或SiGe薄膜；6—表面Si、SiO₂或Si₃N₄层；7—表面SiO₂或Si₃N₄层；8—Ge原子扩散。
下述实施方案将有助于理解本发明，但并不限制本发明。
实施方案1：选择注入剂量3×10¹⁷cm^-2，注入能量60keV，衬底温度550℃，在硅片中注入氧离子(图2-1)。采用超高真空电子束蒸发在注氧硅片上依次制备Ge薄膜和Si薄膜，衬底的温度为400-600℃，蒸发速率在10埃/秒以下，本底真空10^-5Pa(图2-2)。将样品在含有20vol％氧的氮气气氛中，1300～1350℃退火4个小时，从而注入的氧离子形成SiO₂层，Ge原子向Si中扩散形成驰豫地SiGe层，顶层生长的Si薄膜氧化成SiO₂(图2-3)。样品在纯氮气的中，1050℃退火4个小时，通过Ge原子的扩散，使其在表面保护层与氧化埋层之间达到均匀分布(图2-4)。退火后的样品表面存在保护层，用HF或H₃PO₄溶液去除(图2-5)。为了提高顶层单晶锗硅粗糙度和平整度，可以对其进行化学机械抛光(CMP)。
实施方案2：选择注入剂量2×10¹⁸cm^-2，注入能量60keV，衬底温度550℃，在硅片中注入氧离子。采用超高真空化学气相外延技术在注氧硅片上依次制备Ge薄膜和Si薄膜。衬底温度为500-600℃，本底真空10^-5Pa，气态源为GeH₄和SiH₄，生长速率1埃/秒。试样在1320℃退火8小时，形成弛豫SiGe层后，再在1070℃退火3小时，使用的气氛为纯氩，其余实施同方案1。
实施方案3：选择注入剂量3×10¹⁷cm^-2，注入能量210keV，衬底温度500℃，在硅片中注入氧离子。采用磁控溅射技术在注氧硅片上依次制备Ge薄膜和Si薄膜。衬底温度为500-600℃，本底真空10^-4Pa，工作气压0.2Pa，射频功率400w，生长速率在5埃/秒以下。将样品在含有20vol％氧的氮气气氛中，1300-1350℃退火6个小时，从而注入的氧离子形成SiO₂层，同时，Ge原子向Si中扩散形成驰豫的SiGe层，顶层生长的Si薄膜氧化成SiO₂。退火后的样品表面存在保护层，用HF或H₃PO₄溶液去除。为了提高顶层单晶锗硅粗糙度和平整度，可以对其进行化学机械抛光(CMP)。