CN101740463A - 一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法。该方法首先在硅衬底上外延SiGe合金层；然后在SiGe合金层上外延一Si层；以1017cm-2量级的剂量进行第一次氧离子注入，然后以1015cm-2量级的剂量进行第二次氧离子注入，使得注入的氧离子集中在硅衬底的上部，于硅衬底与SiGe合金层的交界处形成氧离子聚集区；将完成了氧离子注入的材料在含氧的气氛下高温退火，氧离子聚集区形成SiO2，最上层的Si层也氧化为SiO2；通过腐蚀去除材料表面的SiO2，直到露出SiGe层；在SiGe表面外延Si层，由于外延的Si层会有应变，最终形成sSi/SiGe/SiO2/Si结构的绝缘体上应变硅材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备绝缘体上应变硅材料的方法，特别涉及一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法，属于微电子与固体电子学技术领域。
背景技术
随着集成电路工艺的发展，器件的特征尺寸不断缩小，体硅材料较低的电子和空穴迁移率已经成为提高器件性能的瓶颈。应变硅(strained silicon)，通过在晶格常数不同于硅的材料上外延硅，或者其他工艺方法引起硅晶格结构的拉伸或者压缩形变而形成。由于其可以有效提高载流子迁移率，已经成为面向新一代半导体工艺节点的候选衬底材料。SiGe衬底具有与Si不相同的晶格常数，在SiGe衬底上外延生长的Si与SiGe衬底之间会存在晶格失配，这种晶格失配使得外延的Si层会有应变。应变硅材料由于其晶格结构的畸变，能够同时提高电子和空穴的迁移率，而绝缘体上应变硅(sSOI＝strained silicon on insulator)同时具有绝缘体上硅(SOI＝silicon on insulator)和应变硅的优点，在集成电路工艺中具有更广阔的应用前景。
绝缘体上应变硅材料也可以是应变Si与(应变)SiGe的组合，即以应变Si/(应变)SiGe形成双沟道层结构(应变Si为表层、SiGe为埋层)。在双沟道独特的能带结构中，电子被限制在应变Si层中，可以获得高的电子迁移率，空穴被限制在(应变)SiGe层中，可以获得高的空穴迁移率。迁移率与表层应变Si的厚度是密切相关的，在应变Si层厚10nm时，电子迁移率增强约1.7倍，在应变Si层厚3nm时，空穴迁移率增强约2.8倍。这比单独的应变Si层更容易获得高空穴迁移率。因而，这种绝缘体上应变硅材料的制备工艺已经成为国内外本领域科研人员的研究热点。
在用SIMOX(separation by implanted oxygen)工艺制备SOI的研究和实践中发现，两次氧离子注入与一次氧离子注入相比，可以以较小的注入剂量制备更高质量的SOI材料，但是还没有发现用两次氧离子注入到SiGe/Si混合材料，然后退火、外延制备应变硅材料的报道。
鉴于此，本发明提出一种采取两次氧离子注入、高温退火结合Si外延的方法来制备高质量的绝缘体上应变Si/SiGe双沟道层材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，在硅衬底上外延SiGe合金层；
步骤二，在所述SiGe合金层上外延第一Si薄层；
步骤三，先以1017cm-2量级的剂量进行第一次氧离子注入，然后以1015cm-2量级的剂量进行第二次氧离子注入，使得注入的氧离子集中在所述硅衬底的上部，于所述硅衬底与所述SiGe合金层的交界处形成氧离子聚集区；
步骤四，在含氧的气氛下进行退火，使所述的氧离子聚集区发生氧化，形成SiO2，所述的第一Si薄层也氧化为SiO2；
步骤五，通过腐蚀工艺去除步骤四所得结构表面的SiO2，直到露出SiGe合金层；
步骤六，在步骤五得到的SiGe合金层表面外延第二Si薄层，最终形成sSi/SiGe/SiO2/Si结构的绝缘体上应变硅材料。其中sSi即应变硅(strainedsilicon)。
优选地，步骤一中，外延SiGe合金层采用化学气相沉积的方法。
优选地，步骤一中，所述SiGe合金层的Ge含量为10-20％。
优选地，步骤三中，进行第一次氧离子注入的剂量为1×1015cm-2-4×1015cm-2。
优选地，步骤三中，进行第二次氧离子注入的剂量为1×1015cm-2-4×1015cm-2。
优选地，步骤四中，所述含氧的气氛为5％氧气和95％氩气。
优选地，步骤四中，以1300-1400℃进行退火，时间为5-8小时。
优选地，步骤四中，先以750-850℃进行5-6小时退火，然后以1300-1400℃温度进行5-6小时的高温退火。
优选地，步骤六中，外延第二Si薄层采用化学气相沉积的方法。
优选地，步骤六中，所述第二Si薄层的厚度小于30nm。
本发明的有益效果在于：采取两次氧离子注入、高温退火结合Si外延的方法来制备高质量的sSi/SiGe/SiO2/Si结构的绝缘体上应变硅叠层材料，与使用一次氧离子注入相比，通过两次氧离子注入，一方面可以降低注入的剂量，另一方面可以提高制备的材料的质量。
附图说明
图1为本发明涉及的硅衬底外延了SiGe合金层和第一Si薄层的截面示意图；
图2为本发明涉及的进行了两次氧离子注入后的截面示意图；
图3为本发明涉及的进行了高温退火后的截面示意图；
图4为本发明涉及的去除了顶层SiO2并外延了第二Si薄层的截面示意图。
图中的标记说明如下：
10 硅衬底
11 SiGe合金层
12 第一Si薄层
9 氧离子聚集区
8 SiO2
7 第二Si薄层
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制，不同附图中相应的区域部分尽可能通过相同的阴影或附图标记来表示。
实施例一
请参看图1-图4，本发明公开的一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法，包括以下步骤：
步骤一，在硅衬底10(体硅材料)上采用化学气相沉积(CVD＝chemical vapordeposition)的方法，优选为超高真空化学气相沉积(UHVCVD＝ultrahigh vacuumchemical vapor deposition)或其他沉积方法外延SiGe合金层11。一种优选的SiGe合金层11，其锗的含量为10-20％，优选为14％，厚度为120nm。
步骤二，在所述SiGe合金层11上外延第一Si薄层12。一种优选的第一Si薄层12的厚度为10nm。所述第一Si薄层12主要是用于阻挡退火过程中锗从材料上表面流失。请参看图1，其为硅衬底10外延了SiGe合金层11和第一Si薄层12的截面示意图。
步骤三，在步骤二形成的材料上进行氧离子注入。在离子注入工艺中，选择的注入能量越高，注入离子能够穿入衬底材料越深，射程越大。通过trim或sentaurus等软件对离子注入工艺进行仿真，可以确定氧离子在不同注入能量下在步骤二形成的材料上的注入深度。如果SiGe合金层11厚度120nm，外延第一S i薄层12厚度为10nm，通过仿真，可以确定优选的注入能量范围为55-65keV。首先以1017cm-2量级的剂量进行第一次氧离子注入，使得注入的氧离子集中在所述硅衬底10的上部，于所述硅衬底10与所述SiGe合金层11的交界处形成氧离子聚集区9。优选的注入剂量范围为1×1017cm-2-4×1017cm-2，其中本实施例的注入剂量为3×1017cm-2。选择同样的注入能量，以1015cm-2量级的剂量进行第二次氧离子注入，使得注入的氧离子集中在所述硅衬底10的上部接近Si和SiGe界面的地方，即氧离子聚集区9中，优选的注入剂量为1×1015cm-2-4×1015cm-2，其中本实施例的注入剂量为3×1015cm-2。请参看图2，其为进行了两次氧离子注入后的截面示意图。
步骤四，将完成了氧离子注入的结构在含氧的气氛下(优选为5％氧气和95％氩气)进行退火。本实施例以1300-1400℃，优选为1350℃进行高温退火，退火时间为5-8小时，优选为6小时。经过退火，在氧离子聚集区9发生氧化，形成SiO2层8，同时SiGe合金层11完全弛豫，结构最上层的第一Si薄层12也完全氧化为SiO2层8。请参看图3，其为进行了高温退火后的截面示意图。
步骤五，通过腐蚀工艺去除步骤四所得结构表面的SiO2层8，直到露出SiGe合金层11；
步骤六，在步骤五得到的SiGe合金层11表面采用CVD的方法或其他方法，优选为UHVCVD方法外延第二Si薄层7，由于外延的Si会有应变，最终形成sSi/SiGe/SiO2/Si结构的绝缘体上应变硅材料。其中sSi即应变硅(strainedsilicon)。优选地，所述第二Si薄层的厚度小于30nm，可以为2-10nm，或更小。请参看图4，其为本发明涉及的去除了顶层SiO2层8并外延了第二Si薄层7的截面示意图。
实施例二
与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于：
步骤三中，进行第一次氧离子注入的剂量为1×1017cm-2，进行第二次氧离子注入的剂量为1×1015cm-2。
步骤四中，将完成了氧离子注入的结构在含氧的气氛下以1300℃温度进行5小时的高温退火。
实施例三
与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于：
步骤三中，进行第一次氧离子注入的剂量为4×1017cm-2，进行第二次氧离子注入的剂量为4×1015cm-2。
步骤四中，将完成了氧离子注入的结构在含氧的气氛下以1400℃温度进行8小时的高温退火。
实施例四
与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于：步骤四中，将完成了氧离子注入的结构在含氧的气氛下先以750-850℃(优选为800℃)进行5-6小时(优选为6小时)退火，然后以1300-1400℃(优选为1350℃)温度进行5-6小时(优选为5小时)的高温退火。
至此通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法介绍完毕，本发明中涉及的其他技术属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。
上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
Claims (10)
1.一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，在硅衬底上外延SiGe合金层；
步骤二，在所述SiGe合金层上外延第一Si薄层；
步骤三，先以1017cm-2量级的剂量进行第一次氧离子注入，然后以1015cm-2量级的剂量进行第二次氧离子注入，使得注入的氧离子集中在所述硅衬底的上部，于所述硅衬底与所述SiGe合金层的交界处形成氧离子聚集区；
步骤四，在含氧的气氛下进行退火，使所述的氧离子聚集区发生氧化，形成SiO2，所述的第一Si薄层也氧化为SiO2；
步骤五，通过腐蚀工艺去除步骤四所得结构表面的SiO2，直到露出SiGe合金层；
步骤六，在步骤五得到的SiGe合金层表面外延第二Si薄层，最终形成sSi/SiGe/SiO2/Si结构的绝缘体上应变硅材料。
2.根据权利要求1所述一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法，其特征在于：步骤一中，外延SiGe合金层采用化学气相沉积的方法。
3.根据权利要求1所述一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法，其特征在于：步骤一中，所述SiGe合金层的Ge含量为10-20％。
4.根据权利要求1所述一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法，其特征在于：步骤三中，进行第一次氧离子注入剂量为1×1015cm-2-4×1015cm-2。
5.根据权利要求1所述一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法，其特征在于：步骤三中，进行第二次氧离子注入的剂量为1×1015cm-2-4×1015cm-2。
6.根据权利要求1所述一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法，其特征在于：步骤四中所述含氧的气氛为5％氧气和95％氩气。
7.根据权利要求1所述一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法，其特征在于：步骤四中，以1300-1400℃进行退火，时间为5-8小时。
8.根据权利要求1所述一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法，其特征在于：步骤四中，先以750-850℃进行5-6小时退火，然后以1300-1400℃温度进行5-6小时的高温退火。。
9.根据权利要求1所述一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法，其特征在于：步骤六中，外延第二Si薄层采用化学气相沉积的方法。
10.根据权利要求1所述一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上应变硅材料的方法，其特征在于：步骤六中，所述第二Si薄层的厚度小于30nm。
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