CN102254829B - 一种具有高弛豫度SiGe缓冲层的制备方法 - Google Patents

一种具有高弛豫度SiGe缓冲层的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种具有高弛豫度(SiGe)缓冲层的制备方法，属于半导体技术领域，特别涉及弛豫锗硅(SiGe)缓冲层的制备方法。该方法的特征是，采用离子注入的方法，在硅(Si)衬底和锗硅(SiGe)缓冲层界面形成一层具有黏性流动性的材料(如硼硅玻璃、或硼磷硅玻璃)；再采用高温退火，或快速热退火等退火技术，修复锗硅(SiGe)层中因离子注入而产生的晶格损伤，并使应力完全弛豫；利用硅(Si)衬底和锗硅(SiGe)缓冲层中间形成的材料的黏性和流动性，使得上面的锗硅(SiGe)缓冲层中的应力弛豫。采用本发明，可制作一种厚度薄，弛豫度高，表面质量好的锗硅(SiGe)缓冲层。

Description

一种具有高弛豫度SiGe缓冲层的制备方法
所属技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种制备弛豫锗硅(SiGe)缓冲层的方法。
背景技术
在现代半导体技术中，随着半导体产业快速发展，半导体器件的尺寸不断缩小，提高半导体器件的性能是一个很重要的课题。如在绝缘栅型场效应管(MOSFET)的沟道区引入应变技术，可以大大提高载流子迁移率，从而提高器件的性能。
最常用的在沟道中引入应变方法是进行异质外延。例如，当晶格常数较小的硅(Si)层外延在晶格常数较大的锗硅(SiGe)缓冲层时，外延的硅(Si)层在平面方向为了维持与锗硅(SiGe)缓冲层一致的晶格常数，硅(Si)层必然会受到应力的作用而呈现出应变。这层应变硅(Si)层即可作为载流子通过的沟道区。
因为实际生产中没有现成的锗硅(SiGe)晶圆来做衬底，因此需要在硅(Si)衬底上外延锗硅(SiGe)层来做衬底，这时衬底硅(Si)和外延的锗硅(SiGe)层合称为虚拟衬底，而此时的锗硅层称为锗硅(SiGe)缓冲层。由于硅(Si)衬底与锗硅(SiGe)缓冲层之间不同的晶格常数，硅(Si)衬底上外延出来的锗硅(SiGe)缓冲层内存在应变，这会影响其上继续生长的作为MOSFET沟道区的硅(Si)层中的应变。因此，需要将锗硅(SiGe)缓冲层中的应力释放，即形成弛豫的锗硅(SiGe)缓冲层。
锗硅(SiGe)缓冲层应变的弛豫是通过Si-SiGe界面处的失配位错的产生来实现的，只有锗硅(SiGe)缓冲层达到一定的厚度，才能产生足够的位错来弛豫应变。但是，过多的失配位错又会穿透到锗硅(SiGe)缓冲层的上表面，大大增加了锗硅(SiGe)缓冲层表面的粗糙度，起伏严重，不利于高性能器件的制备；由于锗(Ge)的热导率比硅(Si)低，过厚的锗硅(SiGe)缓冲层也不利于散热，更不便于器件集成。因此，锗硅(SiGe)缓冲层的制备需要从厚度，弛豫度大小，表面粗糙度三个因素权衡考虑。这就要求制备的锗硅(SiGe)缓冲层需要有以下特质：表面粗糙度小、弛豫度大、锗硅(SiGe)缓冲层较薄。
目前，制备弛豫锗硅(SiGe)缓冲层的方法主要有两种：(1)渐变锗(Ge)组分法：通过渐变锗(Ge)组分生长具有一定厚度的锗硅(SiGe)缓冲层，这样生长的锗硅(SiGe)缓冲层中产生的应变不会太大，由于存在一系列具有低失配位错的界面，层中应变也可以被逐步有效弛豫。但是由于锗(Ge)组分的增长速率一般很小，这样得到的锗硅(SiGe)缓冲层的厚度就很大，一般为1～2微米，不利于高性能器件的制备；(2)低温硅(LT-Si)技术：在SiGe/Si界面引入一层低温硅(LT-Si)层，低温下生长的硅(Si)材料存在大量位错缺陷，在随后生长锗硅(SiGe)的过程中，低温硅(LT-Si)层中的位错会释放锗硅(SiGe)缓冲层中的应力，故可以减小锗硅(SiGe)缓冲层厚度；但是这种技术存在一个很大的缺点就是，后续的锗硅(SiGe)缓冲层生长时，若温度过高，低温Si(LT-Si)层会退火而不能有效释放SiGe/Si界面的应变，锗硅(SiGe)缓冲层难以达到完全弛豫；而在低温下生长低温硅(LT-Si)层的速度太慢，耗时太长，不利于生产。
综上所述，传统的制备弛豫锗硅(SiGe)缓冲层的方法存在上述不足之处。因此探索新的制备锗硅(SiGe)缓冲层的方法很有意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术制备弛豫锗硅(SiGe)缓冲层的厚度较大(通常有1～2微米)，表面粗糙度较大(粗糙度的均方根值通常为8～12纳米)，特提供一种新的制备弛豫锗硅(SiGe)缓冲层的方法。
该方法是：1、准备硅衬底；2、利用化学气相淀积工艺(CVD)在所述硅衬底上淀积一层厚度为0.12～0.2微米的锗硅(SiGe)缓冲层，如附图1所示，此时，由于淀积的锗硅(SiGe)缓冲层的晶格常数比硅(Si)衬底的晶格常数大，为了在平面方向维持与硅(Si)衬底一致的晶格常数，锗硅(SiGe)缓冲层必然会受到应力而呈现应变；3、通过离子注入(如硼B和氧O，或者硼B、氧O、磷P)穿过锗硅(SiGe)缓冲层，在硅(Si)衬底和锗硅(SiGe)缓冲层界面(如附图2所示)形成一层具有黏性和流动性的材料(如硼硅玻璃或者硼磷硅玻璃)，如附图3所示，这层具有流体性质的材料，打断了硅(Si)与锗硅(SiGe)之间晶格连接，使硅(Si)衬底和锗硅(SiGe)缓冲层隔离开来，如附图4所示，这样锗硅(SiGe)缓冲层中因晶格失配引起的应变就被弛豫；4、最后进行高温退火(退火温度为900℃～1100℃)，修复锗硅(SiGe)缓冲层中因离子注入而产生晶格损伤，并且在高温下，锗硅层中的应变得到进一步的弛豫。
本发明的有益效果为：(1)因为是利用这层具有黏性和流动性的材料使得锗硅(SiGe)缓冲层中的应变弛豫，弛豫度可达到80％～90％，所以不需要生长很厚的锗硅(SiGe)缓冲层来弛豫应变，这样得到的缓冲层厚度为仅有0.12～0.2微米；(2)利用这层具有黏性和流动性的材料来弛豫锗硅(SiGe)缓冲层，将硅(Si)衬底与锗硅(SiGe)缓冲层的位错限制在这层材料中，避免了位错向上滑移到锗硅层表面，影响薄膜表面粗糙度，所以这样得到的弛豫锗硅(SiGe)缓冲层具有较高的表面质量，粗糙度均方根可以减小到2.8～3.2纳米；(3)最后进行高温退火，可促进弛豫度的增大，使得最后得到的锗硅(SiGe)缓冲层的弛豫度达到100％；(4)在整个工艺过程中，用到的外延，离子注入，退火等都是很成熟很普遍的半导体工艺方法，其成本较低、工艺步骤简单，工艺时间短，具有很大的实用性。
附图说明
图1是本发明涉及的硅(Si)衬底1外延了锗硅(SiGe)缓冲层2的截面示意图。
图2是本发明涉及的在硅(Si)衬底1和锗硅(SiGe)缓冲层2界面进行离子注入的截面示意图。
图3是本发明涉及的离子注入后，在硅(Si)衬底1和锗硅(SiGe)缓冲层2中间形成一层具有黏性和流动性的硼硅玻璃层3的截面示意图。
图4是本发明涉及的离子注入后形成的具有黏性和流动性的材料打断硅和锗硅晶格连接的示意图。
实施例：
下面结合附图制作一个薄的弛豫SiGe缓冲层的实例进一步说明本发明：
本发明公开的是一种新的制备弛豫锗硅(SiGe)缓冲层的方法，具体方法包括以下步骤：
步骤一：准备硅(Si)衬底1，并对其进行清洗，方便淀积锗硅(SiGe)缓冲层2。
步骤二：用化学气相淀积(CVD)在硅(Si)衬底1上淀积厚度为0.2微米的锗硅(SiGe)缓冲层2，如图1所示。
步骤三：离子注入，在锗硅(SiGe)缓冲层上面离子注入硼(B)和氧(o)，通过离子穿过锗硅(SiGe)缓冲层，在硅(Si)衬底1和锗硅(SiGe)缓冲层2之间，形成具有黏性和流动性的硼硅玻璃层3，如图2和图3所示。
步骤四：进行高温快速热退火，修复锗硅缓冲层因离子注入产生的晶格损伤，并且使应变完全弛豫，采用的温度为900℃～1100℃。
以上四步骤完成本发明。用本发明制作的缓冲层，在其上制作的半导体器件的性能可被提高，或者在保持器件的性能基础上，减小了工艺复杂性，降低了器件制作成本。

Claims (3)

1.一种具有高弛豫度SiGe缓冲层的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
①准备硅（Si）衬底，并对其进行清洗，以便于后续工艺淀积锗硅（SiGe）缓冲层；
②利用化学气相淀积工艺（CVD），在上述硅衬底上淀积一层锗硅（SiGe）缓冲层；
③离子注入，在锗硅（SiGe）缓冲层上面进行离子注入，其中离子注入的元素为硼（B）和氧（O），或注入元素为硼（B）和氧（O）和磷（P），通过离子注入穿过锗硅缓冲层，在硅（Si）衬底和锗硅（SiGe）缓冲层界面形成一层具有黏性和流动性的材料，该材料相应为硼硅玻璃或硼磷硅玻璃；
④高温退火，进行高温快速退火，以修复锗硅缓冲层因离子注入而产生的晶格损伤，并使工艺过程中产生的应变完全弛豫。
2.根据权利要求1所述的具有高弛豫度SiGe缓冲层的制备方法，其特征在于利用化学气相淀积工艺在硅衬底上的锗硅（SiGe）缓冲层，其厚度为0.12~0.2微米。
3.根据权利要求1所述的具有高弛豫度SiGe缓冲层的制备方法，其特征在于高温退火的温度为900°C~1100°C。
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