CN107895688A - 压应变Ge材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压应变Ge材料的制备方法，包括：选取单晶Si衬底；在所述Si衬底表面淀积Si1‑xGex外延层；在所述Si1‑xGex外延层表面淀积SiO2保护层；利用激光再晶化工艺晶化包括所述Si衬底、所述Si1‑xGex外延层、所述SiO2保护层的整个衬底材料；刻蚀所述SiO2保护层；在晶化后的所述Si1‑xGex外延层表面淀积Ge材料。本发明提供的压应变新型Ge材料性能良好，工艺步骤简单，工艺周期短，克服了缓冲渐变层生长技术造成的厚度大的缺点，并且载流子迁移率得到进一步提高。

Description

压应变Ge材料的制备方法
技术领域
本发明属半导体材料技术领域，特别涉及一种压应变Ge材料的制备方法。
背景技术
自20世纪70年代初期开始，MOSFET成为现代半导体集成电路的重要单元，尽管晶体管的尺寸在过去的四十多年以摩尔定律迅速缩小，但其结构仍然没有发生变化。然而目前所面临的问题是随着MOSFET沟道长度、栅介质厚度以及节深的不断缩小，关态沟道漏电流、栅漏电流，源漏电阻以及短沟道效应变得越来越重要。因此，如何解决由尺寸缩小而带来的不利因素，在后摩尔时代继续延续摩尔定律，缩小器件尺寸，提高器件性能是当前半导体技术中一个非常重要的研究方向。
传统工艺中，Si的电子和空穴迁移率分别是1350cm2/Vs和500cm2/Vs，而Ge的电子和空穴的迁移率分别是3900cm2/Vs和1900cm2/Vs。可以看出无论是电子还是空穴，Ge的迁移率都明显高于Si。应变技术使得载流子的有效电导质量减小，从而提高载流子的迁移率，增加晶体管的性能。目前，Si工艺已经接近其物理极限，而Ge具有与Si工艺相容的特性，并且Ge的载流子迁移率比Si高两到三倍。所以高迁移率Ge沟道MOSFET成为延续摩尔定律的一个重要器件。应变Ge材料迁移率远远高于Si，更高于Ge材料；因此应变Ge技术能够使载流子的迁移率得到进一步的提高，成为半导体集成电路发展的一个重要研究方向。
由于Ge材料成本高，机械强度差，考虑与Si工艺兼容，一般都是选取在Si材料上外延生长一层高Ge组分的Si1-xGex虚衬底，再在此衬底上生长Ge，从而获得压应变Ge材料。应变Ge材料性能与一般的Ge和应变Si相比更好，并且其迁移率大。由于Si1-xGex层和Si衬底之间的晶格失配度随着Ge组分的增加而增大，所以在Si衬底上直接外延生长高Ge组分Si1- xGex材料比较困难，如何制备高质量的高Ge组分Si1-xGex材料将是后续应变Ge材料的生长的重要前提。
晶格失配会引起岛状生长，从而使Si1-xGex外延层表面粗糙，造成高密度失配位错。目前广泛采用的降低Si1-xGex外延层位错密度，提高晶体质量的方法是渐变缓冲层生长技术，但该方法要求生长高Ge组分的Si1-xGex外延层时需要的渐变缓冲层厚度大，并且还存在制备工艺复杂，成本高的问题。
发明内容
为了解决现有技术制备高Ge组分Si1-xGex高粗糙度以及高位错密度的缺点，以制备高质量的压应变Ge材料；本发明提供了一种压应变Ge材料的制备方法；本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的实施例提供了一种压应变Ge材料的制备方法，包括：
S101、选取单晶Si衬底；
S102、在所述Si衬底表面淀积Si1-xGex外延层；
S103、在所述Si1-xGex外延层表面淀积SiO2保护层；
S104、利用激光再晶化工艺晶化包括所述Si衬底、所述Si1-xGex外延层、所述SiO2保护层的整个衬底材料；
S105、刻蚀所述SiO2保护层；
S106、在晶化后的所述Si1-xGex外延层表面淀积Ge材料。
在本发明的一个实施例中，所述Si衬底的厚度为2μm。
在本发明的一个实施例中，在步骤S102之前还包括：
(x1)利用RCA方法清洗所述Si衬底；
(x2)利用浓度为10％的氢氟酸清洗所述Si衬底。
在本发明的一个实施例中，步骤S102包括：
在400℃～500℃温度下，利用磁控溅射方法，以纯度为99.999％本征Si1-xGex为靶材料，在所述Si衬底表面淀积所述Si1-xGex外延层；其中，所述磁控溅射方法的工艺压力为1.5×10-3mb，淀积速率为5nm/min。
在本发明的一个实施例中，所述Si1-xGex外延层的厚度为300～500nm。
在本发明的一个实施例中，所述Si1-xGex外延层中x取值范围为0.7～0.9。
在本发明的一个实施例中，步骤S104包括：
S1041、将包括所述Si衬底、所述Si1-xGex外延层、所述SiO2保护层的整个衬底材料加热至600℃～650℃；
S1042、利用激光再晶化工艺连续激光照射包括所述Si衬底、所述Si1-xGex外延层、所述SiO2保护层的整个衬底材料；
S1043、自然冷却包括所述Si衬底、所述Si1-xGex外延层、所述SiO2保护层的整个衬底材料。
在本发明的一个实施例中，所述激光再晶化工艺中激光波长为795nm，激光功率密度为2.85kW/cm2，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光移动速度为20mm/s。
在本发明的一个实施例中，步骤S106包括：
在350℃温度下，利用减压CVD工艺，在晶化后的所述Si1-xGex外延层表面淀积厚度为90～110nm的所述Ge材料以形成所述压应变Ge材料。
在本发明的一个实施例中，所述SiO2保护层的厚度为100nm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供压应变Ge材料在工艺制造、降低成本方面具有十分明显的优势；并且后续制造器件的工艺可与传统Si工艺兼容。
2、本发明基于激光再晶化方法制备高Ge组分的Si1-xGex材料，并利用选择性外延Ge引入压应力，得到的压应变Ge材料质量高；
3、本发明提供的压应变Ge材料，相对于传统Ge材料载流子迁移率有了很大提升，从而提高了MOS器件的电流驱动与频率特性；
4、本发明采用激光再晶化的方法克服了传统渐变缓冲层方法导致的缓冲层厚度过大的缺点，降低了工艺成本，工艺步骤简单，工艺周期短。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
图1为本发明实施例提供的一种压应变Ge材料的制备方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种激光再晶工艺方法示意图；
图3为本发明实施例提供的一种激光再晶工艺装置示意图；
图4a-图4e为本发明实施例提供的另一种压应变Ge材料的制备工艺示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种压应变Ge材料的制备方法流程图，包括：
S101、选取单晶Si衬底；
S102、在所述Si衬底表面淀积Si1-xGex外延层；
S103、在所述Si1-xGex外延层表面淀积SiO2保护层；
S104、利用激光再晶化工艺晶化包括所述Si衬底、所述Si1-xGex外延层、所述SiO2保护层的整个衬底材料；
S105、刻蚀所述SiO2保护层；
S106、在晶化后的所述Si1-xGex外延层表面淀积Ge材料。
其中，所述Si衬底的厚度为2μm。
具体地，在步骤S102之前还包括：
(x1)利用RCA方法清洗所述Si衬底；
(x2)利用浓度为10％的氢氟酸清洗所述Si衬底。
优选地，步骤S102可以包括：在400℃～500℃温度下，利用磁控溅射方法，以纯度为99.999％本征Si1-xGex为靶材料，在所述Si衬底表面淀积所述Si1-xGex外延层；其中，所述磁控溅射方法的工艺压力为1.5×10-3mb，淀积速率为5nm/min。
优选地，所述Si1-xGex外延层的厚度为300～500nm。
-5-
优选地，所述Si1-xGex外延层中x取值范围为0.7～0.9。
具体地，步骤S104可以包括：
(d1)将包括所述Si衬底、所述Si1-xGex外延层、所述SiO2保护层的整个衬底材料加热至600℃～650℃；
(d2)连续激光照射包括所述Si衬底、所述Si1-xGex外延层、所述SiO2保护层的整个衬底材料；
(d3)自然冷却包括所述Si衬底、所述Si1-xGex外延层、所述SiO2保护层的整个衬底材料。
优选地，所述激光再晶化工艺中激光波长为795nm，激光功率密度为2.85kW/cm2，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光移动速度为20mm/s。
其中，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种激光再晶工艺方法示意图，通过高能激光照射Si衬底上的高Ge组分Si1-xGex外延层表面，使其快速熔化再结晶，通过横向释放Si1-xGex外延层的晶格失配位错，从而提高外延层的晶体质量，进一步提高应变Ge材料的质量。利用本方法制备出的Si1-xGex外延层与Si衬底质量好。
具体地，本发明采用LIMO 795nm连续激光器，请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种激光再晶工艺装置示意图。激光通过全反射棱镜照向样品台，并通过凸透镜聚焦到样品上，从而防止了在受热过程中薄膜熔化后的液体受重力影响而流动对结晶产生的影响。激光晶化时，步进电机带动样品台移动，每移动到一个位置进行一次激光照射，使该位置成为具有高能量的小方块，而后停止激光照射，样品台移动到下一位置时再继续激光照射。如此循环使得激光依次照射到整个薄膜表面，至此完成连续激光再晶化过程。
优选地，步骤S106可以包括：在350℃温度下，利用减压CVD工艺，在晶化后的所述Si1-xGex外延层表面淀积厚度为90～110nm的Ge材料。
其中，所述SiO2保护层的厚度为100nm～150nm；根据795nm连续激光透射规律时域有限差分仿真表明，SiO2保护层厚度在130nm～160nm时，激光在SiO2保护层的透过率最优。
本实施例提供的压应变Ge材料的制备方法，利用选择性外延Ge引入压应力，得到质量高的压应变Ge材料；克服了传统渐变缓冲层方法导致的缓冲层厚度过大的缺点，降低了工艺成本，工艺步骤简单，工艺周期短。
实施例二
请参照图4a-图4e，图4a-图4e为本发明实施例提供的另一种压应变Ge材料的制备工艺示意图，包括如下步骤：
S201、衬底选取。如图4a，选取厚度为2μm的单晶Si衬底001。
S202、使用RCA方法清洗Si衬底001，然后用浓度为10％的氢氟酸清洗，去除Si衬底001表面氧化层；
S203、如图4b，在400℃～500℃温度下，利用磁控溅射方法，将纯度为99.999％的本征Si1-xGex靶材料以1.5×10-3mb的工艺压力，5nm/min的淀积速率溅射淀积在Si衬底表面上，淀积厚度为450～500nm，形成高Ge组分Si1-xGex外延层002；其中，高Ge组分Si1-xGex外延层002中x取值范围为0.89；
S204、如图4c，利用CVD工艺，在高Ge组分Si1-xGex外延层002表面上淀积SiO2保护层003，SiO2保护层003的厚度为130nm～160nm。
S205、在大气环境下，激光再晶化高Ge组分Si1-xGex外延层002；
具体地，在激光再晶化工艺处理前，需要先将SiO2保护层003、高Ge组分Si1-xGex外延层002和Si衬底001的整个衬底材料加热至600℃～650℃，然后连续激光照射SiO2保护层003、高Ge组分Si1-xGex外延层002和Si衬底001的整个衬底材料，其中，激光波长为795nm，激光功率密度为2.85kW/cm2，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光移动速度为20mm/s，激光照射后自然冷却SiO2保护层003、高Ge组分Si1-xGex外延层002和Si衬底001的整个衬底材料。连续激光照射使得高Ge组分Si1-xGex外延层002发生熔化以及冷却后再结晶的过程，使得外延层位错密度大大降低；
其中，激光再晶化高Ge组分Si1-xGex外延层002需要精确控制激光物理参量如激光功率，照射速度等，以及SiO2保护层003、高Ge组分Si1-xGex外延层002和Si衬底001的初始温度和外延层厚度。对于激光功率的设置，需要激光能量可使高Ge组分Si1-xGex外延层002的温度至少达到熔点，并尽可能高却不至于超过烧蚀点。这样的热处理过程，可以显著提高Ge组分Si1-xGex外延层002的晶体质量。SiO2保护层003、高Ge组分Si1-xGex外延层002和Si衬底001的初始温度也是需要重点考虑的工艺参量，在激光再晶化前预热SiO2保护层003、高Ge组分Si1-xGex外延层002和Si衬底001可以显著降低激光再晶化所需的阈值激光功率。同时，Si衬底001与高Ge组分Si1-xGex外延层002存在热失配，体系预热还可以有效防止因激光照射时温度瞬时大幅升高引起的材料开裂现象。
S206、如图4d，利用干法刻蚀工艺刻蚀SiO2保护层003。
S207、制作应变Ge材料。如图4e，在350℃温度下，利用减压CVD工艺，在高Ge组分Si1-xGex外延层002表面淀积厚度为800～900nm的应变Ge材料004。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压应变Ge材料的制备方法，其特征在于，包括：
S101、选取单晶Si衬底；
S102、在所述Si衬底表面淀积Si1-xGex外延层；
S103、在所述Si1-xGex外延层表面淀积SiO2保护层；
S104、利用激光再晶化工艺晶化包括所述Si衬底、所述Si1-xGex外延层、所述SiO2保护层的整个衬底材料；
S105、刻蚀所述SiO2保护层；
S106、在晶化后的所述Si1-xGex外延层表面淀积Ge材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Si衬底的厚度为2μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S102之前还包括：
(x1)利用RCA方法清洗所述Si衬底；
(x2)利用浓度为10％的氢氟酸清洗所述Si衬底。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S102包括：
在400℃～500℃温度下，利用磁控溅射方法，以纯度为99.999％本征Si1-xGex为靶材料，在所述Si衬底表面淀积所述Si1-xGex外延层；其中，所述磁控溅射方法的工艺压力为1.5×10-3mb，淀积速率为5nm/min。
5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述Si1-xGex外延层的厚度为300～500nm。
6.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述Si1-xGex外延层中x取值范围为0.7～0.9。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S104包括：
S1041、将包括所述Si衬底、所述Si1-xGex外延层、所述SiO2保护层的整个衬底材料加热至600℃～650℃；
S1042、利用激光再晶化工艺连续激光照射包括所述Si衬底、所述Si1-xGex外延层、所述SiO2保护层的整个衬底材料；
S1043、自然冷却包括所述Si衬底、所述Si1-xGex外延层、所述SiO2保护层的整个衬底材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述激光再晶化工艺中激光波长为795nm，激光功率密度为2.85kW/cm2，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光移动速度为20mm/s。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S106包括：
在350℃温度下，利用减压CVD工艺，在晶化后的所述Si1-xGex外延层表面淀积厚度为90～110nm的所述Ge材料以形成所述压应变Ge材料。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述SiO2保护层的厚度为100nm。
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Application publication date: 20180410

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