CN1655323A - 改进注氧隔离技术制备的绝缘体上的硅锗材料结构及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进注氧隔离技术制备的绝缘体上的硅锗材料结构及工艺，在半导体衬底上依次是体硅锗层、注氧埋层和顶层硅锗，工艺依次包括离子注入、二氧化硅保护层生长、高温退火和二氧化硅去除。本发明利用锗在二氧化硅中扩散系数小的原理，在离子注入后引入二氧化硅层缓解高温退火下锗的外扩散和晶格质量恶化，得到锗含量高的绝缘体上的硅锗材料。离子注入的能量是15～80keV，注入后，在硅锗上生长二氧化硅层，层厚20～120nm；在1200～1375℃范围内退火，退火气氛为氩气或氮气与氧气的混合气体，最后去除二氧化硅保护层。制备的绝缘体上的硅锗材料埋氧层连续，锗含量高，全释放。

Description

改进注氧隔离技术制备的绝缘体上的硅锗材料结构及工艺

技术领域

本发明公开了一种改进注氧隔离技术制备的绝缘体上的硅锗材料(SGOI：silicon germanium-on-insulator)结构及工艺。与现有的技术相比，采用本发明提供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，属于先进半导体材料的制造工艺。

背景技术

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Si_1-yGe_y(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 pseudomorphic silicongermanium silicon heterostructure，Applied Physics Letters 82(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，本发明提出改进注氧隔离技术制备的绝缘体上的硅锗材料结构及工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进注氧隔离技术制备的绝缘体上的硅锗材料结构及工艺，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。

采用本发明提出的改进注氧隔离技术制备的绝缘体上的硅锗材料结构及工艺与常规SGOI材料的注氧隔离技术的差异在于，在离子注入后，高温退火前，在表层硅锗上预先生长一层二氧化硅保护层，以减少锗的外扩散，使硅锗合金组分保持稳定。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；本发明利用锗在二氧化硅层中扩散系数小的机理，在退火前生长的一层二氧化硅层，有望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。具体工艺步骤如下：

(a)选择优化的剂量和能量进行离子注入；

(b)生长二氧化硅保护层；

(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(b)中生长的保护层是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，厚度以120nm为极限。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(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％。

步骤(d)去除生长的二氧化硅保护层。利用氢氟酸(HF)对二氧化硅的选择性腐蚀或者刻蚀的方法，可以将表层二氧化硅去除掉，得到绝缘体上的硅锗材料。

本发明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体硅、体锗、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中一种或它们之间的多层结构。

本发明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，本方法可以应用于锗含量超过10％的SGOI材料制备。本发明中由于注入的剂量低，注入时没有直接形成埋氧。在高温退火过程中，被注入的氧离子与周围的硅发生反应生成二氧化硅埋层，所形成的埋氧中没有硅岛存在。同时，由于埋氧层较薄，硅锗晶格常数比体硅大所引起的体积膨胀率较小，最后形成的绝缘体上的硅锗材料中顶层硅锗和SGOI区域之间的缺陷非常少，过渡区很陡峭，表面平整度高。从下面的说明书附图可以非常直观地看出本发明提供的方法在制备SGOI材料方面的优点。

附图说明

图1为采用本发明提供的方法制备的绝缘体上的硅锗材料的结构示意图。

图2为改进注氧隔离技术制备绝缘体上的硅锗材料的工艺步骤示意图：

(1)用于SGOI材料制备用的衬底材料结构示意图；

(2)硅锗/硅材料经注氧后的结构示意图；

(3)离子注入后，在表层生长二氧化硅保护层以用于高温退火的样品结构示意图；

(4)高温退火后形成的样品的结构示意图；

(5)去除二氧化硅保护层后得到的绝缘体上硅锗材料的结构示意图。

图3为采用本发明制备的绝缘体上硅锗材料的二次离子质谱(SIMS)分析结果。

在图1至图2的附图中，1为衬底；2为体硅锗层；3为注入的氧或退火后形成的埋氧层；4为顶层硅锗；5为二氧化硅保护层。

具体实施方式

下面的具体实施例有助于理解本发明的特征和优点，但本发明决不仅局限于此实施例。

实施例1

在4英寸p型(100)硅锗片上，(图2中1)注入O⁺离子，注入时选择的能量为60keV，优化的剂量为3.0×10¹⁷cm^-2，注入时衬底温度保持为680℃。硅锗片结构为体硅/硅锗缓冲层/固定锗含量15％的硅锗层。(图2中2)注入后，在800℃，纯氧气氛下，热氧化生长30nm厚的SiO₂薄膜，(图2中3)然后进行高温退火，退火在Ar+1％O₂气氛中进行，退火过程为：从室温升至1000度后稳定1小时，再升至1300℃，保温5小时。退火后利用15％HF酸腐蚀掉表层二氧化硅得到SGOI结构。(图2中5)

从图2可以地看出，本发明提供的改进注氧隔离技术制备的绝缘体上的硅锗材料结构及工艺的特点。针对常规SIMOX工艺制备SGOI结构难以克服的锗流失难题，本发明提供的方法通过在离子注入后，高温退火前引入二氧化硅保护层，可以很大程度上限制锗的外扩散，保护硅锗层晶格质量，同时满足了埋氧形成需要的高温退火条件，得到高质量的绝缘体上的硅锗材料。

从图3可以发现，采用本发明提供的方法制备的绝缘体上硅锗材料具有清晰的多层结构，顶层硅锗的锗含量几乎没有损失，且分布均匀，多层结构之间界面陡峭。

实施例2

具体步骤和条件同实施例1，不同之处在于退火后利用离子刻蚀的方法去除表层二氧化硅得到SGOI结构。

实施例3

具体步骤和条件同实施例1，不同之处在于在硅锗合金上CVD沉积50nm厚的SiO₂保护层。

实施例4

具体步骤同实施例1，不同之处在于衬底材料是单晶硅薄膜/硅锗合金薄膜/的多层结构，没有缓冲层。本实施例中所用的保护层和实施例1相同，是热氧化生长的100nm厚的SiO₂薄膜。退火条件同实施例1。

实施例5

具体步骤同实施例1，不同之处在于衬底材料是单晶硅薄膜/硅锗合金薄膜/的多层结构，没有缓冲层。本实施例中所用的保护层和实施例2相同，是CVD沉积的SiO₂薄膜。退火条件同实施例1。

实施例6

具体步骤同实施例1，不同之处在于衬底材料是III-V或II-VI族化合物/硅锗合金薄膜/的多层结构，没有缓冲层。本实施例中所用的保护层和实施例2相同，是CVD沉积的SiO₂薄膜。退火条件同实施例1。

Claims (10)

1.一种改进注氧隔离技术制备的绝缘体上的硅锗材料结构，以半导体为衬底，其特征在于在衬底上依次是体硅锗层、注氧埋层和顶层硅锗。

2.按权利要求1所述的改进注氧隔离技术制备的绝缘体上的硅锗材料结构，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.制备如权利要求1所述绝缘体上的硅锗材料的改进注氧隔离技术的工艺，其特征在于

a)离子注入的能量范围是15～80keV，相应的剂量范围是1.0×10¹⁷～6.0×10¹⁷cm^-2；衬底温度为400～700℃；

b)离子注入后，在硅锗上生长二氧化硅层，二氧化硅层厚度为20～120nm；

c)高温退火温度范围为1200～1375℃，退火的时间为1～24个小时，退火的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％；

d)高温退火后，去除表层二氧化硅保护层。

4.按权利要求3所述的改进注氧隔离技术制备绝缘体上的硅锗材料的工艺，其特征在于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。

5.按权利要求3所述的改进注氧隔离技术制各绝缘体上的硅锗材料的工艺，其特征在于离子注入时离子束与硅锗材料法线之间的角度为7°。

6.按权利要求3所述的改进注氧隔离技术制备绝缘体上的硅锗材料的工艺，其特征在于离子注入包括一次注入和多次注入工艺。

7.按权利要求3所述的改进注氧隔离技术制备绝缘体上的硅锗材料的工艺，其特征在于注入的离子为O⁺、O₂ ⁺、HO⁺或H₂O⁺含氧的离子中的一种，以形成掩埋氧化硅绝缘层。

8.按权利要求3所述的改进注氧隔离技术制备绝缘体上的硅锗材料的工艺，其特征在于注入离子为氮氧混合离子，以形成氮氧化硅混合埋层。

9.按权利要求3所述的改进注氧隔离技术制备绝缘体上的硅锗材料的工艺，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方法生成的SiO₂薄膜。

10.按权利要求3所述的改进注氧隔离技术制备绝缘体上的硅锗材料的工艺，其特征在于所述的表层二氧化硅保护层是通过HF的选择腐蚀或刻蚀去除的。

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