專利名稱：一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法，特別涉及一種通過氧離子注入
退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法，屬于微電子與固體電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著集成電路工藝的發(fā)展，器件的特征尺寸不斷縮小，體硅材料較低的電子和空 穴遷移率已經(jīng)成為提高器件性能的瓶頸。應(yīng)變硅(strained silicon)，通過在晶格常數(shù)不 同于硅的材料上外延硅，或者其他工藝方法引起硅晶格結(jié)構(gòu)的拉伸或者壓縮形變而形成。 由于其可以有效提高載流子遷移率，已經(jīng)成為面向新一代半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的候選襯底材 料。SiGe襯底具有與Si不相同的晶格常數(shù)，在SiGe襯底上外延生長的Si與SiGe襯底之 間會(huì)存在晶格失配，這種晶格失配使得外延的Si層會(huì)有應(yīng)變。應(yīng)變硅材料由于其晶格結(jié)構(gòu) 的畸變，能夠同時(shí)提高電子和空穴的遷移率，而絕緣體上應(yīng)變硅(sSOI = strained silicon on insulator)同時(shí)具有絕緣體上硅(SOI = silicon on insulator)和應(yīng)變硅的優(yōu)點(diǎn)，在 集成電路工藝中具有更廣闊的應(yīng)用前景。 絕緣體上應(yīng)變硅材料也可以是應(yīng)變Si與(應(yīng)變)SiGe的組合，即以應(yīng)變Si/ (應(yīng) 變)SiGe形成雙溝道層結(jié)構(gòu)(應(yīng)變Si為表層、SiGe為埋層)。在雙溝道獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)中， 電子被限制在應(yīng)變Si層中，可以獲得高的電子遷移率，空穴被限制在(應(yīng)變)SiGe層中，可 以獲得高的空穴遷移率。遷移率與表層應(yīng)變Si的厚度是密切相關(guān)的，在應(yīng)變Si層厚lOnm 時(shí)，電子遷移率增強(qiáng)約1. 7倍，在應(yīng)變Si層厚3nm時(shí)，空穴遷移率增強(qiáng)約2. 8倍。這比單獨(dú) 的應(yīng)變Si層更容易獲得高空穴遷移率。因而，這種絕緣體上應(yīng)變硅材料的制備工藝已經(jīng)成 為國內(nèi)外本領(lǐng)域科研人員的研究熱點(diǎn)。 在用SIMOX(s印aration by implanted oxygen)工藝制備SOI的研究和實(shí)踐中 發(fā)現(xiàn)，兩次氧離子注入與一次氧離子注入相比，可以以較小的注入劑量制備更高質(zhì)量的SOI 材料，但是還沒有發(fā)現(xiàn)用兩次氧離子注入到SiGe/Si混合材料，然后退火、外延制備應(yīng)變硅 材料的報(bào)道。 鑒于此，本發(fā)明提出一種采取兩次氧離子注入、高溫退火結(jié)合Si外延的方法來制 備高質(zhì)量的絕緣體上應(yīng)變Si/SiGe雙溝道層材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方 法。 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 —種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法，該方法包括以下步 驟 步驟一，在硅襯底上外延SiGe合金層； 步驟二，在所述SiGe合金層上外延第一 Si薄層；
步驟三，先以1017cm—2量級的劑量進(jìn)行第一次氧離子注入，然后以1015cm—2量級的 劑量進(jìn)行第二次氧離子注入，使得注入的氧離子集中在所述硅襯底的上部，于所述硅襯底 與所述SiGe合金層的交界處形成氧離子聚集區(qū)； 步驟四，在含氧的氣氛下進(jìn)行退火，使所述的氧離子聚集區(qū)發(fā)生氧化，形成Si(^， 所述的第一 Si薄層也氧化為Si02 ; 步驟五，通過腐蝕工藝去除步驟四所得結(jié)構(gòu)表面的Si(^，直到露出SiGe合金層； 步驟六，在步驟五得到的SiGe合金層表面外延第二 Si薄層，最終形成sSi/SiGe/
Si02/Si結(jié)構(gòu)的絕緣體上應(yīng)變硅材料。其中sSi即應(yīng)變硅(strainedsilicon)。 優(yōu)選地，步驟一中，外延SiGe合金層采用化學(xué)氣相沉積的方法。 優(yōu)選地，步驟一中，所述SiGe合金層的Ge含量為10-20%。 優(yōu)選地，步驟三中，進(jìn)行第一次氧離子注入的劑量為lX1015cm—2-4X1015cm—2。 優(yōu)選地，步驟三中，進(jìn)行第二次氧離子注入的劑量為lX1015cm—2-4X1015cm—2。 優(yōu)選地，步驟四中，所述含氧的氣氛為5%氧氣和95%氬氣。 優(yōu)選地，步驟四中，以1300-140(TC進(jìn)行退火，時(shí)間為5-8小時(shí)。優(yōu)選地，步驟四中，先以750-85(TC進(jìn)行5-6小時(shí)退火，然后以1300-140(TC溫度進(jìn)
行5-6小時(shí)的高溫退火。 優(yōu)選地，步驟六中，外延第二 Si薄層采用化學(xué)氣相沉積的方法。
優(yōu)選地，步驟六中，所述第二 Si薄層的厚度小于30nm。 本發(fā)明的有益效果在于采取兩次氧離子注入、高溫退火結(jié)合Si外延的方法來制 備高質(zhì)量的sSi/SiGe/Si02/Si結(jié)構(gòu)的絕緣體上應(yīng)變硅疊層材料，與使用一次氧離子注入相 比，通過兩次氧離子注入，一方面可以降低注入的劑量，另一方面可以提高制備的材料的質(zhì)


圖1為本發(fā)明涉及的硅襯底外延了 SiGe合金層和第一 Si薄層的截面示意圖； 圖2為本發(fā)明涉及的進(jìn)行了兩次氧離子注入后的截面示意圖； 圖3為本發(fā)明涉及的進(jìn)行了高溫退火后的截面示意圖； 圖4為本發(fā)明涉及的去除了頂層Si02并外延了第二 Si薄層的截面示意圖。 圖中的標(biāo)記說明如下 10 硅襯底 11 SiGe合金層 12第一 Si薄層 9氧離子聚集區(qū) 8 Si02 7第二 Si薄層
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施步驟，為了示出的方便附圖并未按照 比例繪制，不同附圖中相應(yīng)的區(qū)域部分盡可能通過相同的陰影或附圖標(biāo)記來表示。
實(shí)施例一 請參看圖1-圖4，本發(fā)明公開的一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材 料的方法，包括以下步驟 步驟 一，在硅襯底10 (體硅材料)上采用化學(xué)氣相沉積(CVD = chemical vapord印osition)的方法，優(yōu)選為超高真空化學(xué)氣相沉積(UHVCVD = ultrahigh vacuumchemical vapor deposition)或其他沉積方法夕卜延SiGe合金層11。——禾中優(yōu)選的 SiGe合金層ll，其鍺的含量為10-20%，優(yōu)選為14%，厚度為120nm。 步驟二，在所述SiGe合金層11上外延第一 Si薄層12。 一種優(yōu)選的第一 Si薄層 12的厚度為10nm。所述第一 Si薄層12主要是用于阻擋退火過程中鍺從材料上表面流失。 請參看圖l，其為硅襯底10外延了 SiGe合金層11和第一 Si薄層12的截面示意圖。
步驟三，在步驟二形成的材料上進(jìn)行氧離子注入。在離子注入工藝中，選擇的注 入能量越高，注入離子能夠穿入襯底材料越深，射程越大。通過trim或sentaurus等軟件 對離子注入工藝進(jìn)行仿真，可以確定氧離子在不同注入能量下在步驟二形成的材料上的注 入深度。如果SiGe合金層ll厚度120nm，外延第一S i薄層12厚度為lOnm，通過仿真，可 以確定優(yōu)選的注入能量范圍為55-65keV。首先以1017cm—2量級的劑量進(jìn)行第一次氧離子注 入，使得注入的氧離子集中在所述硅襯底10的上部，于所述硅襯底lO與所述SiGe合金層 11的交界處形成氧離子聚集區(qū)9。優(yōu)選的注入劑量范圍為lX1017cm—2-4X1017cm—2，其中本 實(shí)施例的注入劑量為3X 1017cm—2。選擇同樣的注入能量，以1015cm—2量級的劑量進(jìn)行第二次 氧離子注入，使得注入的氧離子集中在所述硅襯底10的上部接近Si和SiGe界面的地方， 即氧離子聚集區(qū)9中，優(yōu)選的注入劑量為1 X 1015cm—2-4X 1015cm—2，其中本實(shí)施例的注入劑量 為3X1015cm—2。請參看圖2，其為進(jìn)行了兩次氧離子注入后的截面示意圖。
步驟四，將完成了氧離子注入的結(jié)構(gòu)在含氧的氣氛下(優(yōu)選為5%氧氣和95%氬 氣)進(jìn)行退火。本實(shí)施例以1300-140(TC，優(yōu)選為135(TC進(jìn)行高溫退火，退火時(shí)間為5-8小 時(shí)，優(yōu)選為6小時(shí)。經(jīng)過退火，在氧離子聚集區(qū)9發(fā)生氧化，形成Si02層8，同時(shí)SiGe合金 層11完全弛豫，結(jié)構(gòu)最上層的第一 Si薄層12也完全氧化為Si02層8。請參看圖3，其為 進(jìn)行了高溫退火后的截面示意圖。 步驟五，通過腐蝕工藝去除步驟四所得結(jié)構(gòu)表面的Si02層8，直到露出SiGe合金 層11 ; 步驟六，在步驟五得到的SiGe合金層11表面采用CVD的方法或其他方法，優(yōu)選為 UHVCVD方法外延第二 Si薄層7，由于外延的Si會(huì)有應(yīng)變，最終形成sSi/SiGe/Si02/Si結(jié) 構(gòu)的絕緣體上應(yīng)變硅材料。其中sSi即應(yīng)變硅(strainedsilicon)。優(yōu)選地，所述第二Si 薄層的厚度小于30nm，可以為2-10nm，或更小。請參看圖4，其為本發(fā)明涉及的去除了頂層 Si02層8并外延了第二 Si薄層7的截面示意圖。
實(shí)施例二 與實(shí)施例一采用基本相同的技術(shù)方案，不同之處在于 步驟三中，進(jìn)行第一次氧離子注入的劑量為lX1017cm—2，進(jìn)行第二次氧離子注入 的劑量為lX1015cm—2。 步驟四中，將完成了氧離子注入的結(jié)構(gòu)在含氧的氣氛下以130(TC溫度進(jìn)行5小時(shí) 的高溫退火。
實(shí)施例三 與實(shí)施例一采用基本相同的技術(shù)方案，不同之處在于 步驟三中，進(jìn)行第一次氧離子注入的劑量為4X10"cm—2，進(jìn)行第二次氧離子注入 的劑量為4X1015011—2。 步驟四中，將完成了氧離子注入的結(jié)構(gòu)在含氧的氣氛下以140(TC溫度進(jìn)行8小時(shí)
的高溫退火。 實(shí)施例四 與實(shí)施例一采用基本相同的技術(shù)方案，不同之處在于步驟四中，將完成了氧離子 注入的結(jié)構(gòu)在含氧的氣氛下先以750-850°C (優(yōu)選為800°C )進(jìn)行5_6小時(shí)(優(yōu)選為6小 時(shí))退火，然后以1300-1400°C (優(yōu)選為1350°C )溫度進(jìn)行5_6小時(shí)(優(yōu)選為5小時(shí))的
高溫退火。 至此通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法介紹完畢，本發(fā)明中涉 及的其他技術(shù)屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的范疇，在此不再贅述。 上述實(shí)施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范 圍的技術(shù)方案均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利申請范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一，在硅襯底上外延SiGe合金層；步驟二，在所述SiGe合金層上外延第一Si薄層；步驟三，先以1017cm-2量級的劑量進(jìn)行第一次氧離子注入，然后以1015cm-2量級的劑量進(jìn)行第二次氧離子注入，使得注入的氧離子集中在所述硅襯底的上部，于所述硅襯底與所述SiGe合金層的交界處形成氧離子聚集區(qū)；步驟四，在含氧的氣氛下進(jìn)行退火，使所述的氧離子聚集區(qū)發(fā)生氧化，形成SiO2，所述的第一Si薄層也氧化為SiO2；步驟五，通過腐蝕工藝去除步驟四所得結(jié)構(gòu)表面的SiO2，直到露出SiGe合金層；步驟六，在步驟五得到的SiGe合金層表面外延第二Si薄層，最終形成sSi/SiGe/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的絕緣體上應(yīng)變硅材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法，其 特征在于步驟一中，外延SiGe合金層采用化學(xué)氣相沉積的方法。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法，其 特征在于步驟一中，所述SiGe合金層的Ge含量為10_20% 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法，其 特征在于步驟三中，進(jìn)行第一次氧離子注入劑量為lX1015cm—2-4X1015cm—2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法，其 特征在于步驟三中，進(jìn)行第二次氧離子注入的劑量為lX1015cm—2-4X1015cm—2。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法，其 特征在于步驟四中所述含氧的氣氛為5%氧氣和95%氬氣。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法，其 特征在于步驟四中，以1300-140(TC進(jìn)行退火，時(shí)間為5-8小時(shí)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法，其 特征在于步驟四中，先以750-85(TC進(jìn)行5-6小時(shí)退火，然后以1300-140(TC溫度進(jìn)行5_6 小時(shí)的高溫退火。。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法，其 特征在于步驟六中，外延第二 Si薄層采用化學(xué)氣相沉積的方法。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法， 其特征在于步驟六中，所述第二 Si薄層的厚度小于30nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過氧離子注入退火制備絕緣體上應(yīng)變硅材料的方法。該方法首先在硅襯底上外延SiGe合金層；然后在SiGe合金層上外延一Si層；以1017cm-2量級的劑量進(jìn)行第一次氧離子注入，然后以1015cm-2量級的劑量進(jìn)行第二次氧離子注入，使得注入的氧離子集中在硅襯底的上部，于硅襯底與SiGe合金層的交界處形成氧離子聚集區(qū)；將完成了氧離子注入的材料在含氧的氣氛下高溫退火，氧離子聚集區(qū)形成SiO2，最上層的Si層也氧化為SiO2；通過腐蝕去除材料表面的SiO2，直到露出SiGe層；在SiGe表面外延Si層，由于外延的Si層會(huì)有應(yīng)變，最終形成sSi/SiGe/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的絕緣體上應(yīng)變硅材料。
文檔編號H01L21/70GK101740463SQ20091020012
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月8日
發(fā)明者張苗, 王曦, 肖德元, 薛忠營, 魏星 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所;上海新傲科技股份有限公司