CN103022093A

CN103022093A - 一种绝缘体上纳米级硅锗材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103022093A
Application number: CN2011102806678A
Authority: CN
Inventors: 徐文婷; 肖清华; 常青; 屠海令
Original assignee: Grinm Semiconductor Materials Co Ltd
Current assignee: Youyan semiconductor silicon materials Co.,Ltd.
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: CN103022093B

Abstract

一种绝缘体上纳米级硅锗材料，包括绝缘衬底上的硅基片，该基片的顶硅层中生长有纳米级硅锗颗粒，该顶硅层为P型，电阻系数为1～10Ω·cm，顶硅层厚度为50～200nm，所述纳米级硅锗的粒径为1～30nm。其制备方法包括如下步骤：(1)绝缘衬底上的硅基片经过表面清洁后，放入离子注入设备中，保持注入方向与基片平面呈7～10°；(2)抽至高真空10^-7Pa，保持室温，采用GeH₄气源注入Ge离子，控制注入能量在30～200keV，注入剂量在10¹⁶～10¹⁷cm^-2；(3)通入高纯氮气，升温至900～1200℃范围内退火，退火时间10～600s。该制备方法工艺过程清洁、无污染、简洁、无需缓冲层，并且制备得到的硅锗结构达到纳米级尺寸，能实现与当前集成电路工艺技术的兼容。

Description

一种绝缘体上纳米级硅锗材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种绝缘体上纳米级硅锗材料及其制备方法，属于半导体技术领域。

背景技术

CMOS器件尺寸按照摩尔定律的发展持续缩小，使得以晶体管数目和性能要求为标志的IC设计复杂度提高到了空前的水平，集成电路行业已进入到极大规模的纳米技术时代。对于硅芯片而言，日益显著的纳米物理效应限制了尺寸缩小的步伐，如引起的串扰、电压降、电源噪声、电迁移、偏差、应力、泄露等问题。为了解决特征尺寸缩小带来的物理限制问题，必须在材料和工艺上找到突破。就材料而言，一方面，寻找替代硅的材料，解决线宽缩小带来的问题；另一方面，立足于硅基材料，通过能带工程突破硅材料的物理限制。业界更倾向于通过后者来延续摩尔定律。在当前微电子领域中，业界提出需重点发展绝缘体上硅、应变硅、硅锗、栅介质材料等。其中绝缘体上硅锗(SGOI)在近年来备受关注，作为一种新型微电子材料，它不仅实现了全介质隔离结构，同时可作为衬底材料实现应变硅的外延生长，有效突破体硅材料的限制。在45nm和32nm技术节点下，SGOI材料应用于硅基半导体器件，并结合硅锗技术，实现了硅基器件的超高速、低能耗、抗辐射、高集成度等优异性能。材料性能上可与III-V半导体媲美，而且制作工艺与硅基集成电路技术兼容性比III-V半导体更优。目前的SGOI得制备方法主要有：(1)注氧隔离技术；(2)键合背刻蚀技术；(3)智能剥离技术；(4)引入“容忍衬底”技术；(5)Ge浓缩技术。以上制备方法均存在应力释放的问题，即在制备过程中，需引入缓冲层来释放SiGe层晶格应力；这样一来，很难满足越来越小的特征尺寸的要求；并且，上述制备方法有些还存在工艺过程复杂、难与当今主流半导体工艺兼容等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绝缘体上纳米级硅锗材料，来满足未来硅基纳米集成电路用SGOI材料的需求。

本发明的另一目的在于提供一种绝缘体上纳米级硅锗材料的制备方法，该制备方法工艺过程清洁、无污染、简洁、无需缓冲层，并且制备得到的硅锗结构达到纳米级尺寸，能实现与当前集成电路工艺技术的兼容。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种绝缘体上纳米级硅锗材料，包括绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)基片，该基片的顶硅层中生长有纳米级硅锗颗粒，该顶硅层为P型，电阻系数为1～10Ω·cm，顶硅层厚度为50～200nm，所述纳米级硅锗颗粒的粒径为1～30nm，该纳米级硅锗颗粒的粒径优选为10～30nm。

一种上述绝缘体上纳米级硅锗材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)绝缘衬底上的硅基片经过表面清洁后，放入离子注入设备中，保持注入方向与基片平面呈7～10°；

(2)抽至高真空10^-7Pa，保持室温，采用GeH₄气源注入Ge离子，控制注入能量在30～200keV，注入剂量在10¹⁶～10¹⁷cm^-2；

(3)通入高纯氮气，升温至900～1200℃范围内退火，退火时间10～600s，得到绝缘体上纳米硅锗材料。

所述步骤(1)中使用的SOI基片在置入离子注入设备之前，采用标准清洗工艺去除表面的有机沾污、微尘、金属沾污及自然氧化层。

在离子注入过程中，保持注入方向与基片表面存在一定角度，从而避免离子注入引起的沟道效应。所述步骤(2)中所使用的Ge离子为通过离子分选得到的⁷²Ge⁺。⁷²Ge⁺作为Ge元素四个稳定的同位素之一，最易于分选，在制备过程中容易实现。通过调整注入剂量与能量可以实现对硅锗层中锗分布的精确控制。根据SOI顶硅层的厚度确定注入能量，根据所要实现的Ge含量确定注入剂量。

大剂量重离子注入导致了注入区的非晶化，因此需要退火实施固相外延促使注入区的非晶-晶化转变；退火的方式、温度、时间直接影响到硅锗层中Ge的分布，从而决定硅锗纳米颗粒能否形成。所述步骤(3)中选择快速退火炉，在升温前10～30min通入高纯氮气，升温速度设定为80～100℃/s。

另外，退火时间对纳米颗粒的晶体完整性影响很大，所述步骤(3)中的退火温度优选为1000～1150℃；退火时间优选为60～450s。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供了一种新的制备技术，用以制备绝缘体上纳米级硅锗，该技术可直接嵌入现有集成电路工艺中，过程清洁，制备方法可靠，重复性好，并且可以在微区实现精确加工。(2)本发明的绝缘体上纳米级硅锗结构稳定、分布均匀、颗粒尺寸均一，可作为下一代硅基超大规模纳米集成电路的沟道候选材料。(3)本发明的绝缘体上纳米硅锗在可见波段存在光致发光效应，可应用于硅基纳米光电子器件。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2(a)为本发明基于实施例1所制备的绝缘体上纳米级硅锗材料的SEM谱图；该图为场发射扫描电镜对所制备结构的表面结构的分析图谱；图2(b)为结构图的EDX能谱分析图谱。

图3为本发明基于实施例1所制备的绝缘体上纳米级硅锗材料的HRTEM谱图；该图为高分辨透射电镜针对绝缘体上纳米级硅锗结构的截面分析图谱；图右为结构图中不同区域(红色方框内)的傅立叶变换衍射斑点。

图4为本发明基于实施例1所制备的绝缘体上纳米级硅锗材料的PL谱图，该图为采用YGA激光器，波长为532nm的激光作用于所制备材料后的光致发光分析图谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

实施例1

1、如图1所示为本发明的工艺流程图，绝缘体上纳米级硅锗材料的制备方法的具体步骤为：

(1)采用表1所示的清洗工艺清洗电阻率为3.6Ω·cm的SOI基片，放入离子注入设备中，作为基底材料；该SOI基片顶层硅厚度为191nm。

表1 SOI清洗工艺的具体操作流程

清洗步骤	化学溶剂	溶剂配比	清洗温度	时间	目的
						1	NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O	1∶1∶5	70～80℃	5min	去除表面微粒
2	超高纯去离子水		室温		清洗
						3	HCL∶H₂O₂∶H₂O	1∶1∶8	70～80℃	5min	去除金属沾污
4	超高纯去离子水		室温		清洗
						5	H₂SO₄∶H₂O₂∶H₂O	4∶1∶100	室温	5min	去除有机沾污
6	超高纯去离子水		室温		清洗
						7	HF∶H₂O	1∶7	室温	10s	去除氧化层
8	超高纯去离子水		室温		清洗

(2)将离子注入设备抽至真空10^-7Pa，采用GeH₄气源，调整离子束流2.5μA/cm²，控制注入能量分别为150，注入剂量分别为5×10¹⁶cm^-2，在此条件下进行离子注入，控制注入方向与SOI基片呈7°角。注入后对SOI基片进行封装，避免沾污。

(3)将注入后SOI基片置入快速退火炉中，将保温温度设定在在1100℃范围内，保温时间设定在300s，设定升温速率和降温速率设定在100℃/s内，先通20min氮气，再进行退火；即形成了绝缘体上纳米级硅锗。

测试实验：微观结构及其光致发光性能的测试

(1)对于实施例1所制备的绝缘体上纳米级硅锗材料，采用场发射扫描电镜二次电子分析表面结构形貌，EDX分析表面成分，分析结果如图2所示。结果表明，在绝缘体上形成了两种粒径的纳米硅锗颗粒，其成分分布见表2。其粒径分别为10nm和30nm，两种大小的颗粒均匀分布，小颗粒在大颗粒的周围，较大颗粒密度为6×10⁷/cm²。两种硅锗颗粒成分均一。

表2 硅锗纳米颗粒中硅锗成分分布

元素种类	质量百分比(Wt％)	摩尔百分比(At％)
			O(氧)	13.64	19.50
Si(硅)	58.48	47.65
			Ge(锗)	12.75	4.02

(2)对实施例1所制备的绝缘体上纳米硅锗材料，采用高分辨透射电镜对纳米颗粒微观结构进行表征，如图3所示，图右给出了不同微区经傅立叶变换后得到的衍射斑点。结果表明，硅锗纳米颗粒结构稳定，与周围的基体呈共格，不存在晶体缺陷；并且，SiGe/BOX界面保持其界面完整性。

(3)对实施例1所制备的绝缘体上纳米级硅锗材料，在室温下，对其光致发光做了分析。如图4所示，结果表明，实施例在可见波段存在光致发光效应，存在有3个发光峰，分别位于571nm、582nm、625nm。

Claims

1.一种绝缘体上纳米级硅锗材料，其特征在于：包括绝缘衬底上的硅基片，该基片的顶硅层中生长有纳米级硅锗颗粒，该顶硅层为P型，顶硅层厚度为50～200nm，所述纳米级硅锗颗粒的粒径为1～30nm。

2.根据权利要求1所述的绝缘体上纳米级硅锗材料，其特征在于：所述顶硅层的电阻系数为1～10Ω·cm。

3.根据权利要求1或2所述的绝缘体上纳米级硅锗材料，其特征在于：所述纳米级硅锗颗粒的粒径为10～30nm。

4.一种权利要求1所述绝缘体上纳米级硅锗材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

(3)通入高纯氮气，升温至900～1200℃退火，退火时间10～600s，得到绝缘体上纳米硅锗材料。

5.根据权利要求4所述的绝缘体上纳米级硅锗材料的制备方法，其特征在于：所述绝缘衬底上的硅基片的顶硅层的电阻系数为1～10Ω·cm。

6.根据权利要求4或5所述的绝缘体上纳米级硅锗材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中所使用的Ge离子为通过离子分选得到的⁷²Ge⁺。

7.根据权利要求4或5所述的绝缘体上纳米级硅锗材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中选择快速退火炉，在升温前10～30min通入高纯氮气，升温速度设定为80～100℃/s。

8.根据权利要求4或5所述的绝缘体上纳米级硅锗材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中退火的温度为1000～1150℃；退火时间为60～450s。