CN1779909A - 制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，其特征在于，步骤如下：a.利用气固源分子束外延设备以绝缘体上硅为衬底材料外延生长锗硅合金薄膜；b.再在氧化气氛的石英管式退火炉中进行高温退火处理；c.用湿化学腐蚀法或化学机械抛光法除去材料表面的氧化层。本发明的方法具有工艺路线简单，成本低和适宜于小批量生产的优点，特别是用于制备高锗组分、超薄型绝缘体上锗硅薄膜材料的研制，该材料可作为进一步外延生长绝缘体上应变硅材料(sSOI)的衬底使用而将在高性能硅基CMOS器件的研制中获得广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法。
背景技术
锗硅器件在移动通讯、微处理器芯片等高速器件应用的领域中取得了巨大成功，呈现出与砷化镓器件相竞争的态势。然而，与体硅器件相比锗硅器件在低功耗、抗辐射、耐高温等性能方面并无明显改进。绝缘体上硅衬底(SOI)技术是开发低功耗、抗辐射、耐高温、高集成度等新型集成电路的理想平台，但传统的绝缘体上硅电路和器件在本质上并未脱离体硅材料的物理性能限制，存在高速性能方面的不足。在上述两种技术优势的基础上发展起来的绝缘体上锗硅薄膜(SGOI)技术，以及基于其上的应变硅技术是在现有工艺技术水平上不同于一般尺寸缩小方法的另一种可显著提高硅基集成电路性能的有效途径。绝缘体上锗硅薄膜材料以其独特的全介质隔离结构和作为外延生长应变硅薄膜的衬底材料，可为研发新型的超高速、低功耗、高集成度硅基器件和芯片提供一种新的解决方案，有希望成为突破体硅器件的物理极限、在深亚微米超大规模集成电路芯片主流技术中应用的新型半导体材料，但只有锗含量较高的驰豫态锗硅薄膜才能充分发挥应变硅技术的有效作用。因此如何在绝缘衬底上制备出高质量的锗含量较高的驰豫态锗硅薄膜并且提高其性价比，将直接关系到与之密切相关的应变硅技术在高性能CMOS器件上获得广泛应用的前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，能够在绝缘衬底上制备出高质量的锗含量较高的驰豫态锗硅薄膜并且性价比高。
为实现上述目的，本发明提供的一种制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，步骤如下：
a、利用分子束外延法(MBE)，即用气固源分子束外延设备以绝缘体上硅为衬底材料外延生长锗硅合金薄膜；
b、再在氧化气氛的石英管式退火炉中进行高温退火处理，通过在氧化气氛中的长时间高温退火来促进锗硅薄膜的完全驰豫化和进一步提高薄膜的晶体质量；
c、用湿化学腐蚀法或化学机械抛光法除去材料表面的氧化层，而获得高质量、驰豫态的绝缘体上锗硅薄膜材料。
所述的制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，是以金属锗(Ge)和气态的乙硅烷(Si2H6)为分子束源，以绝缘体上硅材料(SOI)为衬底材料，绝缘体上硅膜的厚度在15～30nm。若SOI材料的顶层硅膜厚度较厚，可通过反复多次的在氧化气氛中高温热氧化和化学机械抛光的方式来减薄其硅膜的厚度。
所述的制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，步骤a包括如下步骤：
a1、在外延生长实验前绝缘体上硅衬底需用集成电路工艺中常用的标准方法进行严格的表面清洗；
a2、在分子束外延设备的生长室中高真空状态下加热衬底至700～850℃以除去衬底表面的吸附气体和自然氧化层；
a3、用反射式高能电子衍射仪对样品表面的再构图像进行原位实时监测；
a4、待衬底表面出现清晰明亮的线型再构图像并稳定一段时间后，再降低衬底的温度至500～530℃准备进行锗硅合金薄膜的外延生长；
a5、控制锗源炉温度为1050～1150℃，乙硅烷流量为4～6ml/min，生长时间约30～200min，也可以根据锗硅合金薄膜的组分和厚度要求进行调节。
所述的制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，步骤b中将外延生长后的材料放入石英管式退火炉内，在大气氛中或通入小流量氧气∶氮气＝1∶2的氧化气氛中以5～10℃/min的升温速率从室温升至1050℃，保温5小时以上进行高温退火。在此过程中实现外延生长锗硅薄膜的完全弛豫化和其下部的超薄硅埋层向锗硅合金薄膜的转换，以及锗组分在锗硅合金薄膜中的富集化和均匀化。锗原子易于在硅晶格中自扩散，但不易在二氧化硅层中扩散。在高温氧化时与硅原子相比，锗硅薄膜中的锗原子不容易生成氧化物而损失。
所述的制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，步骤c中所述的湿化学腐蚀法为用氢氟酸溶液浸泡退火后的样品除去材料表面的氧化层。
所述的制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，其中氢氟酸溶液中氢氟酸∶去离子水的体积比为2∶1，浸泡20～30min。
综上所述，本发明的方法具有工艺路线简单，成本低廉，适宜于小批量生产等优点，特别适用于制备高锗组分、超薄型绝缘体上锗硅薄膜材料的研制，对其锗含量和膜厚可以实现精确地控制。它克服了注氧隔离法(SIMOX)、晶片键合与背刻蚀法(Wafer bonding and etch back)等现有技术存在的工艺路线复杂、技术水平要求高、生产成本高和周期长的缺点。本发明研制的材料可应用于新型高性能硅基CMOS器件的研制，并可作为进一步外延生长绝缘体上应变硅材料(sSOI)的衬底使用。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后其中：
图1是气固源分子束外延设备的结构示意图；
图2a～图2d是本发明方法的工艺流程和材料结构示意图。
具体实施方式
请同时参阅图1、图2a～图2d，下面结合具体生长工艺进一步说明本发明的技术特征。
本发明是将注氧隔离法(SIMOX)制备的φ100～150mm的SOI材料用激光切割机切割成φ38mm的晶片作为衬底，用集成电路工艺中常用的硅片清洗方法对SOI衬底表面进行严格地化学清洗和减薄处理，使待用SOI衬底的顶层硅膜的厚度在15～30nm。SOI衬底材料的结构如图2a所示。
再进入进样室10，通过阀门1和阀门板2、4，借助导轨3，通过分析室9放入到生长室8的衬底架5上。室温下生长室8内的真空度应维持＜5×10-7Pa，先升高衬底温度至708℃对SOI衬底进行表面除气，同时用高能电子衍射仪对样品表面的再构图像进行实时监视，待出现清晰的线型再构图像并稳定20～30min后，降低衬底的温度到520℃开始锗硅薄膜的外延生长。乙硅烷喷枪6流量为6ml/min，锗源炉7温度为1050℃，生长锗硅薄膜3小时27分钟后停止实验。外延生长锗硅薄膜的结构如图2b所示。
将此样品取出后放入石英玻管退火炉中，在空气气氛中以5～10℃/min的升温速率从室温升至1050℃，保温6小时退火后随炉自然冷却。此时，锗硅薄膜的结构如图2c所示。
然后把退火后的样品浸入氢氟酸∶去离子水的体积比＝2∶1的氢氟酸溶液中，浓度～26％，浸泡30min，制得呈现镜面光亮的绝缘体上锗硅薄膜材料。最后得到的锗硅薄膜的结构如图2d所示。
以上条件下制备的绝缘体上锗硅薄膜样品用金相显微镜腐蚀坑记数法(Etch-Pit-Density)测试表明其缺陷密度约5×105/cm2，与SOI衬底表面硅膜的缺陷密度在同一数量级。经卢瑟夫背散射谱(RBS)分析表明该样品的锗含量为0.374，锗硅薄膜厚度为437nm。
Claims (6)
1、一种制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，其特征在于，步骤如下：
a、利用气固源分子束外延设备以绝缘体上硅为衬底材料外延生长锗硅合金薄膜；
b、再在氧化气氛的石英管式退火炉中进行高温退火处理；
c、用湿化学腐蚀法或化学机械抛光法除去材料表面的氧化层。
2、按权利要求1所述的制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，其特征在于，是以金属锗和气态的乙硅烷为分子束源，以绝缘体上硅材料为衬底材料，绝缘体上硅膜的厚度在15～30nm。
3、按权利要求1所述的制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，其特征在于：步骤a包括如下步骤：
a1、在外延生长实验前绝缘体上硅衬底需用集成电路工艺中常用的标准方法进行严格的表面清洗；
a2、在分子束外延设备的生长室中高真空状态下加热衬底至700～850℃以除去衬底表面的吸附气体和自然氧化层；
a3、用反射式高能电子衍射对样品表面的再构图像进行原位实时监测；
a4、待衬底表面出现清晰明亮的线型再构图像并稳定一段时间后，再降低衬底的温度至500～530℃准备进行锗硅合金薄膜的外延生长；
a5、控制锗源炉温度为1050～1150℃，乙硅烷流量为4～6ml/min，生长时间约30～200min。
4、按权利要求1所述的制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，其特征在于：步骤b中是将外延生长后的材料放入石英管式退火炉内，在大气氛中或通入小流量氧气∶氮气＝1∶2的氧化气氛中以5～10℃/min的升温速率从室温升至1050℃，保温5小时以上进行高温退火。
5、按权利要求1所述的制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，其特征在于：步骤c中所述的湿化学腐蚀法为用氢氟酸溶液浸泡退火后的样品除去材料表面的氧化层。
6、按权利要求5所述的制备绝缘体上锗硅薄膜材料的方法，其特征在于：氢氟酸溶液中氢氟酸∶去离子水的体积比为2∶1，浸泡20～30min。
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|---|---|---|---|---|
| CN100447950C (zh) * | 2007-01-26 | 2008-12-31 | 厦门大学 | 低位错密度锗硅虚衬底的制备方法 |
| CN101140868B (zh) * | 2006-09-06 | 2010-06-09 | 胜高股份有限公司 | 外延晶片及其制造方法 |
| CN102122616B (zh) * | 2010-01-08 | 2013-01-02 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 半导体器件的制作方法 |
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