[发明专利]一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上锗材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备绝缘体上锗材料的方法，特别涉及一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上锗材料的方法，属于微电子与固体电子学技术领域。

背景技术

随着集成电路技术的迅猛发展，IC器件性能大幅提高，特征尺寸逐步降低。目前，基于45nm工艺的集成电路技术已经成熟，并正逐步成为市场的主流。但是，现在体硅材料和工艺正在接近他们的物理极限，在进一步减小集成电路的特征尺寸方面遇到了严峻的挑战，人们开始把目光转向了新材料和新工艺上。

锗材料很早就受到人们的重视，它的电子和空穴迁移率都比硅快的多(2.9倍和3.8倍)，而且，由于锗具有良好的固溶性，通过常规的离子注入和高温退火，很容易形成结，常用的金属材料与锗可以生成金属锗化物形成金属接触。但是，由于锗带宽较小，锗器件的泄漏电流很大，加上锗氧化层不稳定，一度限制了它的发展。现在高k介质淀积技术的发展，结合GOI衬底，可以很好的解决这些问题，而且，GOI技术能和硅CMOS工艺兼容，它的低带宽有利于进一步降低电压和功耗，GOI材料被认为是可以在32nm，甚至22nm的特征尺寸上延续摩尔定律的很好的材料。

一种常规的制备GOI材料的方法主要有以下几步：(a)首先，将H离子注入Ge片；(b)将Ge片与另一片表面因热氧化而形成SiO₂的Si片键合；(c)将键合好的片子放在N₂的氛围下退火，使其在H离子注入的射程附近剥离。然后进行表面抛光。

使用上述方法，主要存在以下几个问题需要解决：(a)虽然可以转移较好单晶质量的锗薄膜，但是，在离子注入，退火过程中，锗薄膜还是收到一些伤害，其缺陷密度同SOI相比，要高一些。(b)由于锗和硅热膨胀系数不同，必须考虑采用低温键合工艺(c)锗片相对比较脆，在大尺寸的衬底上转移锗薄膜的成功率也是需要关注的问题。

鉴于此，本发明提出使用体硅上外延SiGe合金层，然后进行两次氧离子注入，并进行多次高温退火的方法来制备高质量的GOI材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上锗材料的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种通过氧离子注入退火制备绝缘体上锗材料的方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，在硅衬底上外延SiGe合金层；

步骤二，在所述SiGe合金层上外延一层Si薄层；

步骤三，先以10¹⁷cm^-2量级的剂量进行第一次氧离子注入，然后以10¹⁵cm^-2量级的剂量进行第二次氧离子注入，使得注入的氧离子集中在所述硅衬底的上部，于所述硅衬底与所述SiGe合金层的交界处形成氧离子聚集区；

步骤四，在含氧气的气氛下以750-850℃温度进行第一次退火；

步骤五，在含氧气的气氛下以1300-1400℃温度进行第二次退火，使所述的氧离子聚集区发生氧化，形成SiO₂，所述的Si薄层也氧化为SiO₂；

步骤六，在纯氧气气氛下以1100-1200℃的温度进行第三次退火；

步骤七，在纯氮气气氛下以850-950℃的温度进行第四次退火；

步骤八，在纯氧气气氛下以850-950℃的温度进行退火，然后在纯氮气的气氛下以850-950℃的温度进行退火。

步骤九，将步骤八重复3-5次，使SiGe合金中的Si完全被氧化为SiO₂，形成SiO₂/Ge/SiO₂/Si的结构；

步骤十，通过腐蚀工艺去除步骤九所得结构表面的SiO₂，从而形成绝缘体上锗材料。

优选地，步骤一中，外延SiGe合金层采用化学气相沉积的方法。

优选地，步骤一中，所述SiGe合金层的Ge含量为10-20％。

优选地，步骤三中，进行第一次氧离子注入的剂量为1×10¹⁷cm^-2-4×10¹⁷cm^-2。

优选地，步骤三中，进行第二次氧离子注入的剂量为1×10¹⁵cm^-2-4×10¹⁵cm^-2。

优选地，步骤四中，所述含氧气的气氛为1％氧气和99％氩气。

优选地，步骤四中，进行第一次退火的温度为800℃，时间为5-6小时。