[发明专利]利用微波退火技术低温制备GOI的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造领域，涉及一种利用微波退火技术低温制备GOI的方法。

背景技术

硅作为现在最广泛应用的半导体材料，它的优点是多方面的。1)硅的地球储量很大，所以原料成本低廉。2)硅的提纯工艺历经60年的发展，已经达到目前人类的最高水平。3)Si/SiO₂的界面可以通过氧化获得，非常完美。通过后退火工艺可以获得极其完美的界面。4)关于硅的掺杂和扩散工艺，研究得十分广泛，前期经验很多。硅材料的不足是：硅本身的电子和空穴迁移速度在未来很难满足更高性能半导体器件的需求。氧化硅由于介电常数较低，当器件微小化以后，将面临介电材料击穿的困境，寻找替代介电材料是当务之急。且硅属于间接带隙半导体，光发射效率不高。

锗作为最早被研究的半导体材料，具有以下优点：1)空穴迁移率最大，是硅的四倍；电子迁移率是硅的两倍。2)禁带宽度比较小，有利于发展低电压器件。3)施主/受主的激活温度远低于硅，有利于节省热预算。4)小的波尔激子半径，有助于提高它的场发射特性。5)小的禁带宽度，有助于组合介电材料，降低漏电流。但是锗属于较为活泼的材料，它和介电材料的界面容易发生氧化还原反应，生成GeO，产生较多缺陷，进而影响材料的性能；锗由于储量较少，所以直接使用锗作衬底是不合适的，因此必须通过GeOI(绝缘体上锗)技术，来发展未来器件。

绝缘体上锗(GOI)是高端硅基衬底材料领域的一项最新开发成果，它对高性能CMOSIC以及光电探测器和太阳能电池都具有十分重要的意义。能用作光电探测器GOI(锗吸收850nm波长的光的效率是硅的70倍)，而且也能用来制作高速晶体管。基于锗材料的晶体管的转换速度能比硅的大3到4倍。由于锗金属能提高材料的电子迁移率，在未来的高速逻辑IC应用上，锗材料远景看好。GOI用作制造高速光电探测器(运行在30GHz)，这使其理论上适用于探测速度大于50Gb/sec的信号，使芯片上的光互连更接近现实。

GOI技术能和硅CMOS工艺兼容，因为锗能够有选择的放置在光电探测器所在的区域，所以新的探测器与标准的微芯片技术兼容。这种兼容性使得有可能在同一块芯片上集成光电电路，比如在微处理器和其他电子器件上。目前主要被关注于以下几个领域：GOI高速CMOS器件、高频CMOS器件、光电探测器以及太阳能电池等。几十年前人们就知道了锗与硅相比所具有的速度优势；然而，锗氧化层的不稳定性使得当时制作MOS器件不太可行。如今，新一代的高k介质淀积技术，加上这些新的GOI衬底，给器件生产商在使用锗上有更多的灵活性，从而回避了MOS栅氧问题。体锗晶圆要比硅重，且易碎，GOI有助于克服这些问题，并使锗MOSFET技术与硅处理设备相兼容。应用于锗施主的外延方法可以轻易地将其等比变化至300mm，但晶体缺陷可能会很高。对锗表面进行处理是一项十分艰巨的任务，因为典型的硅清洗溶液会对锗表面造成腐蚀，使表面变得粗糙。尽管已证实可用硅加工设备对GOI进行处理，且0.15微米器件已经制作成功，但MOSFET的Ion/Ioff比值却十分不理想，而且迁移率值也需要进一步改善。锗表面上的MOSFET质量是一个问题，但由于锗的禁带宽度很小(0.66eV)，所以锗器件也承受着大漏电流的致命缺点，这也严重阻碍了锗MOS器件的更广泛的应用，GOI技术必须解决由于锗较窄的带隙对结的漏泄和带-带调谐带来的影响。如同SOI解决了很多体硅在半导体器件中的不足，GOI同样也是很好地解决了Ge材料缺点的候选材料。为了得到低漏电流和更好的性能的MOS器件，GOI因此得到了关注。

一些科研结构和公司通过很多方法已经制备出GOI结构，例如，欧洲半导体领域三巨头Soitec、IMEC和Umicore宣布联合开发GOI技术，Umicore侧重于研发8和12英寸单晶Ge晶片，而Soitec用SmartCut技术研发GOI晶片，IMEC重点研究以Ge基工艺制备应用于45纳米及以下制程的高性能CMOS电路。SiliconGenesis也宣称他们正在研制GOI圆片，IBM宣布开发了一种基于新开发的GOI技术的高速光电探测器，他们制造GOI的方法是直接在很薄的SOI上生长锗。然而目前这些方法都有很多局限性。

目前，将掺杂层吸附剥离与键合相结合的智能剥离方法能够实现超薄、高质量绝缘体上材料的制备，但是该方法中需要经过高温退火使得掺杂层吸附注入离子而产生剥离，不适用于GOI的制备，因为Ge的剥离温度不能太高，一般在350～400℃，超过该温度，制备出来的Ge很容易发生碎片或碎渣现象。

因此，提供一种利用微波退火技术低温制备GOI的方法实属必要。

发明内容