專利名稱：具有張應(yīng)變的絕緣體上鍺薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備具有張應(yīng)變的絕緣體上鍺(GOI)薄膜的方法，尤其是涉及一種與硅傳統(tǒng)工藝相兼容，在絕緣體上硅(SOI)襯底上外延鍺硅(SiGe)合金薄膜，刻蝕出臺(tái)面圖形，在周圍淀積介質(zhì)薄膜作為保護(hù)區(qū)，然后選擇性氧化圖形區(qū)域的SiGe，制備具有張應(yīng)變的GOI薄膜的方法。
背景技術(shù)：
鍺材料具有高的載流子遷移率，有可能成為未來(lái)微納特征尺寸集成電路金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MOSFET)器件的溝道材料。在鍺中引入應(yīng)變，將進(jìn)一步提高其載流子遷移率，獲得高性能的應(yīng)變Ge MOSFET器件。另一方面，鍺材料的導(dǎo)帶直接帶與間接帶帶底相差很小，室溫下僅為140meV，理論研究表明，在張應(yīng)變的作用下，導(dǎo)帶直接帶底向下移動(dòng)較間接帶導(dǎo)帶底快，兩者相差進(jìn)一步減小。當(dāng)張應(yīng)變達(dá)到I. 7%時(shí)，直接帶與間接帶底發(fā)生反轉(zhuǎn)，變?yōu)闇?zhǔn)直接帶材料，可能成為制備硅基發(fā)光器件的重要材料。應(yīng)變鍺在微電子和光電子集成器件領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要的作用，然而在鍺中引入張應(yīng)變的技術(shù)仍在探索中。目前，提高鍺張應(yīng)變的方法主要有以下幾種一是利用硅和鍺之間的熱失配，在娃基上外延鍺材料產(chǎn)生張應(yīng)變([I] J. Liu, D. D. Cannon, K. Wada, Y. Ishikawa,S. Jongthammanurak, D. T. Danielson, J. Michel, L. C. Kimerling, Appl Phys Lett,87(2005)011110 ； [2]Y. Ishikawa, K. Wada, J. Liu, D. D. Cannon, H. C. Luan, J. Michel,L. C. Kimerling, Journal of applied physics, 98 (2005) 013501)。這種方法存在的問(wèn)題是達(dá)到的最大應(yīng)變值為0.25%，仍不能實(shí)現(xiàn)Ge的準(zhǔn)直接帶結(jié)構(gòu)。二是采用機(jī)械應(yīng)力的方法([3]M. El Kurdi, H. Bertin, E Martincic, M. de Kersauson, G. Fishman,S. Sauvage, A. Bosseboeuf, P. Boucaud, Appl Phys Lett, 96 (2010) 041909 ； [4] T. H. Cheng,K. L. Peng, C. Y. Ko, C. Y. Chen, H. S. Lan, Y. R. Wu, C. Liu, Η. H. Tseng, Appl Phys Lett,96 (2010) 211108)，通過(guò)晶片彎曲提高其張應(yīng)變，這一類方法獲得的應(yīng)變不穩(wěn)定，且無(wú)法用于集成芯片。三是在GaAs襯底上利用組分漸變的InxGahAs緩沖層技術(shù)外延生長(zhǎng)張應(yīng)變 Ge ([5] Y. Huo, H. Lin, R. Chen, M. Makarova, Y. Rong, Μ. Li, Τ. I. Kamins, J. Vuckovic,J. S. Harris, Appl Phys Lett，98 (2011) 011111)，雖然可以得到 2. 33% 的張應(yīng)變，然而這種方法不能與硅基成熟的生產(chǎn)工藝相兼容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前存在的提高Ge張應(yīng)變的方法無(wú)法用于集成芯片以及與傳統(tǒng)的硅工藝不相兼容的缺點(diǎn)，提供一種具有張應(yīng)變的絕緣體上鍺薄膜的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是首先在SOI襯底上外延生長(zhǎng)一定厚度的SiGe薄膜，樣品清洗后采用傳統(tǒng)的光刻和刻蝕工藝得到SiGe的臺(tái)面圖形結(jié)構(gòu)；然后利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積設(shè)備沉積一層Si3N4作為保護(hù)區(qū)，以防止氧氣對(duì)SiGe側(cè)面進(jìn)行氧化；采用常規(guī)電阻式加熱氧化爐對(duì)樣品進(jìn)行選擇性氧化得到具有張應(yīng)變的GOI單晶薄膜。
本發(fā)明包括以下步驟I)在SOI襯底上生長(zhǎng)一層Si/SiGe/Si三明治結(jié)構(gòu)；2)對(duì)Si/SiGe/Si三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行光刻、刻蝕處理后，再沉積保護(hù)層，然后采用剝離工藝去掉光刻膠；3)對(duì)樣品進(jìn)行選擇性氧化和退火，得到局部GOI。在步驟I)中，所述生長(zhǎng)可采用分子束外延或化學(xué)汽相沉積法，首先在SOI襯底上外延生長(zhǎng)SiGe合金薄膜，對(duì)樣品進(jìn)行清洗去除有機(jī)污染物，氧化物和金屬雜質(zhì)等物質(zhì)；表面Si層在氧化過(guò)程中起到保護(hù)鍺流失的作用， 所述SiGe合金薄膜的Ge組份在O I之間，Ge層的厚度可為5 50nm。在步驟2)中，所述光刻的臺(tái)面尺度可小于100 μ m ;所述刻蝕的深度為到達(dá)SOI襯底的隱埋SiO2層；所述沉積Si3N4保護(hù)層可利用高真空化學(xué)汽相淀積設(shè)備沉積一層介質(zhì)材料為Si3N4或SiO2等絕緣介質(zhì)材料保護(hù)層。在步驟3)中，所述對(duì)樣品進(jìn)行選擇性氧化和退火可采用常規(guī)電阻式加熱氧化爐對(duì)樣品進(jìn)行選擇性氧化和退火；所述氧化的溫度小于SiGe層的熔點(diǎn)；鍺的張應(yīng)變可以達(dá)到
O.62%。所述制備方法可用于Ge溝道MOSFET器件和Ge光電子器件制備工藝流程中。張應(yīng)變GOI薄膜是通過(guò)局部選擇性氧化的方式將SOI襯底上的SiGe進(jìn)行氧化并且引入張應(yīng)變制備生成的納米級(jí)別GOI薄膜，可以用于制作硅基電子或光電子器件。本發(fā)明采用SOI襯底上外延生長(zhǎng)的Si/SiGe/Si三明治結(jié)構(gòu)作為初始材料，一方面材料外延生長(zhǎng)方便，技術(shù)成熟，另一方面材料生長(zhǎng)的時(shí)間短。由于刻蝕臺(tái)面周圍淀積了 Si3N4介質(zhì)，在氧化的過(guò)程中，臺(tái)面的側(cè)壁不被氧化，氧化將從頂層Si開始向襯底方向進(jìn)行。SiGe的氧化具有選擇性氧化Si形成SiO2, Ge不被氧化，凝聚在界面并向襯底隱埋SiO2層擴(kuò)散的特點(diǎn)，所以氧化合適的時(shí)間，最終將生成GOI薄膜。由于在高溫氧化的過(guò)程中，氧化SiGe形成的SiO2層體積膨脹，在生長(zhǎng)方向上給Ge層作用力，且與Si3N4層以及隱埋的5102層之間產(chǎn)生相互作用力。由于各層熱膨脹系數(shù)不同，Ge的熱膨脹系數(shù)最大，在高溫下SiO2層具有粘滯性，氧化后樣品冷卻到室溫時(shí)，促使生成的Ge薄膜產(chǎn)生張應(yīng)力，張應(yīng)力可以達(dá)到O. 62%。本發(fā)明是一種簡(jiǎn)易、低成本、與硅傳統(tǒng)工藝相兼容的制備具有張應(yīng)變GOI薄膜的新方法。為了提高鍺薄膜的張應(yīng)變，同時(shí)又與成熟的硅工藝流程相兼容，本發(fā)明提出了在SOI襯底上外延SiGe合金薄膜，刻蝕出臺(tái)面圖形，在周圍淀積介質(zhì)薄膜作為保護(hù)區(qū)，然后選擇性氧化圖形區(qū)域的SiGe，制備具有較高應(yīng)變的GOI材料的方法。已有的提高鍺張應(yīng)變的方法都存在工藝條件要求高、難與傳統(tǒng)硅工藝相兼容等缺點(diǎn)。本發(fā)明提供一種與傳統(tǒng)硅工藝生產(chǎn)相兼容且能有效提高鍺張應(yīng)變的方法。


圖I為本發(fā)明制備具有張應(yīng)變的GOI薄膜的流程示意圖。圖2為GOI薄膜拉曼(Raman)譜測(cè)試結(jié)果。在圖2中，橫坐標(biāo)為拉曼位移Ramanshift (cm-1)，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度 Intensity (a. u.);曲線 a 為 Strained GOL,曲線 b 為 bulkGe ;G0I材料的Ge-Ge模與體Ge材料相比向低能方向移動(dòng)，表明GOI薄膜受張應(yīng)變，測(cè)出GOI薄膜所受張應(yīng)變?yōu)?.62%。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例I :圖I給出本發(fā)明制備具有張應(yīng)變的GOI薄膜的流程示意圖。其中1 3為SOI襯底；具體1為硅襯底，2為SiO2層，3為絕緣體上硅層；4為采用超高真空化學(xué)汽相淀積系統(tǒng)外延生長(zhǎng)Si/SiGe/Si三明治結(jié)構(gòu)；5為光刻膠；6為Si3N4層；7為氧化生成的Ge層；8為氧化生成的SiO2層。
在SOI襯底上外延生長(zhǎng)Si/SiGe/Si三明治結(jié)構(gòu)；對(duì)樣品進(jìn)行硅片標(biāo)準(zhǔn)清洗，涂上厚度約2μπι的光刻膠；再利用光刻版進(jìn)行光刻；接著用等離子體ICP干法刻蝕到隱埋的SiO2層；利用高真空薄膜淀積設(shè)備先沉積一層Si3N4作為保護(hù)區(qū)；然后采用剝離技術(shù)去除多余的光刻膠及其上的Si3N4 ;最后利用常規(guī)電阻式加熱氧化爐對(duì)樣品進(jìn)行選擇性氧化得到GOI薄膜。實(shí)施例2 :與實(shí)施例I類似，其區(qū)別在于所采用的材料為通過(guò)其它方式制備的Si/SiGe/Si三明治結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.具有張應(yīng)變的絕緣體上鍺薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟 1)在SOI襯底上生長(zhǎng)一層Si/SiGe/Si三明治結(jié)構(gòu)； 2)對(duì)Si/SiGe/Si三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行光刻、刻蝕處理后，再沉積保護(hù)層，然后采用剝離工藝去掉光刻膠； 3)對(duì)樣品進(jìn)行選擇性氧化和退火，得到局部GOI。
2.如權(quán)利要求I所述的具有張應(yīng)變的絕緣體上鍺薄膜的制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述生長(zhǎng)采用分子束外延或化學(xué)汽相沉積法，首先在SOI襯底上外延生長(zhǎng)SiGe合金薄膜，對(duì)樣品進(jìn)行清洗去除有機(jī)污染物、氧化物和金屬雜質(zhì)。
3.如權(quán)利要求2所述的具有張應(yīng)變的絕緣體上鍺薄膜的制備方法，其特征在于所述SiGe合金薄膜的Ge組份在O I之間，Ge層的厚度為5 50nm。
4.如權(quán)利要求I所述的具有張應(yīng)變的絕緣體上鍺薄膜的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述光刻的臺(tái)面尺度小于ΙΟΟμπι。
5.如權(quán)利要求I所述的具有張應(yīng)變的絕緣體上鍺薄膜的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述刻蝕的深度為到達(dá)SOI襯底的隱埋SiO2層。
6.如權(quán)利要求I所述的具有張應(yīng)變的絕緣體上鍺薄膜的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述沉積Si3N4保護(hù)層利用高真空化學(xué)汽相淀積設(shè)備沉積一層介質(zhì)材料為Si3N4或SiO2絕緣介質(zhì)材料保護(hù)層。
7.如權(quán)利要求I所述的具有張應(yīng)變的絕緣體上鍺薄膜的制備方法，其特征在于在步驟3)中，采用電阻式加熱氧化爐對(duì)樣品進(jìn)行選擇性氧化和退火。
8.如權(quán)利要求7所述的具有張應(yīng)變的絕緣體上鍺薄膜的制備方法，其特征在于所述氧化的溫度小于SiGe層的熔點(diǎn)。
全文摘要
具有張應(yīng)變的絕緣體上鍺薄膜的制備方法，涉及一種制備具有張應(yīng)變的絕緣體上鍺(GOI)薄膜的方法。在SOI襯底上生長(zhǎng)一層Si/SiGe/Si三明治結(jié)構(gòu)；對(duì)Si/SiGe/Si三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行光刻、刻蝕處理后，再沉積保護(hù)層，然后采用剝離工藝去掉光刻膠；對(duì)樣品進(jìn)行選擇性氧化和退火，得到局部GOI。
文檔編號(hào)H01L21/762GK102623386SQ201210106139
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者盧衛(wèi)芳, 李成, 賴虹凱, 陳松巖, 黃詩(shī)浩 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)