一種絕緣層上高濃度n型摻雜薄鍺材料及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，尤其涉及一種絕緣層上高濃度N型摻雜薄鍺材料及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鍺材料具有比硅材料更高的載流子迀移率，并且在光通信波段(1.55 μ m)有較高的吸收系數(shù)，是制備高性能微電子及光電子器件的理想材料之一；同時(shí)，由于鍺材料的制備工藝與成熟的硅CMOS工藝相兼容，因此鍺器件在硅基光電集成方面的應(yīng)用具有成本上的優(yōu)勢(shì)。
[0003]絕緣層上鍺材料(GOI)具有體鍺材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn):一方面，GOI材料的制備技術(shù)是在頂層鍺和硅襯底之間引入了一層埋層氧化層，相比于體鍺材料，它更不容易脆裂；另一方面，埋層氧化層的引入可以實(shí)現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)隔離，徹底消除CMOS電路中的寄生閂鎖效應(yīng)；同時(shí)，采用GOI材料制備的集成電路還具有寄生電容小、速度快、工藝簡(jiǎn)單及短溝道效應(yīng)小等優(yōu)勢(shì)。
[0004]在GOI器件的制造工藝中，對(duì)鍺層進(jìn)行N型摻雜是一道十分重要的工藝。通過提高絕緣層上鍺材料的N型摻雜濃度不僅可以解決目前Ge的N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)源-漏極接觸電阻高的問題，進(jìn)而提高Ge的N型MOSFET的性能；而且在光電子器件制備方面也大有裨益:一方面，有利于制備高性能的Ge PIN光電探測(cè)器，另一方面，高濃度的N型摻雜填充了 Ge材料的間接帶隙，有利于提高Ge材料的直接帶發(fā)光效率，進(jìn)而制備具有高效發(fā)光性能的Ge激光器件。
[0005]目前在頂層Ge薄膜中進(jìn)行N型摻雜主要有以下幾種方法:一是通過原位摻雜的方法，即在外延鍺薄膜的過程中，摻入N型雜質(zhì)原子，可以得到約為2X1019cnT3的N型摻雜濃度，但是該方法得到的材料其表面粗糙，雜質(zhì)激活度低，晶體質(zhì)量差，不利于器件性能的提高；二是通過離子注入的方法提高N型摻雜濃度，但是通過離子注入到體鍺材料損傷了鍺的晶格完整性，而這種損傷很難通過后續(xù)的退火工藝完全修復(fù)，并且該方法還存在雜質(zhì)擴(kuò)散快，雜質(zhì)損耗問題嚴(yán)重等缺點(diǎn)；三是采用氣體浸入激光摻雜技術(shù)可以在GOI材料上摻雜η型濃度為lxl02°cm_3的雜質(zhì)，氣體浸入激光摻雜技術(shù)的缺點(diǎn)是:集成工藝復(fù)雜，技術(shù)尚不成熟，設(shè)備昂貴，制備成本較高。
[0006]因此，提供一種提高絕緣層上鍺材料N型摻雜濃度的制備方法，在微電子及光電子領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)屬必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服上述問題本發(fā)明提供了一種絕緣層上高濃度N型摻雜鍺材料及其制作方法。通過在頂層硅或鍺硅合金薄膜中摻入雜質(zhì)原子，然后再進(jìn)行鍺濃縮，一方面提高了鍺中的N型摻雜濃度，另一方面，長(zhǎng)時(shí)間的氧化退火過程及時(shí)地修復(fù)了由于離子注入或者外延生長(zhǎng)過程中帶來的晶體損傷，使得制備得到的N型摻雜鍺具有更高的晶體質(zhì)量；同時(shí)高溫退火也提高了鍺薄膜中載流子的激活率。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0009]一種絕緣層上高濃度N型摻雜薄鍺材料，所述絕緣層上高濃度N型摻雜薄鍺材料的結(jié)構(gòu)自下而上依次為硅襯底、阻止N型雜質(zhì)原子向硅襯底擴(kuò)散的埋層Si02、N型摻雜鍺薄膜和由氧化生成的S1Jl，所述埋層S1dA厚度彡200nm，N型摻雜鍺薄膜的厚度為(30nm ;所述N型摻雜鍺薄膜中摻雜元素為磷元素、砷元素或銻元素，所述摻雜元素的濃度
^ 117Cm 3O
[0010]進(jìn)一步的改進(jìn)，所述埋層3102的厚度為400nm，N型摻雜鍺薄膜的厚度為20nm ;所述N型摻雜鍺薄膜中摻雜元素為磷元素，所述摻雜元素的濃度為2.2X102°cm_3。
[0011]一種絕緣層上高濃度N型摻雜薄鍺材料的制作方法，包括如下步驟:
[0012]步驟一)放置材料:放入SOI襯底，所述SOI襯底自下而上依次為硅襯底、埋層S1JP頂層硅；所述頂層硅為N型摻雜硅或本征硅；所述N型摻雜硅是通過離子注入的方式得到，摻雜元素為磷元素、砷元素或銻元素，所述磷元素或砷元素的注入濃度多117CnT3;
[0013]步驟二)材料外延:在SOI襯底的頂層娃上依次外延鍺娃合金薄膜及Si蓋層；若所述頂層硅為N型摻雜硅，則所述鍺硅合金薄膜為普通鍺硅合金薄膜或N型摻雜鍺硅合金薄膜；若所述頂層硅為本征硅，則所述鍺硅合金薄膜為N型摻雜鍺硅合金薄膜；所述N型摻雜鍺硅合金薄膜摻雜元素為磷元素、砷元素或銻元素；
[0014]步驟三)鍺濃縮:將樣品置于1000°C -1200°C的氧氣環(huán)境中高溫氧化10_40min再置于1000°C _1200°C的氮?dú)猸h(huán)境中高溫退火40-80min ;重復(fù)所述高溫氧化和高溫退火步驟至所述鍺硅合金薄膜中鍺組分為0.5-0.6 ;然后將樣品置于700°C _900°C氧氣環(huán)境中中溫氧化10-40min，再置于700°C -900°C氮?dú)猸h(huán)境中中溫退火40_80min，重復(fù)所述中溫氧化和中溫退火步驟至所述鍺硅合金薄膜中鍺組分為I ;最終形成自下而上依次包含有硅襯底、埋層Si02、N型摻雜鍺薄膜和由氧化生成的S1Jl的多層結(jié)構(gòu)。
[0015]進(jìn)一步的改進(jìn)，所述埋層S1j^厚度彡200nm。
[0016]進(jìn)一步的改進(jìn)，所述頂層娃厚度為5-60nm。
[0017]進(jìn)一步的改進(jìn)，所述Si蓋層厚度為彡1nm0
[0018]在本發(fā)明中摻雜元素的濃縮程度和最終濃縮得到的濃度可通過多種形式進(jìn)行控制，具體方法如下:
[0019]設(shè)頂層硅中摻雜元素的濃度為N1，頂層硅的厚度為h1;鍺硅合金薄膜中的摻雜元素的濃度為N2，鍺硅合金薄膜的厚度為h2，鍺硅合金薄膜中鍺的比例為a (OI);得到的絕緣層上薄鍺材料中的N型摻雜鍺薄膜中摻雜元素的濃度為N3, N型摻雜鍺薄膜厚度為h3;則有如下公式:
[0020]h3= h 2 X a (I)；
[0021]N1Xh^N2Xh2=N3Xh3 (2)；
[0022]根據(jù)式(I)和式(2)可得N3= (NiXh^N2Xh2)ZOi2Xa) (3)；
[0023]根據(jù)式(3)可知:人們可以通過控制頂層硅中摻雜元素的濃度N1，頂層硅的厚度h1;鍺硅合金薄膜中的摻雜元素的濃度N2，鍺硅合金薄膜的厚度h2，鍺硅合金薄膜中鍺的比例a(0 < a < I)來控制最終形成的絕緣層上薄鍺材料的N型摻雜鍺薄膜中摻雜元素的濃度乂和N型摻雜鍺薄膜厚度h 30
[0024]人們可以通過調(diào)節(jié)鍺硅合金薄膜的高度匕和其中鍺的比例a控制N型摻雜鍺薄膜的厚度，想得到較厚的N型摻雜鍺薄膜可以增加匕和a的數(shù)值，想降低N型摻雜鍺薄膜的厚度則可以降低匕和a的數(shù)值。人們可以通過式⑶中的參數(shù)1、1!1、隊(duì)、112和3來調(diào)節(jié)N型摻雜鍺薄膜中的元素?fù)诫s濃度，通過提高NphJP 1的數(shù)值，降低h 2和a的數(shù)值可以提高N型摻雜鍺薄膜中的元素?fù)诫s濃度；通過降低％、hjP N2的數(shù)值，提高h(yuǎn) 2和a的數(shù)值可降低N型摻雜鍺薄膜中的元素?fù)诫s濃度；從而得到合適的N型摻雜鍺薄膜的厚度和元素?fù)诫s濃度。
[0025]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):通過在頂層硅或鍺硅合金薄膜中摻入雜質(zhì)原子，然后再進(jìn)行鍺濃縮，一方面提高了鍺中的N型摻雜濃度，另一方面，長(zhǎng)時(shí)間的氧化退火過程及時(shí)地修復(fù)了由于離子注入或者外延生長(zhǎng)過程中帶來的晶體損傷，使得制備得到的N型摻雜鍺具有更高的晶體質(zhì)量；同時(shí)高溫退火也提高了鍺薄膜中載流子的激活率。制備得到的絕緣層上N型摻雜鍺材料具有制備工藝與硅CMOS工藝相兼容，可以降低生產(chǎn)成本；通過設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)可以制備得到不同摻雜濃度的N型GOI材料，并且制備得到的N型摻雜濃度高于現(xiàn)有技術(shù)。
【附圖說明】
[0026]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0027]圖1本發(fā)明絕緣層上高濃度N型摻雜薄鍺材料結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2本發(fā)明絕緣層上高濃度N型摻雜薄鍺材料制作方法示意圖。
[0029]其中1.硅襯底；2.埋層Si02;3.N型摻雜鍺薄膜；4.由氧化生成的S1 2層。
【具體