一种绝缘层上高浓度n型掺杂薄锗材料结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于材料领域，尤其涉及一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构。
【背景技术】
[0002]锗材料具有比硅材料更高的载流子迀移率，并且在光通信波段(1.55 μ m)有较高的吸收系数，是制备高性能微电子及光电子器件的理想材料之一；同时，由于锗材料的制备工艺与成熟的硅CMOS工艺相兼容，因此锗器件在硅基光电集成方面的应用具有成本上的优势。
[0003]绝缘层上锗材料(GOI)具有体锗材料无法比拟的优点:一方面，GOI材料的制备技术是在顶层锗和硅衬底层之间引入了一层埋层氧化层，相比于体锗材料，它更不容易脆裂；另一方面，埋层氧化层的引入可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除CMOS电路中的寄生闩锁效应；同时，采用GOI材料制备的集成电路还具有寄生电容小、速度快、工艺简单及短沟道效应小等优势。
[0004]在GOI器件的制造工艺中，对锗层进行N型掺杂是一道十分重要的工艺。通过提高绝缘层上锗材料的N型掺杂浓度不仅可以解决目前Ge的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)源-漏极接触电阻高的问题，进而提高Ge的N型MOSFET的性能；而且在光电子器件制备方面也大有裨益:一方面，有利于制备高性能的Ge PIN光电探测器，另一方面，高浓度的N型掺杂填充了 Ge材料的间接带隙，有利于提高Ge材料的直接带发光效率，进而制备具有高效发光性能的Ge激光器件。
[0005]目前在顶层Ge薄膜中进行N型掺杂主要有以下几种方法:一是通过原位掺杂的方法，即在外延锗薄膜的过程中，掺入N型杂质原子，可以得到约为2X1019cnT3的N型掺杂浓度，但是该方法得到的材料其表面粗糙，杂质激活度低，晶体质量差，不利于器件性能的提高；二是通过离子注入的方法提高N型掺杂浓度，但是通过离子注入到体锗材料损伤了锗的晶格完整性，而这种损伤很难通过后续的退火工艺完全修复，并且该方法还存在杂质扩散快，杂质损耗问题严重等缺点；三是采用气体浸入激光掺杂技术可以在GOI材料上掺杂η型浓度为lxl02°cm_3的杂质，气体浸入激光掺杂技术的缺点是:集成工艺复杂，技术尚不成熟，设备昂贵，制备成本较高。
[0006]因此，提供一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构，在微电子及光电子领域中的应用实属必要。
【实用新型内容】
[0007]为克服上述问题本实用新型提供了一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构。本实用新型的绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构使得N型掺杂锗具有更高的晶体质量，也提高了锗薄膜中载流子的激活率。
[0008]为实现上述目的，本实用新型的技术方案是:
[0009]一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构，所述绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构自下而上依次为硅衬底层、阻止N型杂质原子向硅衬底层扩散的S12埋层、N型掺杂锗薄膜层和由Si氧化生成的S1Jl，所述S12埋层的厚度彡200nm，N型掺杂锗薄膜层的厚度为彡30nmo
[0010]进一步的改进，所述N型掺杂锗薄膜层中掺杂元素为磷元素、砷元素或锑元素，所述掺杂元素的浓度彡117CnT3。
[0011]进一步的改进，所述S12埋层的厚度为400nm，N型掺杂锗薄膜层的厚度为20nm ；所述N型掺杂锗薄膜层中掺杂元素为磷元素、砷元素或锑元素，所述掺杂元素的浓度为2.2 X 12W30
[0012]本实用新型的绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构使得N型掺杂锗具有更高的晶体质量，也提高了锗薄膜中载流子的激活率。
【附图说明】
[0013]下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述:
[0014]图1本实用新型绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构结构示意图。
[0015]其中1.硅衬底层；2.S12埋层；3.N型掺杂锗薄膜层；4.由Si氧化生成的S1jl。
【具体实施方式】
:
[0016]实施例1
[0017]如图1所示的一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构，所述绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构自下而上依次为硅衬底层1、阻止N型杂质原子向硅衬底层扩散的S12埋层2、N型掺杂锗薄膜层3和由Si氧化生成的S1 2层4，所述S1 2埋层2的厚度为200nm, N型惨杂错薄I旲层3的厚度为30nm ;所述N型惨杂错薄I旲层3中惨杂兀素为神兀素，所述掺杂元素的浓度为5X1017cm_3。
[0018]上述绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构的制作方法，包括如下步骤:
[0019]步骤一)放置材料:放入SOI衬底，所述SOI衬底自下而上依次为硅衬底层、S12埋层和顶层硅；所述顶层硅为N型掺杂硅，其厚度为1nm ;所述N型掺杂硅是通过离子注入的方式得到，掺杂元素为砷元素，所述砷元素的掺杂浓度为5X 116CnT3;
[0020]步骤二)材料外延:在SOI衬底的顶层娃上依次外延合金薄膜及Si盖层；所述Si盖层厚度为10nm。所述合金薄膜为N型掺杂锗硅合金薄膜，其厚度为150nm，其锗组分为0.2 ;所述N型掺杂锗硅合金薄膜掺杂元素为砷元素，其掺杂浓度为5X1016cm_3。
[0021]步骤三)锗浓缩:将样品置于1000°C氧气环境中高温氧化1min再置于1000°C的氮气环境中高温退火40min ;重复所述高温氧化和高温退火步骤至所述锗硅合金薄膜中锗组分为0.5-0.6 ;然后将样品置于700°C氧气环境中中温氧化lOmin，再置于700°C氮气环境中中温退火40min，重复所述中温氧化和中温退火步骤至所述合金薄膜中锗组分为I ;最终形成自下而上依次包含有硅衬底层、S12埋层、N型掺杂锗薄膜层和由Si氧化生成的S1Jl的多层结构。所述S12埋层的厚度为200nm。
[0022]实施例2
[0023]如图1所示的一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构，所述绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构自下而上依次为硅衬底层1、阻止N型杂质原子向硅衬底层扩散的S12埋层2、N型掺杂锗薄膜层3和由Si氧化生成的S1 2层4，所述S1 2埋层2的厚度为400nm，N型掺杂锗薄膜层3的厚度为20nm ;所述N型掺杂锗薄膜层中掺杂元素为锑元素，所述掺杂元素的浓度为2.2X 102°cm_3。
[0024]上述绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构的制作方法，包括如下步骤:
[0025]步骤一)放置材料:放入SOI衬底，所述SOI衬底自下而上依次为硅衬底层、S12埋层和顶层硅；所述顶层硅为N型掺杂硅，其厚度为15nm ;所述N型掺杂硅是通过离子注入的方式得到，掺杂元素为锑元素，所述锑元素的掺杂浓度为2X 119CnT3;
[0026]步骤二)材料外延:在SOI衬底的顶层娃上依次外延合金薄膜及Si盖层；所述合金薄膜为N型掺杂锗硅合金薄膜，其厚度为lOOnm，其锗组分为0.2 ;所述N型掺杂锗硅合金薄膜掺杂元素为锑元素，其掺杂浓度为2 X 1019cm_3。
[0027]步骤三)锗浓缩:将样品置于1000°C氧气环境中高温氧化40min再置于1000°C的氮气环境中高温退火SOmin ;重复所述高温氧化和高温退火步骤至所述锗硅合金薄膜中锗组分为0.5-0.6 ;然后将样品置于900°C氧气环境中中温氧化40min，再置于900°C氮气环境中中温退火80min，重复所述中温氧化和中温退