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S12层的多层结构。所述S12埋层的厚度为400nm ;所述顶层娃厚度为15nm ;所述Si盖层厚度为 1nm0
[0028]实施例3
[0029]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为自下而上依次包含有硅衬底层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的多层结构，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磷元素，所述掺杂元素的浓度为2.2X 102°cm_3。
[0030]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:
[0031]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，掺杂元素为磷元素，所述磷元素的掺杂浓度为2X 119CnT3;
[0032]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磷元素，其掺杂浓度为2 X 1019cm_3。
[0033]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S12层的多层结构。所述S12埋层的厚度为400nm ;所述顶层娃厚度为15nm ;所述Si盖层厚度为 1nm0
[0034]本实用新型在制作过程的步骤三)中，表面的Si盖层首先与氧气反应生成了S12，它起到了保护锗硅薄膜中锗原子的作用，即避免了锗硅薄膜中的锗原子直接与氧气接触生成容易挥发的GeO和GeO2物质；由于锗硅的氧化具有选择性氧化Si形成S12，而Ge不被氧化，向SOI衬底的S12埋层2扩散的特点，最终锗硅层以及顶层Si中的Si原子被氧化耗尽，形成S1Jl 4，锗硅层中的锗原子被留下来形成了一层纯Ge层，与此同时，由于杂质原子处在S12埋层2与由Si氧化生成的S1Jl 4之间，不被氧化，也不会扩散到S12之外的区域，因此杂质原子也留在了锗层中，形成了具有较高浓度的N型掺杂浓度的Ge薄膜。
[0035]在本实用新型中最终形成的N型掺杂Ge层中的N型掺杂浓度可通过多种形式进行控制，具体方法如下:
[0036]设顶层硅中掺杂元素的浓度为N1，顶层硅的厚度为h1;锗硅合金薄膜中的掺杂元素的浓度为N2，锗硅合金薄膜的厚度为h2，锗硅合金薄膜中锗组分为a (O SaS I);得到的绝缘层上薄锗材料中的N型掺杂锗薄膜层中掺杂元素的浓度为N3, N型掺杂锗薄膜层厚度为h3;则有如下公式:
[0037]h3=h2Xa (I);
[0038]N1XhjN2Xh2=N3Xh3 (2)；
[0039]根据式(I)和式(2)可得N3= (NiXh^N2Xh2)ZOi2Xa) (3)；
[0040]根据式(3)可知:人们可以通过控制顶层硅中掺杂元素的浓度N1，顶层硅的厚度h1;锗娃合金薄膜中的掺杂元素的浓度N2，锗娃合金薄膜的厚度h2，锗娃合金薄膜中锗的组分a(0 < a < I)来控制最终形成的绝缘层上薄锗材料的N型掺杂锗薄膜层中掺杂元素的浓度乂和N型掺杂锗薄膜层厚度h 30
[0041]人们可以通过调节锗硅合金薄膜的厚度匕和其中锗的组分a控制N型掺杂锗薄膜层的厚度，想得到较厚的N型掺杂锗薄膜层可以增加匕和a的数值，想降低N型掺杂锗薄膜层的厚度则可以降低hjP a的数值。人们可以通过式(3)中的参数Np hP N2,匕和a来调节N型掺杂锗薄膜层中的元素掺杂浓度，通过提高％、匕和\的数值，降低h 2和a的数值可以提高N型掺杂锗薄膜层中的杂质元素掺杂浓度；通过降低N1AjP N 2的数值，提高匕和a的数值可降低N型掺杂锗薄膜层中的元素掺杂浓度；从而得到合适的N型掺杂锗薄膜层的厚度和杂质元素掺杂浓度。
[0042]本实用新型通过在顶层硅或SiGe合金薄膜中掺入杂质原子，然后再进行锗浓缩，一方面提高了最终形成的锗薄膜中的N型掺杂浓度，另一方面，长时间的氧化退火过程及时地修复了由于离子注入或者外延生长过程中带来的晶体损伤，使得制备得到的N型掺杂锗具有更高的晶体质量；同时高温退火也提高了锗薄膜中载流子的激活率。制备得到的绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构具有制备工艺与硅CMOS工艺相兼容，可以降低生产成本；通过设计不同的结构可以制备得到不同掺杂浓度的N型GOI材料，并且制备得到的N型掺杂浓度高于现有技术。
[0043]以上所述实施例仅仅是本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。
【主权项】
1.一种绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构，其特征在于，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5102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< 30nm ;所述N型掺杂锗薄膜层中掺杂元素的浓度多1017cm_3。
2.如权利要求1所述的绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构，其特征在于，所述N型掺杂锗薄膜层中掺杂元素为磷元素、硼元素或铺元素。
3.如权利要求1所述的绝缘层上高浓度N型掺杂薄锗材料结构，其特征在于，所述S12埋层的厚度为400nm，所述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，所述掺杂元素的浓度为2.2X 102°cm_3。
【专利摘要】本实用新型公开了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SiO2埋层、N型掺杂锗薄膜层和由Si氧化生成的SiO2层，所述SiO2埋层的厚度≥200nm，N型掺杂锗薄膜层的厚度为≤30nm；N型掺杂锗薄膜层中掺杂元素为磷元素、砷元素或锑元素，掺杂元素的浓度≥1017cm-3。本实用新型的N型掺杂锗具有更高的晶体质量和掺杂浓度，锗薄膜中载流子的激活率也较高。
【IPC分类】H01L21-22, H01L29-36, H01L21-324
【公开号】CN204481030
【申请号】CN201520149937
【发明人】黄诗浩, 陈佳新, 谢文明, 林抒毅, 聂明星, 邵明, 林承华, 蒋新华
【申请人】福建工程学院
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年3月17日