[发明专利]选区SiGeSn层及其形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体薄膜制造领域，具体涉及一种选区SiGeSn层及其形成方法。

背景技术

随着微电子技术的发展，器件尺寸的不断缩小，Si材料较低的迁移率已成为制约器件性能的主要因素。为了不断提升器件的性能，必须采用更高迁移率的沟道材料。目前研究的主要技术方案为：采用Ge材料做PMOSFET器件的沟道材料，III-V化合物半导体材料为NMOSFET器件的沟道材料。Ge具有四倍于Si的空穴迁移率，随着研究的不断深入，Ge沟道MOSFET中的技术难点逐一被攻克。与Ge相兼容的Ge_1－xSn_x合金（GeSn）是一种IV族半导体材料，具有良好的电学特性。首先，应变GeSn材料具有比Ge更高的空穴迁移率，具有应用于PMOSFET器件沟道的前景；其次，当以Ge材料为沟道时，在源漏中填充GeSn合金，可以在Ge沟道中引入单轴压应变，大幅度提升Ge沟道的性能，当沟道长度在纳米尺度时，其性能提升尤为明显；第三，理论计算结果表明，当x>0.11时，应变Ge_1－xSn_x合金将成为一种直接带隙的半导体，这使得GeSn合金逐渐成为Si基集成光电子学中的一个新的研究热点。并且，GeSn合金与硅的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺具有良好的兼容性。

然而，直接生长高质量高Sn含量的GeSn合金非常困难。首先，Sn在Ge中的平衡固溶度小于1%（约为0.3%）；其次，Sn的表面能比Ge小，非常容易发生表面分凝；再次，Ge和α-Sn具有很大的晶格失配(14.7%)。为了抑制Sn的表面分凝，提高Sn的含量，可在材料生长时掺入一定量的Si，形成SiGeSn层。Si的晶格常数比Ge小，而Sn的晶格常数比Ge大，通过在GeSn合金中掺入Si，可以提高GeSn合金的稳定性。

在生长SiGeSn材料时，通常采用的方法为分子束外延（MBE）。其中，现有的MBE工艺生长SiGeSn材料的过程为：先在衬底上外延生长一层SiGe缓冲层，再外延SiGeSn薄膜。该方法可得到晶体质量较好的SiGeSn薄膜，但设备昂贵，生长过程较为费时，成本高，在大规模生产中将受到一定限制。

也有人采用化学气相淀积（CVD）工艺生长SiGeSn薄膜，但工艺不稳定，制得的SiGeSn薄膜质量较差，热稳定性不佳，Sn易分凝，成本也较高。

发明内容

本发明的目的在于至少解决上述技术缺陷之一，特别是提供一种简单易行且成本低的选区SiGeSn层及其形成方法。

为实现上述目的，本发明第一方面实施例的选区SiGeSn层的形成方法可以包括以下步骤：提供顶部具有SiGe层的衬底；在所述SiGe层表面形成掩膜，并在所述掩膜上形成开口；向所述SiGe层表层注入含有Sn元素的原子、分子、离子或等离子体，以在开口位置形成SiGeSn层。

根据本发明实施例的选区SiGeSn层的形成方法可以得到厚度较薄、质量较好的SiGeSn层，具有简单易行、成本低的优点。

在本发明的一个实施例中，所述注入的方法包括离子注入。

在本发明的一个实施例中，所述离子注入包括等离子体源离子注入和等离子体浸没离子注入。

在本发明的一个实施例中，所述注入的方法包括磁控溅射。

在本发明的一个实施例中，在利用所述磁控溅射注入的过程中，在所述衬底上加载负偏压。

在本发明的一个实施例中，还包括，去除所述磁控溅射在所述SiGeSn层之上形成的Sn薄膜。

在本发明的一个实施例中，利用对SiGeSn和Sn具有高腐蚀选择比的溶液清洗以去除所述Sn薄膜。

在本发明的一个实施例中，所述注入的过程中对所述衬底加热，加热温度为100-600℃。

在本发明的一个实施例中，还包括，在所述注入之后，对所述SiGeSn层退火，退火温度为100-600℃。

在本发明的一个实施例中，所述SiGeSn层为应变SiGeSn层。

在本发明的一个实施例中，所述应变SiGeSn层的厚度为0.5-100nm。

在本发明的一个实施例中，所述应变SiGeSn层中Sn的原子百分含量小于20%。

在本发明的一个实施例中，所述顶部具有SiGe层的衬底包括：绝缘体上SiGe衬底、表层为SiGe薄膜的Si衬底或Ge衬底。

为实现上述目的，本发明第二方面实施例的选区SiGeSn层，采用上文公开的方法形成。