專利名稱：化學氣相淀積生長摻碳硅鍺合金緩沖層及生長鍺薄膜方法
技術領域：
本發(fā)明涉及采用化學氣相淀積(CVD)方法在Si襯底上制備鍺(Ge)組分漸變的摻碳的硅鍺合金(Si1-xGex:C)緩沖層、繼而在Si1-xGex:C緩沖層上外延生長單晶Ge薄膜的方法。
背景技術：
作為第一代半導體材料，Ge和Si相比具有載流子遷移率高的優(yōu)勢；在Si上外延生長Ge和高Ge組分的Si1-xGex合金，可以用于具有高截止頻率(＞100G Hz)的Si1-xGex/Si異質結雙極型晶體管和長波長光電探測器等新型器件的制造和研究。
Ge和Si之間存在4.2％的晶格失配和5.6％的熱失配，直接在Si襯底上外延獲得的Ge薄膜存在高密度的結構缺陷、單晶及光電性質較差、薄膜厚度低于臨界厚度等缺點，因而難以投入實際應用。因此，外延生長緩沖層以減小晶格失配和熱失配是獲得高質量單晶Ge薄膜的有效途徑。
目前，常見的緩沖層為Ge組分漸變的Si1-xGex合金緩沖層。該方法通過在生長多層Si1-xGex合金中不斷提高Ge源的流量來保持外延薄膜中Ge組分恒定的漸變速率，繼而實現高Ge組分Si1-xGex合金薄膜及單晶Ge薄膜的外延。緩沖層的存在，在Si襯底上形成一系列的低失配界面，實現位錯密度和熱失配的遞減，從而實現連續(xù)的應變弛豫。但是該方法對反應氣源的流量精確控制有較高的要求，且工序復雜、成本較高。
在本發(fā)明中，我們采用CVD方法、通過反應氣源與由Si襯底向表面外擴的Si在較高溫度下發(fā)生反應，從而形成Ge組分漸變的Si1-xGex:C合金緩沖層，繼而在該緩沖層上進行外延、獲得了具有較高晶體質量的單晶Ge薄膜。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是在Si襯底上用CVD方法生長Ge組分漸變的Si1-xGex:C合金薄膜作為緩沖層，繼而實現較高晶體質量的單晶Ge薄膜的CVD外延生長。
本發(fā)明的技術解決方案是在適當反應溫度下，通過反應氣源與襯底外擴的Si發(fā)生反應，形成Ge組分漸變的Si1-xGex:C合金，以之作為緩沖層外延生長Ge薄膜。具體言之在700～850℃的襯底溫度下，以GeH4、C2H4為反應氣源，保持腔體壓強10～100Pa，C2H4分壓0.01～0.15Pa，GeH4分壓0.10～1.10Pa，氣源與襯底外擴的Si發(fā)生外延反應，結合外延層中的Ge向襯底擴散，最終在襯底表面生長一層Ge組分漸變的Si1-xGex:C緩沖層，緩沖層的厚度為0.5～10微米；繼而生長Ge薄膜；尤其是在400～600℃下保持腔體壓強15～100Pa，GeH4分壓0.17～1.11Pa，在Ge組分漸變的Si1-xGex:C緩沖層上外延Ge薄膜。
本發(fā)明的機理和特點是用CVD方法在Si襯底上外延生長高質量單晶Ge薄膜，首先用CVD方法制備Ge組分漸變的Si1-xGex:C合金作為緩沖層。該緩沖層包括較高的生長溫度導致由襯底向表面擴散的Si與反應氣源(GeH4、C2H4)發(fā)生反應生成的Si1-xGex:C外延層和Si1-xGex:C外延層中的金屬Ge原子向襯底方向擴散以填補Si向表面擴散所留下的空位所形成的Si1-xGex層；該緩沖層是Ge組分漸變的Si1-xGex:C緩沖層，在Si襯底上形成一系列的低失配界面，實現位錯密度和熱失配的遞減，從而實現連續(xù)的應變弛豫，使外延Ge薄膜中的晶體缺陷大大減少，為獲得高質量的單晶Ge薄膜提供了可能；在Si1-xGex合金中摻入少量C(＜1020at.cm-3)可以有效抑制Si1-xGex中B原子的擴散，從而有效提高器件性能；C的摻入還可以調節(jié)Si、Ge間的應變，實現應變弛豫，以提高緩沖層的晶體質量。
四

圖1為本發(fā)明中Ge組分漸變的Si1-xGex:C緩沖層的生長示意圖，圖1(a)為Si1-xGex:C外延層中的金屬Ge原子向襯底方向擴散，圖1(b)為CVD外延的Si1-xGex:C薄膜之下形成Si1-xGex層，圖1(c)為Si襯底上獲得了Ge組分漸變的Si1-xGex:C緩沖層；圖2為本發(fā)明Ge/Si1-xGex:C/Si樣品的俄歇電子能譜圖3為本發(fā)明的Ge/Si1-xGex:C/Si樣品的X射線衍射譜(XRD)圖4為本發(fā)明Ge/Si樣品和Ge/Si1-xGex:C/Si樣品的拉曼散射譜五具體實施方式
圖1中，對Si1-xGex:C緩沖層的生長過程作如下描述在樣品表面，Si與反應氣源(GeH4、C2H4)發(fā)生反應生成Si1-xGex:C薄膜，較高的生長溫度導致襯底中的Si原子向表面擴散、從而維持樣品表面Si1-xGex:C薄膜外延生長的進行(如圖1(a)所示)；同時，Si1-xGex:C外延層中的金屬Ge原子向襯底方向擴散，以填補Si向表面擴散所留下的空位，因而在CVD外延的Si1-xGex:C薄膜之下形成Si1-xGex層(如圖1(b)所示)。上述生長過程的結果是在Si襯底上獲得了Ge組分漸變的Si1-xGex:C緩沖層(如圖1(c)所示)。
本發(fā)明采用CVD方法，生長使用鍺烷(GeH4)作為鍺源，乙烯(C2H4)作為碳源，氫氣作為載氣，襯底使用Si(100)晶片。
本發(fā)明方案主要包括下面步驟1、生長前首先清洗Si襯底，再用稀釋的氫氟酸溶液(HF∶H2O＝1∶10)去除襯底表面的自然氧化層，最后將Si襯底用高純氮氣吹干、放入CVD反應腔中。
2、在700～850℃的襯底溫度下，保持腔體壓強10～100Pa，C2H4分壓0.01～0.15Pa，GeH4分壓0.10～1.10Pa，GeH4、C2H4與襯底外擴的Si發(fā)生外延反應，結合外延層中的Ge向襯底擴散，最終在襯底表面生長一層Ge組分漸變的Si1-xGex:C緩沖層。緩沖層的厚度控制由生長時間來決定，一般為0.5～10微米；襯底溫度的范圍700～850℃無顯著影響。
3、在400～600℃下保持腔體壓強15～100Pa，GeH4分壓0.17～1.11Pa，在Ge組分漸變的Si1-xGex:C緩沖層上外延Ge薄膜，從而獲得Ge/Si1-xGex:C/Si結構。
通過上述方法，本發(fā)明成功地獲得了具有較高晶體質量的單晶Ge薄膜，具體表征如下Ge/Si1-xGex:C/Si樣品的俄歇電子能譜(圖2)顯示了薄膜中Ge、Si、C的原子濃度由表面至襯底的變化趨勢，從中可以看出Ge組分漸變的Si1-xGex:C緩沖層及其上外延Ge薄膜的雙層結構。緩沖層中Ge的原子濃度最高達90％，而外延Ge薄膜中Ge的原子濃度接近100％(排除測量中背景噪音所致的誤差)，厚度約為60nm(由濺射速率和濺射時間得到)、遠超過在Si上直接外延Ge薄膜的臨界厚度。
圖3為Ge/Si1-xGex:C/Si樣品的X射線衍射譜(XRD)。2θ＝65.9°處的衍射峰對應于Ge外延層的Ge(400)Kα衍射峰，相比于源自外延層的其它峰、該衍射峰強度大且半峰寬(FWHM)很小，表明所得的Ge薄膜的晶體取向較單一、晶體質量較高。而直接在Si襯底上外延所得Ge薄膜樣品(Ge/Si)的XRD譜中，沒有觀察到任何與Ge相關的特征衍射峰。兩個樣品XRD結果的差異表明Ge和Si之間的晶格失配使得在Si上直接生長厚度大于臨界厚度的Ge薄膜時、所得外延薄膜的晶體質量很差，而在Si上先制備Si1-xGex:C緩沖層、再生長Ge外延層則可以有效提高Ge薄膜的結晶質量。
圖4顯示了Ge/Si樣品和Ge/Si1-xGex:C/Si樣品的拉曼散射(Raman)測量結果。其中均可以觀測到來自襯底的Si-Si峰(520cm-1，FWHM＝5cm-1)和來自Ge外延層的Ge-Ge峰(301cm-1)，而兩者的Ge-Ge峰強度及半峰寬存在較大差異。比較發(fā)現Ge/Si1-xGex:C/Si樣品Ge-Ge峰的強度和半峰寬(FWHM＝7cm-1)均與Si-Si峰相當；相比之下Ge/Si樣品的Ge-Ge峰強度很低、半峰寬(FWHM＝19cm-1)較大。這表明在Si1-xGex:C緩沖層上外延所得Ge薄膜的晶體質量明顯優(yōu)于直接在Si上外延所得的Ge薄膜。這與XRD對外延Ge薄膜晶體質量的評價結果相符。
在室溫下(300K)對Ge/Si1-xGex:C/Si樣品進行了霍爾效應測量，結果顯示所得Ge薄膜的導電類型為n型，載流子濃度為1.0×1019cm-3時、霍爾遷移率μ＝300cm2/V·s。該數值明顯高于同等摻雜濃度下n型體Si材料的電子遷移率，與同等摻雜濃度下體Ge材料的電子遷移率相當。這表明在Si1-xGex:C緩沖層上外延所得Ge薄膜材料具有較為理想的電學輸運性質。
本發(fā)明采用CVD方法，通過嚴格控制反應溫度和反應氣體分壓，在Si(100)襯底上生長Ge組分漸變的Si1-xGex:C合金作為緩沖層，繼而在其上外延獲得了晶體質量較高的Ge薄膜。本發(fā)明的碳源無特殊要求，CH4、C2H4、C2H6等均可。
權利要求
1.化學氣相淀積生長摻碳硅鍺合金緩沖層及生長鍺薄膜方法，以CVD方法在Si襯底上外延生長高質量單晶Ge薄膜的方法，其特征是在700～850℃的襯底溫度下，以GeH4為Ge反應氣源，以CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6或C3H8為C反應氣源；保持腔體壓強10～100Pa，C反應氣源的分壓0.01～0.15Pa，Ge反應氣源的分壓0.10～1.10Pa，氣源與襯底外擴的Si發(fā)生外延反應，結合外延層中的Ge向襯底擴散，最終在襯底表面生長一層Ge組分漸變的Si1-xGex:C緩沖層，緩沖層的厚度為0.5～10微米；繼而生長Ge薄膜。
2.由權利要求1所述的化學氣相淀積生長摻碳硅鍺合金緩沖層及生長鍺薄膜方法，其特征是在400～600℃下保持腔體壓強15～100Pa，GeH4分壓0.17～1.11Pa，在Ge組分漸變的Si1-xGex:C緩沖層上外延Ge薄膜。
全文摘要
化學氣相淀積生長摻碳硅鍺合金緩沖層及生長鍺薄膜方法，在700～850℃的襯底溫度下，以GeH
文檔編號C23C16/52GK1800445SQ200510095459
公開日2006年7月12日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權日2005年11月17日
發(fā)明者韓平, 王榮華, 夏冬梅, 劉成祥, 謝自力, 趙紅, 修向前, 朱順明, 顧書林, 施毅, 張 榮, 鄭有炓 申請人:南京大學