半導(dǎo)體硅鍺薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體薄膜，尤其涉及一種半導(dǎo)體硅鍺薄膜，該半導(dǎo)體薄膜可應(yīng)用于光電微機械電子系統(tǒng)領(lǐng)域中。
【背景技術(shù)】
[0002]硅和鍺是電子傳輸器件中常用的兩種半導(dǎo)體材料。由硅和鍺兩種材料構(gòu)成的硅鍺合金薄膜作為先進的硅系統(tǒng)材料，受到越來越廣泛的應(yīng)用。硅鍺合金薄膜材料主要用來提高半導(dǎo)體器件中的電子和空穴迀移率，例如金屬氧化物場效應(yīng)管(Metal，OxideSemiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)，調(diào)制慘雜場效應(yīng)管(Modulat1nDoped Field Effect Transistor, M0DFET)和慘雜溝道場效應(yīng)管(Doped Channel FieldEffect Transistor, DCFET)等。另外，娃鍺薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)也被用于量子效應(yīng)器件中，例如共振隧道二極管(Resonant Tunneling D1de, RTD)，它非常有希望成為下一代高速娃系統(tǒng)器件。
[0003]把娃鍺半導(dǎo)體薄膜材料應(yīng)用于光電微電子機械系統(tǒng)(Micro Electro MechanicalSystems, MEMS)領(lǐng)域有著巨大的需求，但是關(guān)于這方面的報道卻很少。通過控制硅鍺合金薄膜的成分可以控制它的某些性能，比如電學(xué)性能、機械性能以及光學(xué)性能等，這些性能對于光電MEMS來講是非常重要的方面。為了更好的發(fā)揮MEMS光學(xué)方面的性能，制備高質(zhì)量的硅鍺薄膜以及了解它們的機械性能是非常有必要的。
[0004]現(xiàn)有的硅鍺合金薄膜廣泛采用電沉積、化學(xué)氣相沉積、磁控濺射沉積技術(shù)和離子束沉積(1n Beam Deposit1n, IBD)技術(shù)來進行制備，
[0005]電沉積的文獻可以參考專利號為ZL201010301123.0的中國發(fā)明專利《硅鍺合金薄膜材料的制備方法》(授權(quán)公告號為CN101880901B)。
[0006]化學(xué)氣相沉積的文獻可以參考申請?zhí)枮?01410581435.X的中國發(fā)明專利申請公開《摻氧非晶硅鍺薄膜、異質(zhì)結(jié)晶體硅太陽能電池及制備方法》(申請公布號CN104393121A)。
[0007]磁控濺射沉積技術(shù)和離子束沉積都存在一定的局限性，主要體現(xiàn)在磁控濺射沉積技術(shù)會刻蝕跑道以及靶材表面容易產(chǎn)生中毒現(xiàn)象。而離子束沉積技術(shù)通過傾斜方式發(fā)射離子束，會降低靶材的使用壽命；逸出的離子束會對腔室材料形成濺射，污染所需要的硅鍺薄膜；速率較低，對較厚的硅鍺薄膜材料沉積困難。
[0008]光電MEMS要求相應(yīng)的半導(dǎo)體薄膜材料具有優(yōu)良的物理特性，而材料成分的不同深刻的影響著薄膜的各項性能。如何精確的控制薄膜的成分以及獲得優(yōu)異的物理性能是沉積半導(dǎo)體薄膜的關(guān)鍵技術(shù)。
[0009]文南犬 I “Fabricat1n of silicon/germanium superlattice by 1n beamsputtering, Vacuum, Vol.66, DEC 2011, p457_462.” 公開了一種利用離子束沉積方法在娃基底上生長半導(dǎo)體硅鍺薄膜的方法，沉積了 300nm厚度的硅鍺雙分層薄膜，從給出的原子力顯微鏡三維圖形中看出，它的粗糙度為1.08nm。
[0010]文南犬 2 “Structural and electrical studies of ultrathin layers withS1.7Ge0.3nanocrystals confined in a SiGe/Si02superlattice, Journal of AppliedPhysics, Vol.lll,0CT2012,p.104323-1—104323-4.” 公開了一種利用射頻磁控濺射沉積技術(shù)制備硅鍺薄膜的方法，該方法利用共濺的方式，制備了較薄的硅鍺薄膜，獲得了較好的結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性，但是這一方式難以對薄膜的成分進行精確控制，同時靶材的利用率也不高，降低了靶材的壽命，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。
[0011]磁控濺射沉積技術(shù)由于采用了環(huán)狀磁場，會迫使二次電子跳欄式的沿著環(huán)狀磁場轉(zhuǎn)圈。相應(yīng)的，環(huán)狀磁場控制的區(qū)域是等離子體密度最高的部位，這樣會在靶材上面濺射出一條環(huán)狀的溝槽，造成刻蝕跑道的情況，溝槽一旦穿過靶材，就會使得整塊靶材報廢，因此會導(dǎo)致靶材的利用率不高，而磁控濺射沉積技術(shù)所采用的等離子體由于不穩(wěn)定，會造成靶材表面的不均勻刻蝕，產(chǎn)生中毒現(xiàn)象，中毒區(qū)域濺射不可避免導(dǎo)致成膜摻雜，這樣會降低所制備的薄膜的純度。
[0012]離子束沉積技術(shù)通過傾斜方式發(fā)射離子束，造成整塊靶材刻蝕不均勻，這樣會降低靶材的使用壽命；離子束由于發(fā)生逸出現(xiàn)象，逸出的離子束會對真空腔室材料產(chǎn)生濺射作用，產(chǎn)生雜質(zhì)離子，污染所制備的硅鍺薄膜；由于離子束轟擊到的靶材面積太小，造成沉積速率較低，對較厚的硅鍺薄膜材料沉積困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述的技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種利用偏置靶材離子束沉積實現(xiàn)半導(dǎo)體硅鍺薄膜的制備方法。
[0014]本發(fā)明所要解決的又一個技術(shù)問題是靶材的使用壽命長的半導(dǎo)體硅鍺薄膜的制備方法。
[0015]本發(fā)明所要解決的又一個技術(shù)問題是提高薄膜的純度的半導(dǎo)體硅鍺薄膜的制備方法。
[0016]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種半導(dǎo)體硅鍺薄膜的制備方法，其特征在于包括如下步驟:
[0017]①用丙酮對單晶硅基片進行超聲清洗5?lOmin，然后用甲醇超聲清洗5?lOmin，再次用異丙醇超聲清洗5?lOmin，最后用去離子水反復(fù)沖洗，干燥后將單晶娃基片置于襯底臺上；
[0018]②將沉積系統(tǒng)的真空室抽真空至8X 10 8?9X 10 8Torr,使腔室溫度保持在室溫20?30°C，并維持真空室壓強維持在8X 10-8?9X 10_8Torr ；
[0019]③在單晶硅基片上濺射硅的單一薄膜，濺射壓強為4X10 4?5X10 4Torr,負極偏置電壓為600?700V，濺射氣體為氬氣，氣體流量為30sccm?50sccm，濺射時間30?50min，測得所沉積薄膜的厚度，計算得到當前參數(shù)下硅薄膜的沉積速率；
[0020]④另取一單晶硅基片，濺射鍺的單一薄膜，濺射壓強為4X10 4?5X10 4Torr,負極偏置電壓為600?700V，濺射氣體為氬氣，氣體流量為30sccm?50sccm，濺射時間30?50min，測得所沉積薄膜的厚度，計算得到當前參數(shù)下鍺薄膜的沉積速率；
[0021]⑤采用共濺的方法，在又一單晶硅基片沉積不同成分的硅鍺合金薄膜，濺射壓強為4 X 10 4?5 X 10 4Torr,負極偏置電壓為600?700V，濺射氣體為氬氣，氣體流量為30sccm?50sccm，派射時間為30?50min，測得所沉積薄膜的厚度，得到具有不同成分比的娃鍺合金薄膜；
[0022]上述步驟③、步驟④和步驟⑤中的濺射壓強、負極偏置電壓、氣體流量及濺射時間均保持一致。
[0023]作為優(yōu)選，所述硅鍺合金薄膜中硅鍺質(zhì)量配比為3:4?2:5。
[0024]作為優(yōu)選，所述娃鍺合金薄膜的厚度為64nm?280nm。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:采用偏置靶材離子束沉積，結(jié)合了離子束沉積技術(shù)和磁控濺射沉積技術(shù)的優(yōu)點，能夠有效克服磁控濺射沉積技術(shù)和離子束沉積技術(shù)兩者的缺點，非常適合硅鍺等半導(dǎo)體薄膜的制備。具體如下:
[0026]偏置靶材離子束沉積采用將靶材通上負偏置電壓的方法來控制等離子體，不會造成刻蝕跑道和刻蝕不均勻的情況，能夠有效提高靶材的使用壽命。
[0027]偏置靶材離子束沉積采用低能量的等離子體源，性能非常穩(wěn)定，不會造成靶材表面的不均勻刻蝕，避免了中毒現(xiàn)象的發(fā)生，有效提高了所制備的薄膜的純度。
[0028]偏置靶材離子束沉積由于發(fā)射的等離子體能量非常低，逸出的離子束不會對真空腔室產(chǎn)生濺射作用，提高了所制備薄膜的純度。
[0029]偏置靶材離子束沉積在靶材附近安裝了等離子護套，它能夠加快正離子進入護套的速度，從而保證離子束轟擊的面積大于靶材的面積，并且可以通過調(diào)節(jié)電壓來調(diào)節(jié)沉積速率，能夠獲得較高的沉積速率，可以沉積較厚的薄膜材料。
[0030]偏置靶材離子束沉積通過選擇合適的電壓值，借助于電壓對濺射彈射能量的影響，能夠?qū)Ρ∧そ唤缑娴脑踊旌弦约氨∧さ恼w粗糙度進行有效的調(diào)節(jié)。
[0031]通過控制偏置電壓和沉積時間，在硅片上制備具有不同成分的硅鍺合金薄膜，所制備出的娃鍺合金薄膜的粗糙度由現(xiàn)有技術(shù)的1.08nm減小到0.46nm。
【附圖說明】
[0032]圖1為實施例1中獲得的硅鍺合金薄膜在原子力顯微鏡測試下的表面二維顯微照片。
[0033]圖2為實施例1中獲得的硅鍺合金薄膜在原子力顯微鏡測試下的表面三維形貌圖。
【具體實施方式】
[0034]以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0035]實施例1，
[0036](I)首先用丙酮對單晶娃基片進行超聲清洗lO