專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高鍺組分鍺硅虛襯底的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅基鍺硅虛襯底生長(zhǎng)技術(shù)，特別是指一種在硅襯底上生長(zhǎng)晶體質(zhì) 量好、馳豫度高、鍺組分高的鍺硅虛襯底的生長(zhǎng)方法。
背景技術(shù)：
應(yīng)變硅、應(yīng)變鍺、應(yīng)變鍺硅薄膜具有比體材料高的遷移率，能夠提高半導(dǎo)體電子器 件的性能(如提高開(kāi)關(guān)速度，降低閾值電壓，降低暗電流密度等)，近年來(lái)得到了廣泛的研 究與應(yīng)用。這些應(yīng)變薄膜具有較高的遷移率的物理原因是應(yīng)力改變了材料的能帶結(jié)構(gòu)以及 降低了電子、空穴有效質(zhì)量。為了得到這些應(yīng)變薄膜，制備高質(zhì)量的馳豫鍺硅虛襯底是至關(guān)重要的，尤其是硅 基的鍺硅虛襯底。制備高質(zhì)量的馳豫鍺硅虛襯底的困難主要在于鍺和硅之間的晶格失配 很大，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生高密度的穿透位錯(cuò)；尤其是對(duì)于高鍺組分的鍺硅薄膜(鍺組分> 50% )。 目前生長(zhǎng)高鍺組分硅基鍺硅虛襯底的常見(jiàn)方法有(1)用分子束外延或化學(xué)氣相淀積的方 法，首先生長(zhǎng)Ge組分逐漸增加的SiGe過(guò)渡層(Buffer層)，使應(yīng)變逐漸釋放，以獲得位錯(cuò)密 度低的Buffer層，然后在其上生長(zhǎng)應(yīng)變弛豫的SiGe外延層。該方法可以生長(zhǎng)晶格質(zhì)量很 好的鍺硅材料，位錯(cuò)密度可以達(dá)到106cm-2量級(jí)，但是由于表面會(huì)有很大的起伏，必須在生 長(zhǎng)后或生長(zhǎng)中間插入化學(xué)機(jī)械拋光工藝流程，制作的工藝復(fù)雜耗時(shí)，而且為了獲得好的晶 體質(zhì)量，SiGe Buffer層中Ge組分的增加速度必須低于0. 1/y m，所以SiGe組分漸變層的 厚度大，這樣的材料不利于制作集成器件。(2)往硅襯底注入離子，“撐大”硅襯底生長(zhǎng)平面 的晶格常數(shù)，然后再在這樣的硅襯底上外延生長(zhǎng)鍺硅薄膜。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，能 生長(zhǎng)厚度較薄的鍺硅薄膜；缺點(diǎn)是外延出來(lái)的鍺硅薄膜穿透位錯(cuò)密度大。(3)制備“絕緣體 上的鍺硅薄膜”(SG0I)。目前最成熟的制備SG0I工藝是注氧隔離技術(shù)，這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是 操作簡(jiǎn)單、工藝成熟。缺點(diǎn)是需要生長(zhǎng)很厚的鍺組分漸變鍺硅層、需使用昂貴的大束流注氧 機(jī)、鍺組分一般小于14%。1999年人們提出了生長(zhǎng)硅基鍺材料的兩步生長(zhǎng)法，他們首先在硅襯底上生長(zhǎng)低溫 的鍺過(guò)渡層，然后在過(guò)渡層上高溫生長(zhǎng)鍺材料。這種技術(shù)可以將硅、鍺之間大部分的晶格失 配位錯(cuò)釋放在低溫鍺過(guò)渡層，從而保證了高溫鍺薄膜的質(zhì)量。通過(guò)研究，我們也掌握了這種 方法，在硅上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的鍺薄膜。受此啟發(fā)，我們創(chuàng)造性的將這種方法應(yīng)用于生長(zhǎng)鍺硅虛襯底。通過(guò)摸索生長(zhǎng)工藝 條件，最終得到馳豫度高、質(zhì)量好(表面粗糙度低、穿透位錯(cuò)密度低)、厚度薄(利于光電集 成)的鍺硅虛襯底。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專(zhuān)利提供一種硅襯底上生長(zhǎng)高鍺組分(鍺組分> 50% )鍺硅虛襯底的技 術(shù)，以滿(mǎn)足通過(guò)應(yīng)變硅、應(yīng)變鍺、應(yīng)變鍺硅薄膜提高半導(dǎo)體器件性能的要求；本發(fā)明克服了 目前一些制備高鍺組分鍺硅虛襯底技術(shù)厚度厚、表面質(zhì)量差等缺點(diǎn)。
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本發(fā)明的技術(shù)方案是采用化學(xué)氣相淀積或者分子束外延技術(shù)，選擇合適的溫度， 在硅襯底上生長(zhǎng)鍺緩沖層，再在這個(gè)鍺緩沖層上生長(zhǎng)鍺硅虛襯底。本發(fā)明提供一種硅襯底上的高鍺組分鍺硅虛襯底的生長(zhǎng)方法，包括以下步驟步驟1 在一外延生長(zhǎng)裝置中置入硅襯底；步驟2 在硅襯底上生長(zhǎng)鍺緩沖層；步驟3 在鍺緩沖層上生長(zhǎng)鍺硅虛襯底，鍺的原子組分大于0. 5且小于1。其中步驟2、3生長(zhǎng)生長(zhǎng)鍺緩沖層和生長(zhǎng)鍺硅虛襯底，是采用化學(xué)氣相淀積方法。其中在硅襯底上生長(zhǎng)鍺緩沖層時(shí)，是向外延生長(zhǎng)裝置中通入鍺源氣體，該鍺源氣 體為鍺烷。其中在鍺緩沖層上生長(zhǎng)鍺硅虛襯底時(shí)，是向外延生長(zhǎng)裝置中同時(shí)通入鍺源氣體和 硅源氣體，該鍺源氣體和硅源氣體分別為鍺烷和乙硅烷。其中生長(zhǎng)鍺緩沖層時(shí)的襯底溫度低于400°C。其中生長(zhǎng)鍺硅虛襯底時(shí)的襯底溫度高于420°C。其中通入的乙硅烷和鍺烷氣體的流量比小于1 4。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和特征作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中圖1為在硅襯底上生長(zhǎng)馳豫鍺硅虛襯底的生長(zhǎng)方法材料截面示意圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種高鍺組分鍺硅虛襯底的制備方法，包括以下步 驟步驟1 在一外延生長(zhǎng)裝置中置入硅襯底1 ；步驟2 在硅襯底1上生長(zhǎng)鍺緩沖層2，在硅襯底1上生長(zhǎng)鍺緩沖層2時(shí)，是向 外延生長(zhǎng)裝置中通入鍺源氣體，該鍺源氣體為鍺烷，在生長(zhǎng)鍺緩沖層2時(shí)的襯底溫度低于 400 °C。測(cè)量表明，在290°C襯底溫度下生長(zhǎng)鍺緩沖層2時(shí)，分解了的鍺原子在硅襯底1 上最初為三維島狀生長(zhǎng)模式，但是最終在各種動(dòng)力學(xué)作用下轉(zhuǎn)變?yōu)槎S平面生長(zhǎng)模式，并 形成了表面平整的鍺緩沖層2。鍺緩沖層2厚度大約為60nm時(shí)，表面均方根粗糙度約為 0. 6nm。步驟3 在鍺緩沖層2上生長(zhǎng)鍺硅虛襯底3，鍺的原子組分大于0. 5且小于1，在生 長(zhǎng)鍺硅虛襯底3時(shí)的襯底溫度高于420°C。其中在鍺緩沖層2上生長(zhǎng)鍺硅虛襯底3時(shí)，是向 外延生長(zhǎng)裝置中同時(shí)通入鍺源氣體和硅源氣體，該鍺源氣體和硅源氣體分別為鍺烷和乙硅 烷，所述通入的乙硅烷和鍺烷氣體的流量比小于1 4。測(cè)量結(jié)果如下在600°C襯底溫度下生長(zhǎng)鍺硅虛襯底3，當(dāng)鍺烷流量為Ssccm、乙硅 烷流量為0. 6sccm時(shí)，鍺硅虛襯底3的鍺原子組分為90%，馳豫度為90%，位錯(cuò)密度約為 104cm_2 (通過(guò)腐蝕坑實(shí)驗(yàn)估算)，表面均方根粗超度為0. 6nm ；鍺烷流量為Ssccm、乙硅烷流 量為lsccm時(shí)，鍺硅虛襯底3的鍺組分為85%，馳豫度為83%，位錯(cuò)密度約為104cm_2，表面均方根粗超度為0. 8nm。其中所述的步驟2、3生長(zhǎng)生長(zhǎng)鍺緩沖層2和生長(zhǎng)鍺硅虛襯底3，是采用化學(xué)氣相淀 積方法。在上述的描述中，已充分公開(kāi)了本發(fā)明的新的特性和優(yōu)點(diǎn)。然而，這個(gè)公開(kāi)在許多 方面僅僅是說(shuō)明性的，而不是限制性的。在此公開(kāi)的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員完全可以在 不超出本發(fā)明范圍的情況下，在細(xì)節(jié)上或布置方面進(jìn)行變化，包括對(duì)本發(fā)明的各種特征和 優(yōu)點(diǎn)的組合或分開(kāi)使用。
權(quán)利要求
一種硅襯底上的高鍺組分鍺硅虛襯底的生長(zhǎng)方法，包括以下步驟步驟1在一外延生長(zhǎng)裝置中置入硅襯底；步驟2在硅襯底上生長(zhǎng)鍺緩沖層；步驟3在鍺緩沖層上生長(zhǎng)鍺硅虛襯底，鍺的原子組分大于0.5且小于1。
2.如權(quán)利要求1所述的硅襯底上的高鍺組分鍺硅虛襯底生長(zhǎng)方法，其中步驟2、3生長(zhǎng) 生長(zhǎng)鍺緩沖層和生長(zhǎng)鍺硅虛襯底，是采用化學(xué)氣相淀積方法。
3.如權(quán)利要求1所述的硅襯底上的高鍺組分鍺硅虛襯底生長(zhǎng)方法，其中在硅襯底上生 長(zhǎng)鍺緩沖層時(shí)，是向外延生長(zhǎng)裝置中通入鍺源氣體，該鍺源氣體為鍺烷。
4.如權(quán)利要求1所述的硅襯底上的高鍺組分鍺硅虛襯底生長(zhǎng)方法，其中在鍺緩沖層上 生長(zhǎng)鍺硅虛襯底時(shí)，是向外延生長(zhǎng)裝置中同時(shí)通入鍺源氣體和硅源氣體，該鍺源氣體和硅 源氣體分別為鍺烷和乙硅烷。
5.如權(quán)利要求1或2所述的硅襯底上的高鍺組分鍺硅虛襯底生長(zhǎng)方法，其中生長(zhǎng)鍺緩 沖層時(shí)的襯底溫度低于400°C。
6.如權(quán)利要求1或3所述的硅襯底上的高鍺組分鍺硅虛襯底生長(zhǎng)方法，其中生長(zhǎng)鍺硅 虛襯底時(shí)的襯底溫度高于420°C。
7.如權(quán)利要求4所述的硅襯底上的高鍺組分鍺硅虛襯底生長(zhǎng)方法，其中通入的乙硅烷 和鍺烷氣體的流量比小于1 4。
全文摘要
本發(fā)明提供一種硅襯底上的高鍺組分鍺硅虛襯底的生長(zhǎng)方法，包括以下步驟步驟1在一外延生長(zhǎng)裝置中置入硅襯底；步驟2在硅襯底上生長(zhǎng)鍺緩沖層；步驟3在鍺緩沖層上生長(zhǎng)鍺硅虛襯底，鍺的原子組分大于0.5且小于1。
文檔編號(hào)H01L21/205GK101866835SQ20101018338
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者張廣澤, 成步文, 王啟明, 胡煒玄, 薛春來(lái) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所