專利名稱：鍺基贗砷化鎵襯底的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用MOCVD外延、低溫緩沖層技術(shù)來生長與鍺晶格匹配的贗砷化鎵襯底的制備方法。
背景技術(shù)：
鍺基III-V族化合物半導(dǎo)體材料的制備開始于上世紀(jì)80年代，并且一直是異質(zhì)外延的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因?yàn)殒N的機(jī)械強(qiáng)度高、價(jià)格低、工藝成熟、高效率/質(zhì)量比等優(yōu)點(diǎn)，GaAs/ Ge的外延主要是針對(duì)太陽能電池為目標(biāo)。然而，由于砷化鎵與鍺材料較小的晶格失配(大約-0. 08% )和較小的熱膨脹系數(shù)差(鍺5X ΙΟΙ-1砷化鎵5. 75X ΙΟΙ—1)，進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著微電子和光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以Ge作為緩沖層制備高質(zhì)量的硅基III-V族化合物半導(dǎo)體材料變得尤為重要。根據(jù)國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖(ITRS2009)的預(yù)測(cè)，2012年MPU的物理柵長將縮小到22納米。然而，隨著集成電路技術(shù)發(fā)展到22納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)及以下時(shí)，硅集成電路技術(shù)在速度、功耗、集成度、可靠性等方面將受到一系列基本物理問題和工藝技術(shù)問題的限制，并且昂貴的生產(chǎn)線建設(shè)和制造成本使集成電路產(chǎn)業(yè)面臨巨大的投資風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)的硅 CMOS技術(shù)采用“縮小尺寸”來實(shí)現(xiàn)更小、更快、更廉價(jià)的邏輯與存儲(chǔ)器件的發(fā)展模式已經(jīng)難以持續(xù)。因此，ITRS清楚地指出，“后22納米” CMOS技術(shù)將采用全新的材料、器件結(jié)構(gòu)和集成技術(shù)，集成電路技術(shù)將在“后22納米”時(shí)代面臨重大技術(shù)跨越及轉(zhuǎn)型。III-V族半導(dǎo)體的電子遷移率遠(yuǎn)大于硅(GaAs、InAs的電子遷移率分別可達(dá)到 9000cm2/ (V · s) ,40000cm2/ (V · s)，而硅的只有1300cm2/ (V · s))，它們?cè)诘蛨?chǎng)和高場(chǎng)下都具有優(yōu)異的電子輸運(yùn)性能，是超高速、低功耗nMOS的理想溝道材料。為了應(yīng)對(duì)集成電路技術(shù)所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，采用與硅工藝兼容的高遷移率III-V族半導(dǎo)體材料代替硅溝道，以大幅提高邏輯電路的開關(guān)速度并實(shí)現(xiàn)低功耗工作研究已成為近期全球微電子領(lǐng)域的前言和執(zhí)占。同時(shí)，硅材料作為微電子技術(shù)的基礎(chǔ)，是最為廣泛研究的半導(dǎo)體材料；硅加工技術(shù)的成熟程度遠(yuǎn)高于III-V族化合物半導(dǎo)體材料。然而，硅基發(fā)光問題一直沒有得到很好地解決。考慮到基于GaAS、InP襯底的成熟的光電子技術(shù)，硅基III-V族化合物半導(dǎo)體激光器的制備是解決硅基光互連問題的一個(gè)可行性方案。在Si襯底上外延高質(zhì)量的III-V族半導(dǎo)體材料是制備Si基微電子器件和發(fā)光器件的前提。GaAs是研究較為成熟的III-V族材料，本方法采用GaAs作為III-V的代表來研究外延問題。Si和GaAs的晶格適配較大(4. 1% )，熱失配較大(Si和GaAs的熱膨脹系數(shù)分別為2. 59 X 10- -1, 5. 75 X 10- -1)，因此在異質(zhì)外延時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)。這樣需用Ge 作為緩沖層是解決GaAs/Si外延的一個(gè)有效途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種鍺基贗砷化鎵襯底的制備方法，該方法可制備高質(zhì)量鍺基贗砷化鎵材料，為Si基GaAs器件奠定襯底基礎(chǔ)，特別是高遷移微電子器件和解決硅基發(fā)光提供了一種可行方案。該方法通過MOCVD外延技術(shù)并結(jié)合改變?cè)系牡蜏鼐彌_層外延與鍺匹配的贗砷化鎵層，抑制了 GaAs/Si界面失配位錯(cuò)和APD向外延層的延伸；低生長速率的控制可以有效地控制缺陷，從而得到高質(zhì)量的鍺基贗砷化鎵材料。本發(fā)明提供一種鍺基贗砷化鎵襯底的制備方法，包括以下步驟步驟1 清洗鍺襯底，放入MOCVD設(shè)備的反應(yīng)室；步驟2 采用700°C高溫處理鍺襯底；步驟3 采用MOCVD的方法，在鍺襯底上外延生長緩沖層；步驟4 在緩沖層上，生長贗GaAs層，完成材料的制備。本發(fā)明的特點(diǎn)是1、用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延與低溫緩沖層技術(shù)結(jié)合，在鍺襯底生長高質(zhì)量的贗砷化鎵異質(zhì)外延層，使GaAs/Ge界面的失配位錯(cuò)和反相疇邊界在界面得到抑制。2、通過改變生長原料，降低生長溫度，優(yōu)化生長速率等其他參數(shù)，減少異質(zhì)界面的缺陷，提高外延層的質(zhì)量。3、在GaAs頂層是摻入h源，得到低銦組分的與鍺襯底晶格匹配的贗砷化鎵層是抑制缺陷的主要步驟。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1為鍺襯底上生長緩沖層后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為生長完贗層后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為鍺基砷化鎵的HRXRD圖(圖中數(shù)值為半高寬)。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1、圖2所示，本發(fā)明提供一種鍺基贗砷化鎵襯底的制備方法，包括以下步驟步驟1 清洗鍺襯底1，放入MOCVD設(shè)備的反應(yīng)室；其中鍺襯底1為η型低阻(001) 鍺，偏[110] 4°，電阻率在0. 01-0. 1歐姆 厘米；清洗鍺襯底1是采用5%的HF和5%的 H2O2循環(huán)洗三遍，最后用5%的HF清洗，每種溶液的清洗時(shí)間是30s ；5%的HF的作用是去掉氧化物，5%的H2A的作用是氧化Ge的表面，經(jīng)過循環(huán)的氧化與去氧化物，得到的是粗糙度低、新鮮的Ge表面。步驟2 采用700°C高溫處理鍺襯底1，高溫處理20min，去除出鍺襯底1放入反應(yīng)室之前的氧化物，并且在Ge的表面形成穩(wěn)定的雙原子臺(tái)階。步驟3 采用MOCVD的方法，在鍺襯底1上外延生長緩沖層2 ；其中，生長緩沖層 2的條件是，反應(yīng)室壓力IOOmBar,叔丁基二氫砷和三乙基鎵為原料，生長過程中叔丁基二氫砷和三乙基鎵的輸入摩爾流量比V/III在40-50之間，生長速率在0. 1-0. 3nm/s,厚度 IOOnm,溫度在400-450°C，溫度下降到生長溫度后，先通叔丁基二氫砷5min，來形成As的預(yù)生長層抑制反相疇。
步驟4 在緩沖層2上，生長贗GaAs層3，完成材料的制備；其中，生長贗GaAs層3， 即與Ge晶格匹配的InGaAs層( 組分極少，大約為1. 1 ，其生長條件是，砷烷、三甲基銦和三甲基鎵為原料，生長過程中輸入摩爾流量比V/III在30-50之間，溫度為620-650°C， 生長速率為0. 5-1. Onm/s,厚度為2微米；其中，緩沖層2和贗GaAs層3為用雙硅烷重?fù)诫s， 摻雜濃度大于lX1018cm_3。本方法中采用偏角度的鍺襯底，并以叔丁基二氫砷和三乙基鎵代替通常采用的砷烷和三甲基鎵，降低生長溫度，降低生長速率，促進(jìn)APB的自消除效應(yīng)的產(chǎn)生；叔丁基二氫砷和三乙基鎵的分解溫度遠(yuǎn)低于砷烷和三甲基鎵，因此可以在較低的溫度下進(jìn)行材料的外延生長，并且，較低的溫度可以限制鍺和GaAs界面的互擴(kuò)散問題。同時(shí)，在生長頂層砷化鎵時(shí)，加入少量的銦源，以抵消鍺襯底和砷化鎵的晶格失配(見圖3鍺基砷化鎵HRXRD圖)和熱膨脹系數(shù)造成的缺陷。這樣得到高質(zhì)量MGaAs層(In的組分大約0.011)的帶隙、折射率、載流子遷移率等光電性質(zhì)與純GaAs材料大致近似，但是有稍微的差別，故稱為贗砷化鏡(pseudo gallium arsenide)0以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鍺基贗砷化鎵襯底的制備方法，包括以下步驟步驟1 清洗鍺襯底，放入MOCVD設(shè)備的反應(yīng)室；步驟2 采用700°C高溫處理鍺襯底；步驟3 采用MOCVD的方法，在鍺襯底上外延生長緩沖層；步驟4 在緩沖層上，生長贗GaAs層，完成材料的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍺基贗砷化鎵襯底的制備方法，其中鍺襯底為η型低阻 (001)鍺，偏[110]4°，電阻率為0. 01-0. 1歐姆·厘米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍺基贗砷化鎵襯底的制備方法，其中清洗是采用5%的HF和 5%的H2A循環(huán)洗三遍，最后用5%的HF清洗，每種溶液的清洗時(shí)間是30s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍺基贗砷化鎵襯底的制備方法，其中高溫處理鍺襯底的時(shí)間是 20mino
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍺基贗砷化鎵襯底的制備方法，其中緩沖層的材料為GaAs， 贗GaAs層的材料為與Ge晶格匹配的InGaAs。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鍺基贗砷化鎵襯底的制備方法，其中生長緩沖層的條件是， 反應(yīng)室壓力IOOmBar,叔丁基二氫砷和三乙基鎵為原料，生長過程中叔丁基二氫砷和三乙基鎵的輸入摩爾流量比V/III在40-50之間，生長速率在0. 1-0. 3nm/s,厚度lOOnm，溫度在 400-450°C溫度下降到生長溫度后，先通叔丁基二氫砷5min。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鍺基贗砷化鎵襯底的制備方法，其中生長贗GaAs層，即與Ge 晶格匹配的InGaAs層，其生長條件是，砷烷、三甲基銦和三甲基鎵為原料，生長過程中輸入摩爾流量比V/III在30-50之間，溫度為620-650°C，生長速率為0. 5-1. Onm/s,厚度為2微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鍺基贗砷化鎵襯底的制備方法，其中緩沖層和贗GaAs層為用雙硅烷重?fù)诫s，摻雜濃度大于1 X 1018cm_3。
全文摘要
一種鍺基贗砷化鎵襯底的制備方法，包括以下步驟步驟1清洗鍺襯底，放入MOCVD設(shè)備的反應(yīng)室；步驟2采用700℃高溫處理鍺襯底；步驟3采用MOCVD的方法，在鍺襯底上外延生長緩沖層；步驟4在緩沖層上，生長贗GaAs層，完成材料的制備。其是通過MOCVD外延技術(shù)并結(jié)合改變?cè)系牡蜏鼐彌_層外延與鍺匹配的贗砷化鎵層，抑制了GaAs/Si界面失配位錯(cuò)和APD向外延層的延伸；低生長速率的控制可以有效地控制缺陷，從而得到高質(zhì)量的鍺基贗砷化鎵材料。
文檔編號(hào)H01L21/205GK102543693SQ20121005730
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者于紅艷, 周旭亮, 朱洪亮, 潘教青, 王圩 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所