專利名稱：張應變鍺薄膜的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及半導體技術領域，更具體地說，涉及一種張應變鍺薄膜。
背景技術：
張應變能夠改變半導體材料的能帶結構，降低禁帶寬度并提高載流子遷移率，從而提高器件的總體性能。張應變鍺薄膜在金屬-氧化物-半導體場效應晶體管、光電探測器、發(fā)光管以及激光器中將得到廣泛的應用。然而，張應變鍺薄膜的制備方法仍在探索中。張應變鍺(Ge)薄膜的制備方法通常有如下幾種:一是在硅(Si)襯底上直接生長Ge薄膜。Si和Ge熱膨脹系數(shù)的不同在Ge薄膜中產(chǎn)生張應變。由于熱膨脹系數(shù)失配有限，且材料承受的最高溫度必須低于其熔點，Ge薄膜中的最大張應變僅能達到0.3%。二是在鍺錫(GeSn)緩沖層上生長Ge薄膜。GeSn緩沖層的晶格常數(shù)比Ge的大，共格生長在GeSn緩沖層上的Ge薄膜中的張應變隨著GeSn緩沖層中錫(Sn)組份的增加而增加。然而，Ge和Sn的相互平衡固溶度都小于1%，并且Sn的表面自由能比Ge的小，Sn容易分凝到表面。制備高Sn組份、高質量GeSn緩沖層很困難。在GeSn緩沖層上生長Ge薄膜獲得的張應變不足1.0%。三是在砷化鎵(GaAs)襯底上利用銦鎵砷(InGaAs)緩沖層來生長Ge薄膜。InGaAs緩沖層的晶格常數(shù)比Ge的大，且隨著銦(In)組份的增加而增大，完全應變Ge薄膜中的張應變達到2.33%，然而，該方法使用了II1- V族材料，不能與成熟的Si工藝兼容。四是采用機械應變方法，通過外加機械應變彎曲鍺晶圓，在鍺中引入張應變。該方法的局限性是無法應用于Si材料的集成芯片，并且直接對鍺晶圓作用，Ge晶圓的厚度大，獲得的張應變較小。同時，上述鍺薄膜還存在張應變大小不能精確控制的缺陷。綜上，現(xiàn)有技術的鍺薄膜存在獲得的張應變不夠大、張應變大小不能精確控制、材質與硅不兼容的缺陷。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的上述鍺薄膜存在獲得的張應變不夠大、張應變大小不能精確控制、材質與硅不兼容缺陷，提供一種張應變鍺薄膜。本實用新型的張應變鍺薄膜克服了上述缺陷，將應變薄膜中的壓應變轉移到含Ge薄膜中，使應變薄膜中的壓應變得到弛豫，而含Ge薄膜受到張應變；且含Ge薄膜和應變薄膜都與Si兼容；制得的張應變鍺薄膜的張應變介于0.7-1.5%之間，且與Si兼容。另外，由于含Ge薄膜下面部分區(qū)域的襯底已被去除，襯底對含Ge薄膜應變的影響被限制。這樣，含Ge薄膜中的張應變主要與其厚度以及應變薄膜的厚度和壓應變大小有關:當應變薄膜的厚度和壓應變一定時，含Ge薄膜中的張應變隨其厚度的減小而增加；當含Ge薄膜的厚度一定時，含Ge薄膜中的張應變隨應變薄膜的厚度和壓應變的增加而增加；這樣使得含Ge薄膜中張應變的大小可以精確控制。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:構造一種張應變鍺薄膜，包括含Ge薄膜1、及覆蓋于所述含Ge薄膜I上、用于在壓應變弛豫的過程中將應變轉移給所述含Ge薄膜1、使所述含Ge薄膜I受到張應變的應變薄膜2，其中，所述應變薄膜2的厚度大于所述含Ge薄膜I的厚度。在本實用新型所述的張應變鍺薄膜中，所述張應變鍺薄膜還包括襯底3，所述含Ge薄膜I覆蓋于所述襯底3上，所述應變薄膜2覆蓋于所述含Ge薄膜I上。在本實用新型所述的張應變鍺薄膜中，所述襯底3包括硅襯底或者絕緣體上的硅襯底。在本實用新型所述的張應變鍺薄膜中，所述襯底3上腐蝕形成有孔4。在本實用新型所述的張應變鍺薄膜中，所述孔4為其深度等于所述襯底3厚度的通孔，所述應變薄膜2設于所述孔4內(nèi)、且覆蓋在所述含Ge薄膜I上。在本實用新型所述的張應變鍺薄膜中，所述襯底3包括Si基底31、覆蓋在所述Si基底31上的埋層Si0232、以及覆蓋在所述埋層Si0232上的頂層Si33，所述孔4在所述Si基底31上形成、且所述孔4的深度等于所述Si基底31的厚度；所述含Ge薄膜I位于所述應變薄膜2和所述襯底3之間。在本實用新型所述的張應變鍺薄膜中，所述孔4的底部的面積小于所述含Ge薄膜I的面積。在本實用新型所述的張應變鍺薄膜中，所述含Ge薄膜I包括Ge單質層、Si^yGey合金層或者Ge1=Snz合金層，其中，y=0.8 I, z=0 0.1。在本實用新型所述的張 應變鍺薄膜中，所述含Ge薄膜I的橫向尺度小于200微米，厚度介于5 1000納米。在本實用新型所述的張應變鍺薄膜中，所述應變薄膜2包括氮化硅薄膜、碳化硅薄膜、碳氮化硅薄膜、氮化硼薄膜或者鎢薄膜。實施本實用新型的張應變鍺薄膜，具有以下有益效果:將應變薄膜中的壓應變轉移到含Ge薄膜中，使應變薄膜中的壓應變得到弛豫，而含Ge薄膜受到張應變；且含Ge薄膜和應變薄膜都與Si兼容；制得的張應變鍺薄膜的張應變介于0.7-1.5%之間，且與Si兼容。另外，由于含Ge薄膜下面部分區(qū)域的襯底已被去除，襯底對含Ge薄膜應變的影響被限制。這樣，含Ge薄膜中的張應變主要與其厚度以及應變薄膜的厚度和壓應變大小有關:當應變薄膜的厚度和壓應變一定時，含Ge薄膜中的張應變隨其厚度的減小而增加；當含Ge薄膜的厚度一定時，含Ge薄膜中的張應變隨應變薄膜的厚度和壓應變的增加而增加；這樣使得含Ge薄膜中張應變的大小可以精確控制。

下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中:圖1是本實用新型張應變鍺薄膜第一實施例中襯底的結構示意圖；圖2是本實用新型張應變鍺薄膜第一實施例中的含Ge薄膜覆蓋于襯底上的結構示意圖；圖3是圖2中襯底上腐蝕形成孔的結構示意圖；圖4是在圖3的孔內(nèi)設置應變薄膜、形成張應變鍺薄膜的結構示意圖；圖5是本實用新型張應變鍺薄膜第二實施例中襯底的結構示意圖；圖6是本實用新型張應變鍺薄膜第二實施例中的含Ge薄膜覆蓋于襯底上的結構示意圖；圖7是圖6中襯底上腐蝕形成孔的結構示意圖；圖8是本實用新型張應變鍺薄膜第二實施例形成的張應變鍺薄膜的結構示意圖；圖9是本實用新型張應變鍺薄膜實施例的含Ge薄膜的張應變與厚度的關系圖；圖中:1-含 Ge 薄膜；2-應變薄膜；3-襯底；31-Si 基底，32-埋層 SiO2, 33-頂層 Si ；4-孔。
具體實施方式
為了對本實用新型的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細說明本實用新型的具體實施方式
。實施例1如圖1-圖4所示，在本實用新型的張應變鍺薄膜第一實施例中，包括含Ge薄膜1、及覆蓋于含Ge薄膜I上、用于在壓應變弛豫的過程中將應變轉移給含Ge薄膜1、使含Ge薄膜I受到張應變的應變薄膜2，其中，應變薄膜2的厚度大于含Ge薄膜I的厚度。在制備本實施例張應變鍺薄膜時，包括以下步驟:準備一襯底3 ;在襯底3特定區(qū)域上制備一含Ge薄膜I ;去除含Ge薄膜I下面部分區(qū)域的襯底3 ;制備一應變薄膜2，覆蓋含Ge薄膜I。應變薄膜2在壓應變弛豫的過程中將應變轉移給含Ge薄膜1，使含Ge薄膜I受到張應變。進一步講制備本實施例張應變鍺薄膜的步驟:1、襯底3的準備:如圖1所示，圖1是本實施例中襯底3的結構示意圖。本實施例中，襯底3為硅襯底，優(yōu)選地，可以采用標準的Si晶圓。當然，在其它的實施例中，襯底3也可以是絕緣體上的硅襯底(SOI)，優(yōu)選采用SOI晶圓。2、含Ge薄膜I的制備:如圖2所示，圖2是本實施例中的含Ge薄膜I覆蓋于襯底3上的結構示意圖。含Ge薄膜I由平面外延、選擇性外延或者鍵合的方法制備。其中，外延設備包括化學氣相沉積(CVD)和分子束外延(MBE)，生長源包括鍺烷、乙鍺烷和固態(tài)鍺源。含Ge薄膜I包括Ge單質層、Si1Jey合金層或者GepzSnz合金層,其中，y=0.8 I，Z=0 0.1。含Ge薄膜I的橫向尺度小于200微米，厚度介于5 1000納米。本實施例中，含Ge薄膜I為Ge單質層，其橫向尺度為150微米，厚度為200納米。當然，在其它的實施例中:Ge薄膜I也可以是上述的合金層；含Ge薄膜I的橫向尺度也可以是100微米、50微米等小于200微米的其它數(shù)值，厚度也可以是5納米、1000納米、500納米等介于5 1000納米間的其它數(shù)值；其它與本實施例相同，不再贅述。3、部分區(qū)域襯底3的去除:如圖3所示，圖3是圖2中襯底3上腐蝕形成孔4的結構示意圖。含Ge薄膜I制備完畢并覆蓋在襯底3上后，在襯底3上腐蝕形成孔4，采用四甲基氫氧化銨(TMAH)、氫氧化鉀(KOH)等溶液濕法腐蝕襯底3 ;腐蝕時需要保留的部分采用光刻膠、金屬、氧化物等材料保護。并且，孔4的底部的面積小于含Ge薄膜I的面積。本實施例中，腐蝕深度為襯底3的厚度，當然，在其它的實施例中，腐蝕深度也可以為襯底3的部分厚度。去除襯底3的目的是限制襯底3對含Ge薄膜I張應變的影響。4、應變薄膜2的制備:如圖4所示，圖4是在圖3的孔4內(nèi)設置應變薄膜2、形成張應變鍺薄膜的結構示意圖。應變薄膜2包括氮化硅薄膜、碳化硅薄膜、碳氮化硅薄膜、氮化硼薄膜或者鎢薄膜，采用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)、磁控濺射等設備制備得到。例如，采用PECVD生長氮化硅薄膜(應變薄膜2)，或者是采用磁控濺射生長鎢薄膜(應變薄膜2)。應變薄膜2從表面或者背面覆蓋在含Ge薄膜I上。由于材料本身的特性和生長工藝條件的影響，氮化硅、鎢等材料中存在應變；同時由于應變薄膜2的厚度比含Ge薄膜I的大；因此，應變薄膜2中的應變弛豫時將應變轉移到含Ge薄膜I中，使含Ge薄膜I受到張應變，應變薄膜2在應變弛豫過程中，可以是完全弛豫，也可以是部分弛豫。本實施例中，應變薄膜2設于孔4內(nèi)、且覆蓋在含Ge薄膜I上。下面以一個具體的例子講述本實施例的張應變鍺薄膜的制備過程:制備目的:在Si襯底3上制備厚度為200納米，直徑為150微米、張應變?yōu)?.0%的含Ge薄膜I。制備過程:標準Si襯底3經(jīng)過化學清洗后傳入CVD生長室，生長源為鍺烷。先在300度生長50納米Ge薄膜，再在600度生長150納米Ge薄膜，最后得到的含Ge薄膜I的總厚度為200納米。采用光刻、干法刻蝕的方法形成直徑為150微米、高度為200納米的圓形Ge臺面，完成特定區(qū)域含含Ge薄膜I的制備。隨后，利用光刻膠保護，采用TMAH從背部腐蝕Si襯底3，直至腐蝕到Ge(TMAH不腐蝕Ge)，形成孔4。被腐蝕的Si襯底3位于Ge臺面正下方，直徑為100微米。這樣Ge臺面的中間懸空，四周懸掛在Si襯底3上。最后，采用PECVD在Ge臺面的背面生長500納米厚的氮化硅(應變薄膜2)，也即在孔4內(nèi)生長500納米厚的氮化硅，使得氮化硅的壓應變達到1.5%。氮化硅中的壓應變轉移給含Ge薄膜1，含Ge薄膜I受到的張應變達到1.0%。實施例2如圖5-圖8所示，在本實用新型的張應變鍺薄膜第二實施例中，包括含Ge薄膜1、及覆蓋于含Ge薄膜I上、用于在壓應變弛豫的過程中將應變轉移給含Ge薄膜1、使含Ge薄膜I受到張應變的應變薄膜2，其中，應變薄膜2的厚度大于含Ge薄膜I的厚度。在制備本實施例張應變鍺薄膜時，包括以下步驟:準備一襯底3 ;在襯底3特定區(qū)域上制備一含Ge薄膜I ;去除含Ge薄膜I下面部分區(qū)域的襯底3 ;制備一應變薄膜2，覆蓋含Ge薄膜I。應變薄膜2在壓應變弛豫的過程中將應變轉移給含Ge薄膜1，使含Ge薄膜I受到張應變。進一步講制備本實施例張應變鍺薄膜的步驟:如圖5-圖8所示，圖5是本實施例中襯底3的結構示意圖，圖6是本實施例中的含Ge薄膜I覆蓋于襯底3上的結構示意圖，圖7是圖6中襯底3上腐蝕形成孔的結構示意圖，圖8是本實施例形成的張應變鍺薄膜的結構示意圖。本實施例的襯底3是絕緣體上的硅襯底(SOI)，優(yōu)選采用SOI晶圓。進一步講，襯底3包括Si基底31、覆蓋在Si基底31上的埋層Si0232、以及覆蓋在埋層Si0232上的頂層Si33，孔4在Si基底31上形成、且孔4的深度等于Si基底31的厚度；含Ge薄膜I位于應變薄膜2和襯底3之間。其它與實施例1中的“含Ge薄膜I的制備”、“部分區(qū)域襯底3的去除”和“應變薄膜2的制備”的步驟相同，在此不再贅述。下面以一個具體的例子講述本實施例的張應變鍺薄膜的制備過程:制備目的:在SOI襯底3上制備厚度為200納米，直徑為150微米、張應變?yōu)?.0%的含Ge薄膜I制備過程:標準SOI襯底3經(jīng)過化學清洗后傳入CVD生長室，生長源為鍺烷。先在300度生長50納米Ge薄膜，再在600度生長150納米Ge薄膜，最后得到的含Ge薄膜I的總厚度為200納米。采用光刻、干法刻蝕的方法形成直徑為150微米、高度為200納米的圓形Ge臺面，完成特定區(qū)域含含Ge薄膜I的制備。隨后，利用光刻膠保護，采用TMAH從背部腐蝕Si基底31，直至腐蝕到埋層Si023 2，形成孔4。被腐蝕的Si基底31位于Ge臺面正下方，直徑為100微米。這樣Ge臺面下方剩下埋層Si0232和頂層Si33。最后，采用PECVD在Ge臺面的正面生長500納米厚的氮化硅(應變薄膜2)，也即含Ge薄膜I位于應變薄膜2和SOI襯底3之間，使得氮化硅的壓應變達到1.5%。氮化硅中的壓應變轉移給含Ge薄膜I，含Ge薄膜I受到的張應變達到1.0%。本實施例的張應變鍺薄膜，將應變薄膜2中的壓應變轉移到含Ge薄膜I中，使應變薄膜2中的壓應變得到弛豫，而含Ge薄膜I受到張應變；且含Ge薄膜I和應變薄膜2都與Si兼容；制得的張應變鍺薄膜的張應變介于0.7-1.5%之間，且與Si兼容。另外，由于含Ge薄膜I下面部分區(qū)域的襯底3已被去除，襯底3對含Ge薄膜I應變的影響被限制。這樣，含Ge薄膜I中的張應變主要與其厚度以及應變薄膜2的厚度和壓應變大小有關，請參見圖9，圖9是含Ge薄膜的張應變與厚度的關系圖:當應變薄膜2的厚度和壓應變一定時，含Ge薄膜I中的張應變隨其厚度的減小而增加；當含Ge薄膜I的厚度一定時，含Ge薄膜I中的張應變隨應變薄膜2的厚度和壓應變的增加而增加；這樣使得含Ge薄膜I中張應變的大小可以精確控制。另外，需要說明的是:圖9示出的含Ge薄膜I的張應變與厚度的關系圖中，應變薄膜2為氮化硅，厚度為500納米。在圖9中可以看到，當應變薄膜2的厚度和壓應變一定時，含Ge薄膜I中的張應變隨其厚度的減小而增加，張應變介于0.7-1.5%之間。當然，圖9僅僅是作為實施例展現(xiàn)含Ge薄膜I的張應變與厚度的關系，而含Ge薄膜I的張應變也不限于是介于0.7-1.5%之間；在其它的實施例中，改變氮化硅的厚度，含Ge薄膜I當然也可以改變?yōu)槠渌担热鐬?-2.0%。上面結合附圖對本實用新型的實施例進行了描述，但是本實用新型并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本實用新型的保護之內(nèi)。
權利要求1.一種張應變鍺薄膜，其特征在于，包括含Ge薄膜(I)、及覆蓋于所述含Ge薄膜(I)上、用于在壓應變弛豫的過程中將應變轉移給所述含Ge薄膜(I)、使所述含Ge薄膜(I)受到張應變的應變薄膜(2)，其中，所述應變薄膜(2)的厚度大于所述含Ge薄膜(I)的厚度。
2.根據(jù)權利要求1所述的張應變鍺薄膜，其特征在于，所述張應變鍺薄膜還包括襯底(3)，所述含Ge薄膜(I)覆蓋于所述襯底(3)上，所述應變薄膜(2)覆蓋于所述含Ge薄膜(I)上。
3.根據(jù)權利要求2所述的張應變鍺薄膜，其特征在于，所述襯底(3)包括硅襯底或者絕緣體上的硅襯底。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的張應變鍺薄膜，其特征在于，所述襯底(3)上腐蝕形成有孔⑷。
5.根據(jù)權利要求4所述的張應變鍺薄膜，其特征在于，所述孔(4)為其深度等于所述襯底(3)厚度的通孔，所述應變薄膜(2)設于所述孔(4)內(nèi)、且覆蓋在所述含Ge薄膜(I)上。
6.根據(jù)權利要求4所述的張應變鍺薄膜，其特征在于，所述襯底(3)包括Si基底(31)、覆蓋在所述Si基底(31)上的埋層SiO2 (32)、以及覆蓋在所述埋層SiO2 (32)上的頂層Si(33)，所述孔(4)在所述Si基底(31)上形成、且所述孔(4)的深度等于所述Si基底(31)的厚度；所述含Ge薄膜(I)位于所述應變薄膜(2)和所述襯底(3)之間。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的張應變鍺薄膜，其特征在于，所述孔(4)的底部的面積小于所述含Ge薄膜(I)的面積。
8.根據(jù)權利要求1所述的張應變鍺薄膜，其特征在于，所述含Ge薄膜(I)包括Ge單質層、SihyGey合金層或者GehSnz合金層,其中，y=0.8 I, z=0 0.1。
9.根據(jù)權利要求8所述的張應變鍺薄膜，其特征在于，所述含Ge薄膜(I)的橫向尺度小于200微米，厚度介于5 1000納米。
10.根據(jù)權利要求1所述的張應變鍺薄膜，其特征在于，所述應變薄膜(2)包括氮化硅薄膜、碳化硅薄膜、碳氮化硅薄膜、氮化硼薄膜或者鎢薄膜。
專利摘要本實用新型公開了一種張應變鍺薄膜，包括含Ge薄膜(1)、及覆蓋于所述含Ge薄膜(1)上、用于在壓應變弛豫的過程中將應變轉移給所述含Ge薄膜(1)、使所述含Ge薄膜(1)受到張應變的應變薄膜(2)，其中，所述應變薄膜(2)的厚度大于所述含Ge薄膜(1)的厚度。其有益效果將應變薄膜中的壓應變轉移到含Ge薄膜中，使應變薄膜中的壓應變得到弛豫，而含Ge薄膜受到張應變；且含Ge薄膜和應變薄膜都與Si兼容；制得的張應變鍺薄膜的張應變介于0.7-1.5%之間，且與Si兼容；另外，含Ge薄膜中張應變的大小可以精確控制。
文檔編號H01L29/06GK203055915SQ20122067997
公開日2013年7月10日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權日2012年12月11日
發(fā)明者周志文 申請人:深圳信息職業(yè)技術學院