專利名稱：屈服性襯底上制備外延異質(zhì)晶體和薄膜材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于晶體薄膜或多晶薄膜的制備方法，特別是關(guān)于利用可塑性(或屈服性)超薄(納米尺寸)基底(即襯底)，及利用橫向微型結(jié)構(gòu)來(lái)制備高質(zhì)量無(wú)內(nèi)應(yīng)力的外延異質(zhì)晶體或薄膜材料的方法。
薄膜的生長(zhǎng)和制備工藝是現(xiàn)代半導(dǎo)體和其它新型材料和器件領(lǐng)域一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，比如多晶硅(poly-silicon)的制備就是一個(gè)有廣泛應(yīng)用的薄膜工藝。其方法是在非晶(如玻璃)基底上利用薄膜淀積(deposition)生長(zhǎng)一層非晶硅，然后經(jīng)過(guò)高溫?zé)嵬驶?thermal anneal)來(lái)使非晶硅(或質(zhì)量較差的多晶硅)轉(zhuǎn)變成質(zhì)量較好的多晶硅。為了制備高質(zhì)量的單晶(single crystal)薄膜，則需要依靠外延技術(shù)(epitaxy)在經(jīng)過(guò)嚴(yán)格清洗的單晶基底上生長(zhǎng)。分子束外延(molecular beam epitaxy，or MBE)，化學(xué)氣相淀積(chemical vapordeposition，or CVD)，及金屬有機(jī)氣相外延(metal-organic vapor phaseepitaxy，or MOVPE)等，就是幾種常用的單晶生長(zhǎng)方法。
外延生長(zhǎng)的一個(gè)主要特點(diǎn)是可以控制所生長(zhǎng)的材料在單原子層尺度的精確性，包括其厚度，摻雜濃度等。而且外延材料可以是和基底完全不同的材料(即異質(zhì)外延)。以下是外延生長(zhǎng)的幾個(gè)例子(1)在硅忖底(厚度一般在100微米至500微米之間)上，生長(zhǎng)硅薄膜，其厚度可以在10納米(100埃)至1微米或者更厚；(2)在砷化鎵忖底(厚度一般在100微米至500微米)上生長(zhǎng)砷化鎵或鋁鎵砷(AlGaAs)材料，其厚度可以在10納米至1微米之間或者更厚；(3)在硅的忖底上，生長(zhǎng)鍺硅外延材料，或者碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體材料。
在以上的例子中，例(1)和例(2)的外延材料是同質(zhì)材料(如硅薄膜生長(zhǎng)在硅忖底上)，或晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)(晶體中原子的距離)相同的異質(zhì)材料(如砷化鎵上生長(zhǎng)鎵鋁砷)。其外延材料和忖底材料之間沒(méi)有內(nèi)應(yīng)力，所以外延層的厚度可以從幾個(gè)原子層到幾個(gè)微米。厚度對(duì)外延層的晶體質(zhì)量沒(méi)有影響。而在例(3)中，鍺硅的晶格常數(shù)和硅襯底的晶格常數(shù)有較大的差異(體材料硅的晶格常數(shù)是a1＝5.4埃，而鍺的晶格常數(shù)是a2＝5.6埃)。鍺硅體材料的晶格常數(shù)a視鍺的百分比P而定，a＝a1+(a2-a1)P。在硅忖底上生長(zhǎng)鍺硅(或者鍺)時(shí)，在一定的厚度范圍內(nèi)，鍺硅外延層的晶格常數(shù)將屈服于襯底的硅材料。但由于晶格常數(shù)的不匹配，將有內(nèi)應(yīng)力在外延層中累積。隨著外延層厚度的增加，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力足夠大時(shí)，外延層將不能維持襯底的晶格常數(shù)，而出現(xiàn)晶格缺欠。如位錯(cuò)就是一種最常見(jiàn)的形式。晶格缺欠的形成將不利于外延材料在器件上的應(yīng)用，從而降低器件的性能。為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量單晶薄膜的生長(zhǎng)，傳統(tǒng)的方法是在外延生長(zhǎng)異質(zhì)材料時(shí)，控制其厚度在臨界厚度之內(nèi)。當(dāng)外延層超過(guò)臨界厚度時(shí)，內(nèi)應(yīng)力使薄膜變得不穩(wěn)定，在一定的條件下(如高溫)將出現(xiàn)晶體缺欠。
比如含20％的鍺的鍺硅材料(Si0.8Ge0.2)，其臨界厚度約是200納米，即在這個(gè)厚度以下生長(zhǎng)在硅襯底上的鍺硅外延層可以是無(wú)位錯(cuò)的單晶材料；而超過(guò)這個(gè)厚度之后，就會(huì)產(chǎn)生晶體缺欠。對(duì)于鍺硅材料而言，在硅襯底上的臨界厚度隨鍺的含量增高而減小。純鍺的臨界厚度只有大約20埃(2納米)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了一般常用器件的厚度要求。
在實(shí)際應(yīng)用中，有很多場(chǎng)合需要在異質(zhì)材料襯底上生長(zhǎng)無(wú)內(nèi)應(yīng)力的外延層，或者在晶格常數(shù)不匹配的異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)很厚的外延層。具體應(yīng)用包括硅忖底上生長(zhǎng)無(wú)內(nèi)應(yīng)力的鍺硅外延層，再在其上生長(zhǎng)有內(nèi)應(yīng)力的硅外延層；砷化鎵材料雜化在硅襯底上；及在硅襯底上生長(zhǎng)碳化硅或氮化鎵等材料。
外延生長(zhǎng)方面一個(gè)有重要意義的突破是在有屈服性(或可塑性)硅的絕緣襯底上生長(zhǎng)鍺硅外延材料。A.R.Powell，S.S.Iyer，and F.K.Legoues，[Appl.Phys.Lett.(應(yīng)用物理通訊)47，322(1985)322](以下簡(jiǎn)稱文獻(xiàn)1)最先報(bào)道了內(nèi)應(yīng)力在可塑性絕緣襯底上從鍺硅外延層向超薄硅襯底層的轉(zhuǎn)移。此領(lǐng)域其他的實(shí)驗(yàn)和理論工作包括F.Y.Huang(黃風(fēng)義)and K.L.Wang，″Strain transfer between thin films and its applications inhetero-epitaxial crystal growth，″[內(nèi)應(yīng)力在薄膜之間的轉(zhuǎn)移及在異質(zhì)材料生長(zhǎng)的應(yīng)用]Philosophical Magazine Letters，(哲學(xué)雜志通訊)72，(1995)231(文獻(xiàn)2)；M.A.Chu，M.Tanner，F(xiàn).y.Huang(黃風(fēng)義)，等人″Photoluminescence and x-ray studies of low dislocation SiGe alloygrown on compliant SOI substrate，″[光致熒光和X射線對(duì)低位錯(cuò)鍺硅生長(zhǎng)在可塑性忖底上的研究]J.Cryst.Growth(晶體生長(zhǎng)雜志)，175，1278(1997)(文獻(xiàn)3)；F.Huang(黃風(fēng)義)，等人″High qualitySiGealloygrown oncompliantSOIsubstrate，″[高質(zhì)量的鍺硅合金生長(zhǎng)在可塑性絕緣忖底上]Appl.Phys.Lett.(應(yīng)用物理通訊)76，2680(2000)(文獻(xiàn)4)。
可塑性襯底的一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性理論工作發(fā)表在《物理評(píng)論通訊》上F.Huang(黃風(fēng)義)，″Theory of Strain relaxation in expitaxial layers grown onfinite-sized substrate，″[生長(zhǎng)在有限尺寸忖底上的外延層的內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)移]Phys.Rev.Lett.，(物理評(píng)論通訊)85，(2000)784-787(文獻(xiàn)5)。其中的襯底除了在縱向(即和襯底表面垂直的方向)有超薄的厚度(納米尺寸)，在橫向(即和襯底表面平行的方向)也加工成微米尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(mesastructure)。理論證明了超薄襯底和橫向的微型結(jié)構(gòu)都可以使外延層的內(nèi)應(yīng)力降低。這個(gè)途徑可以實(shí)現(xiàn)鍺硅外延薄膜的生長(zhǎng)，其厚度超過(guò)了經(jīng)典的臨界厚度的限制，并且實(shí)現(xiàn)外延層中大部分的內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)移或消失。
然而，所有以前的工作都是針對(duì)無(wú)內(nèi)應(yīng)力的鍺硅外延材料的生長(zhǎng)，其中鍺的含量一般不超過(guò)50％，如文獻(xiàn)3和文獻(xiàn)4所述。這是因?yàn)楫?dāng)外延層生長(zhǎng)在超薄襯底上時(shí)，一般需要高溫褪火(thermal anneal)處理后，其內(nèi)應(yīng)力才能實(shí)現(xiàn)向超薄襯底的轉(zhuǎn)移。但外延層生長(zhǎng)的溫度(比如分子束外延約700度)一般遠(yuǎn)小于內(nèi)應(yīng)力的轉(zhuǎn)移溫度。所以在生長(zhǎng)的過(guò)程中仍然需要外延層的厚度保持在體材料襯底的臨界厚度以內(nèi)。這樣就限制了鍺硅外延層的鍺的含量。文獻(xiàn)4中介紹了一種降低內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)移所需要的淬火溫度的辦法，即在硅的絕緣襯底上的絕緣層(二氧化硅層)中注入硼(B)或磷(P)以使二氧化硅在更低的溫度下變軟，但即使把熱處理溫度降低到和外延層的生長(zhǎng)溫度相當(dāng)，生長(zhǎng)高含量鍺的鍺硅外延層(或甚至是純鍺材料)也無(wú)法用現(xiàn)有的工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，對(duì)凸凹結(jié)構(gòu)的理論研究(文獻(xiàn)5)也只限于內(nèi)應(yīng)力的轉(zhuǎn)移。這種結(jié)構(gòu)對(duì)晶體缺欠的影響及在材料制備上的應(yīng)用仍待開(kāi)發(fā)。
在實(shí)際應(yīng)用中，硅襯底上的純鍺外延材料、含鍺成分高的鍺硅材料、還有砷化鎵材料及其它的半導(dǎo)體材料(如氮化硅，氮化鎵等)都有重要的器件應(yīng)用價(jià)值。這些材料在硅基底上的生長(zhǎng)，傳統(tǒng)的辦法是生長(zhǎng)很厚的過(guò)渡層(gradedbuffer)并且通過(guò)周期結(jié)構(gòu)(超晶格)來(lái)抑制位錯(cuò)的傳播，除了生長(zhǎng)的時(shí)間長(zhǎng)及質(zhì)量差等問(wèn)題，這種方法沒(méi)有從根本上解決異質(zhì)外延材料和襯底的內(nèi)應(yīng)力問(wèn)題。
本發(fā)明提供了在異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)無(wú)內(nèi)應(yīng)力的高質(zhì)量外延晶體薄膜材料的方法。本發(fā)明的一個(gè)主要思想是在屈服性超薄襯底(納米尺寸)上通過(guò)在高溫下轉(zhuǎn)化表面的單晶薄膜，形成新的化合物薄膜位于非晶層之上，以此為襯底繼續(xù)生長(zhǎng)外延薄膜。例如通過(guò)高溫碳化絕緣襯底上的硅薄膜，形成碳化硅。因?yàn)楣鑶尉П∧な俏挥谇r底的非晶層(如二氧化硅)之上，在高溫轉(zhuǎn)化的過(guò)程中硅的超薄單晶逐漸被消耗，其晶格常數(shù)將屈服于在其上所形成的碳化硅。從而形成無(wú)內(nèi)應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力很少的碳化硅薄膜。以此為襯底可以繼續(xù)淀積高質(zhì)量的碳化硅或氮化鎵等。
本發(fā)明另外一個(gè)重要思想是利用橫向的微尺寸(微米尺度)結(jié)構(gòu)來(lái)降低內(nèi)應(yīng)力從而抑制晶體缺欠的形成。在有屈服性的超薄硅碳化過(guò)程中，表面形成的碳化硅在初始階段將同其下的硅薄膜之間有內(nèi)應(yīng)力。因?yàn)槎叩木Ц癯?shù)的差異很大，內(nèi)應(yīng)力將很強(qiáng)。為了抑制在碳化過(guò)程中位錯(cuò)的形成，可以在碳化前首先在硅薄膜上形成微米尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(mesa)，通過(guò)內(nèi)應(yīng)力及位錯(cuò)等晶體缺欠向邊界的轉(zhuǎn)移，來(lái)降低碳化過(guò)程中薄膜之間的內(nèi)應(yīng)力和抑制晶格缺欠的形成。
本發(fā)明的另外一個(gè)重要思想是利用離子注入，在異質(zhì)外延薄膜下形成非晶層以隔離異質(zhì)外延薄膜和襯底(及過(guò)渡層)之間的晶格相互作用。比如，在硅的體襯底(或超薄襯底)上生長(zhǎng)鍺硅外延層，然后通過(guò)離子注入氧及隨后的高溫褪火來(lái)形成氧化層。高溫褪火同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)鍺從鍺硅層向表面的析出，從而形成高含量鍺的鍺硅層或甚至形成純鍺層。雖然傳統(tǒng)的工藝通過(guò)用鍺濃度梯度變化形成的緩沖層(graded buffer)手段，可以逐步過(guò)度到高含量鍺的鍺硅外延層，但往往需要很厚的緩沖層。而本發(fā)明利用離子注入和高溫褪火來(lái)消除內(nèi)應(yīng)力，從而在表面形成的鍺含量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于均勻生長(zhǎng)的鍺硅臨界厚度允許范圍內(nèi)的鍺含量。在這樣制備的材料上，可以繼續(xù)生長(zhǎng)有內(nèi)應(yīng)力的硅。為了降低離子注入帶來(lái)的晶體缺欠，可以在褪火之前，在表面形成微尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)，利用內(nèi)應(yīng)力及位錯(cuò)等晶體缺欠向邊界的轉(zhuǎn)移，提高表面薄膜的質(zhì)量。
本發(fā)明中提出的利用橫向微尺寸結(jié)構(gòu)來(lái)抑制晶體缺欠的形成，除了用在異質(zhì)外延薄膜如砷化鎵，碳化硅，氮化鎵等的生長(zhǎng)，此方法也適用于非晶襯底上生長(zhǎng)多晶材料，比如在玻璃襯底上形成多晶硅(或其它半導(dǎo)體薄膜)。傳統(tǒng)工藝是在玻璃襯底上淀積非晶硅，經(jīng)過(guò)熱處理把非晶硅轉(zhuǎn)變成多晶硅。這樣的多晶硅形成微觀尺度上一個(gè)個(gè)單晶顆粒，其尺寸大約在零點(diǎn)幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米之間。各單晶體顆粒之間會(huì)因?yàn)榫虿煌a(chǎn)生界面，是降低器件性能的主要因素。利用微型結(jié)構(gòu)可以抑制顆粒界面的形成，從而實(shí)現(xiàn)微觀尺度的單晶。
橫向微尺寸結(jié)構(gòu)也可以降低單晶襯底上因?yàn)殡x子注入形成非晶層引起的晶體缺欠，無(wú)論是通過(guò)離子注入氧的SIMOX工藝或者注入氫的SMART-CUT工藝，都可以在高溫煺火前把襯底刻蝕成微結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)向邊界的轉(zhuǎn)移，從而提高晶體的質(zhì)量。其中橫向微結(jié)構(gòu)可以和器件的加工結(jié)合起來(lái)，比如作為器件隔離帶(mesa isolation)的一部分。
以下結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明相關(guān)技術(shù)的歷史和現(xiàn)狀，還有本發(fā)明的主要技術(shù)思想和優(yōu)選實(shí)施例。附圖中

圖1A為說(shuō)明傳統(tǒng)的異質(zhì)材料的外延層生長(zhǎng)。外延層在超過(guò)臨界厚度后會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)；圖1B為說(shuō)明以往的異質(zhì)材料外延層(鍺硅)生長(zhǎng)在有屈服性(可塑性)的硅超薄襯底上的方法?？伤苄砸r底可以是硅絕緣襯底(即SOI，orsilicon-on-insulator襯底)，其表面的硅經(jīng)過(guò)減薄工藝處理后，厚度可以在5納米至50納米之間。在可塑性襯底上生長(zhǎng)的鍺硅材料其厚度可以超過(guò)傳統(tǒng)的臨界厚度而不會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)；圖2為本發(fā)明一種工藝的示意圖。在屈服性超薄襯底(納米尺寸)上通過(guò)高溫轉(zhuǎn)化表面的單晶薄膜，形成新的化合物薄膜位于非晶層之上，以此為襯底繼續(xù)生長(zhǎng)外延薄膜。例如，通過(guò)高溫下碳化絕緣襯底上的硅薄膜，形成碳化硅。在碳化過(guò)程中硅的超薄單晶逐漸被消耗，在非晶層上將形成無(wú)內(nèi)應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力很少的碳化硅薄膜。為了抑制晶體缺欠的形成，可以在碳化前，把硅的超薄層刻蝕出小尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(Mesa)；圖3為本發(fā)明另外一種工藝的示意圖。首先在硅的體襯底或絕緣襯底上生長(zhǎng)鍺硅異質(zhì)材料外延層，其厚度可以在臨界厚度以內(nèi)，也可以在臨界厚度以外。然后通過(guò)離子注入，在鍺硅的薄膜層下形成非晶層。再通過(guò)高溫退火，鍺有向表面遷移的趨勢(shì)，形成鍺含量在表面的濃度最高。為了進(jìn)一步提高鍺硅材料的質(zhì)量，可以在褪火前，把外延層刻蝕出小尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(Mesa)；圖4為應(yīng)用本發(fā)明圖3的方法來(lái)提高多晶材料質(zhì)量的示意圖。為了抑制熱處理時(shí)晶體顆粒界面的形成，可以在褪火前，把多晶層刻蝕出小尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(Mesa)。
附圖符號(hào)說(shuō)明10-體材料基底(忖底)(厚度在100微米到500微米之間)，如硅或砷化鎵20-異質(zhì)薄膜生長(zhǎng)在體襯底上。其厚度要在臨界厚度內(nèi)才可能生長(zhǎng)高質(zhì)量的單晶30-異質(zhì)薄膜生長(zhǎng)超過(guò)臨界厚度產(chǎn)生的位錯(cuò)40-硅絕緣忖底(即SOI，or silicon-on-insulator忖底)的絕緣SiO2層45-硅絕緣忖底表面的硅薄膜50-在表面硅層上生長(zhǎng)的鍺硅外延層60-超薄硅通過(guò)碳化轉(zhuǎn)化為碳化硅65-殘余的超薄硅70-鍺硅外延層生長(zhǎng)在硅晶體上。通過(guò)離子注入在鍺硅層下形成非晶層
75-在大尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)上形成的位錯(cuò)100-非晶(如玻璃)襯底110-多晶薄膜(如硅薄膜)。在熱褪火前形成的凸凹結(jié)構(gòu)(mesa)，可以抑制晶粒界面的形成120-在尺寸大的mesa上(或體結(jié)構(gòu)上)形成的晶粒界面本發(fā)明提供了在異質(zhì)襯底上制備無(wú)內(nèi)應(yīng)力高質(zhì)量的外延薄膜材料的方法，以及在非晶襯底上形成高質(zhì)量的多晶薄膜的方法。以下結(jié)合具體的襯底和外延層材料解釋本發(fā)明的創(chuàng)新性和可行性。
請(qǐng)參考圖1，圖1A為說(shuō)明傳統(tǒng)的異質(zhì)材料的外延層生長(zhǎng)，比如在硅襯底10上生長(zhǎng)具有不同晶格常數(shù)的鍺硅外延薄膜20。因?yàn)橐r底的厚度一般在100微米至500微米之間，在這樣的體襯底上生長(zhǎng)外延薄膜其晶格常數(shù)要屈服于體襯底的晶格常數(shù)。當(dāng)外延材料和襯底的晶格常數(shù)不同時(shí)將形成內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于一定鍺含量的鍺硅薄膜，在生長(zhǎng)時(shí)其厚度要控制在一定的厚度(即臨界厚度)以下；或者對(duì)于要生長(zhǎng)一定厚度的鍺硅薄膜，其鍺的含量要控制在一定的濃度之下，否則將會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)30。
圖1B為說(shuō)明以前的外延薄膜生長(zhǎng)在超薄襯底上的方法。超薄忖底的一種制備方法是利用硅絕緣襯底(即silicon-on-insulator忖底)，包括硅的體襯底上形成一層絕緣SiO2層40，在絕緣的SiO2上是表面的單晶硅薄膜45。經(jīng)過(guò)減薄工藝處理后，硅薄膜45的厚度可以在5納米至50納米之間。在這樣的超薄硅薄膜襯底上生長(zhǎng)鍺硅外延層50，經(jīng)過(guò)高溫褪火處理后(比如900℃-1100℃)，其內(nèi)應(yīng)力開(kāi)始向超薄硅襯底45的轉(zhuǎn)移，從而使外延層的內(nèi)應(yīng)力減小。但因?yàn)橥庋訉由L(zhǎng)的溫度(比如分子束外延)一般在700℃左右，所以在生長(zhǎng)的過(guò)程中，仍然需要外延層的厚度保持在體材料襯底的臨界厚度以內(nèi)。這樣就限制了鍺硅外延層的鍺的含量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高含量鍺的鍺硅薄膜或甚至純鍺薄膜的生長(zhǎng)。
以下將參考附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的實(shí)施例。
圖2為本發(fā)明的一種方法示意圖。其主要思想是通過(guò)轉(zhuǎn)化表面的超薄層，形成新的化合物。因?yàn)槌颖∧ぴ谥饾u被消耗，而且位于非晶層之上，在高溫下形成的化合物同殘留的薄膜之間的內(nèi)應(yīng)力將很小。如果超薄層被全部消耗盡，內(nèi)應(yīng)力將全部消失。以硅的絕緣襯底為例，通過(guò)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域人們熟悉的方法形成硅的單晶超薄襯底45。為降低絕緣層40的變軟溫度，可以通過(guò)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域人們熟悉的方法，如注入硼(B)或磷(P)，從而降低內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)移的溫度。在硅的超薄襯底45上，通過(guò)高溫碳化，其溫度在900℃-1100℃之間，把硅轉(zhuǎn)化為碳化硅60。如果超薄硅的厚度可以制備在5納米至20納米之間，可以把大部分的硅或全部的硅碳化形成碳化硅。碳化硅將位于非晶薄膜40之上，中間只有極薄的殘余硅65，碳化硅薄膜中將有極小的內(nèi)應(yīng)力或幾乎不存在內(nèi)應(yīng)力。為了抑制晶體缺欠的形成，可以在碳化前，把硅的超薄層刻蝕出小尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(Mesa)，利用位錯(cuò)等晶體缺欠在高溫處理時(shí)向邊界的轉(zhuǎn)移，提高碳化硅的質(zhì)量。
因?yàn)樘蓟梵w襯底的價(jià)格高而且不易制備，傳統(tǒng)生長(zhǎng)碳化硅的方法除了在藍(lán)寶石(Sapphire)上生長(zhǎng)之外，是在硅襯底上通過(guò)碳化，形成表面的碳化硅薄層，再在其上生長(zhǎng)碳化硅。這樣制備的碳化硅層因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力的存在，將出現(xiàn)晶格缺欠。本發(fā)明的方法是在硅的超薄襯底上碳化表面的硅的薄層，其中表面硅的超薄薄膜的厚度在幾個(gè)納米至幾十個(gè)納米，使碳化過(guò)程中存留的硅的超薄襯底屈服于所形成的碳化硅的晶體常數(shù)，或者使硅的超薄層完全碳化，形成無(wú)內(nèi)應(yīng)力的碳化硅薄膜。因?yàn)檫@樣形成的碳化硅薄膜是位于非晶層之上，可以從根本上消除內(nèi)應(yīng)力的來(lái)源。另外，橫向微尺寸結(jié)構(gòu)(mesa)在高溫退火時(shí)可以進(jìn)一步提高碳化硅的質(zhì)量。
圖3為本發(fā)明的另外一種主要方法示意圖。在體襯底(或超薄襯底)上生長(zhǎng)異質(zhì)外延材料。然后通過(guò)離子注入，在外延層下形成非晶層，從而消除外延薄膜同體襯底之間的晶格常數(shù)不同引起的內(nèi)應(yīng)力，形成無(wú)內(nèi)應(yīng)力的外延層。以鍺硅生長(zhǎng)在硅襯底上為例，首先在硅的體襯底或絕緣襯底上生長(zhǎng)鍺硅異質(zhì)材料外延層70，其厚度可以在臨界厚度以內(nèi)，也可以在臨界厚度以外。然后通過(guò)離子注入，比如氧，在鍺硅的薄膜層下形成非晶層，以消除同襯底之間的內(nèi)應(yīng)力。通過(guò)高溫退火，在鍺硅薄膜下形成氧化硅的非晶層，并且高溫處理可以使鍺進(jìn)一步向表面遷移，形成鍺含量在表面的濃度最高。為了在褪火時(shí)提高鍺硅材料的質(zhì)量，可以在褪火前，把外延層刻蝕出小尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(mesa)。如果鍺的含量過(guò)高，在大尺寸的mesa上，將有可能形成位錯(cuò)75。在這樣制備的材料上，可以繼續(xù)生長(zhǎng)有內(nèi)應(yīng)力的硅，或任何厚度的高含量鍺的鍺硅材料。因?yàn)樯榛壓玩N有著相似的晶格常數(shù)，這樣制備的材料上可以再生長(zhǎng)砷化鎵。
橫向微結(jié)構(gòu)的形成可以在外延層(如鍺硅薄膜)生長(zhǎng)之后，通過(guò)光刻，干法或濕法刻蝕這些相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域人們熟悉的方法加工而成。高溫褪火可以使內(nèi)應(yīng)力及各種晶體缺欠實(shí)現(xiàn)從外延層向微結(jié)構(gòu)邊界的轉(zhuǎn)移，從而將低外延層微結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，抑制晶體缺欠的形成。形成橫向微結(jié)構(gòu)的另外一種方法是在外延層生長(zhǎng)之前，通過(guò)光刻，干法或濕法刻蝕這些相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的人們熟悉的方法首先把硅襯底刻蝕成深度大體和需要生長(zhǎng)的外延層相當(dāng)?shù)暮穸取?br> 橫向微尺寸結(jié)構(gòu)也可以降低絕緣襯底的位錯(cuò)密度。制備絕緣襯底通常是利用離子注入氧(SIMOX)的工藝或者注入氫(SMART-CUT)的工藝，離子注入過(guò)程中產(chǎn)生的位錯(cuò)等晶體缺欠，一般要通過(guò)高溫褪火來(lái)降低密度。但即使通過(guò)在13500℃下幾個(gè)小時(shí)的褪火，帶有400納米絕緣層和200納米硅薄膜層的襯底，其位錯(cuò)密度大約在104-106/cm2，影響了器件的性能。本發(fā)明的方法是在高溫煺火前把襯底刻蝕成微結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力向邊界的轉(zhuǎn)移，從而降低位錯(cuò)的密度。微結(jié)構(gòu)可以是幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米(或上百微米)的尺寸，深度大約刻蝕到絕緣層，形成硅薄膜的島狀結(jié)構(gòu)。
圖4為橫向微結(jié)構(gòu)的另外一種應(yīng)用。在非晶襯底100上生長(zhǎng)多晶材料，比如在玻璃襯底上形成多晶硅(或其它半導(dǎo)體薄膜)110。傳統(tǒng)工藝是在玻璃襯底上淀積非晶硅，然后經(jīng)過(guò)熱處理，把非晶硅轉(zhuǎn)變成多晶硅。這樣處理后的多晶硅，各種低能量態(tài)的點(diǎn)缺欠和線缺欠(如位錯(cuò))的密度都經(jīng)過(guò)褪火而大大降低，形成微觀尺度上一個(gè)個(gè)單晶顆粒。這種晶粒的尺寸大約在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米之間。各個(gè)單晶體顆粒之間會(huì)因?yàn)榫虻牟煌a(chǎn)生界面，是降低器件性能的主要因素。利用微型結(jié)構(gòu)110可以抑制大尺寸(比如在幾百個(gè)微米以上)的多晶薄膜上顆粒界面120的形成，從而實(shí)現(xiàn)微觀尺度的單晶，應(yīng)用在薄膜晶體管(thin film transistor)等。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求限定的范圍所做的等效變化與修飾，皆應(yīng)屬于本發(fā)明專利的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種晶體薄膜的生長(zhǎng)方法，該方法包括把位于非晶層上的超薄單晶薄膜通過(guò)高溫轉(zhuǎn)化為異質(zhì)薄膜，在表面形成很小內(nèi)應(yīng)力或無(wú)內(nèi)應(yīng)力的薄膜層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中非晶層可以是硅的絕緣襯底(SOI)上的氧化硅層，單晶超薄層是硅的表面層。通過(guò)高溫碳化，把表面的硅層轉(zhuǎn)化為碳化硅。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中硅的表面層的厚度約在5納米至20納米，非晶層的厚度可以在幾十納米至幾百納米之間，碳化的溫度約為700℃-1200℃。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，在高溫轉(zhuǎn)化前在硅的超薄層上刻蝕出小尺寸的橫向微結(jié)構(gòu)(mesa)，從而在熱處理時(shí)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力向邊界的轉(zhuǎn)移，抑制晶體缺欠的形成。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中橫向微結(jié)構(gòu)的尺寸可以在幾個(gè)微米(μm)至幾十或者幾百個(gè)微米(μm)之間，或者更具體點(diǎn)在幾十微米左右。
6.一種外延薄膜的制備方法，該方法包括在體襯底或超薄襯底上生長(zhǎng)異質(zhì)外延材料，通過(guò)離子注入形成非晶層來(lái)消除表面層同襯底的內(nèi)應(yīng)力，形成無(wú)內(nèi)應(yīng)力的外延層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中體襯底是硅，在其上生長(zhǎng)鍺硅異質(zhì)外延薄膜。通過(guò)離子注入氧等形成非晶層，使表面層同體襯底隔離，從而消除內(nèi)應(yīng)力的來(lái)源。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，通過(guò)高溫退火來(lái)消除離子注入引起的晶體缺欠，同時(shí)使鍺向表面遷移。如果注入氧，高溫退火(如1300度)將形成非晶的氧化硅層。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，在離子注入后和在高溫退火前，在硅襯底上刻蝕出橫向微結(jié)構(gòu)，其尺寸可以在幾個(gè)微米(μm)至幾十或者幾百個(gè)微米(μm)之間，以降低晶體缺欠的密度。
10.一種多晶薄膜的制備方法，在非晶襯底上淀積非晶硅，鍺，砷化鎵，氮化硅，氮化鎵等薄膜材料，并形成微尺寸凸凹結(jié)構(gòu)(mesa)，再通過(guò)高溫退火提高多晶的質(zhì)量。
11.如權(quán)利要求10所述，其中的微尺寸結(jié)構(gòu)可以在非晶襯底上刻蝕出橫向微結(jié)構(gòu)，其深度大約和需要淀積的多晶薄膜的厚度相當(dāng)，或者是在多晶薄膜形成后刻蝕，其深度大體是多晶薄膜的厚度。橫向微結(jié)構(gòu)的尺寸可以在幾個(gè)微米(μm)至幾十或者幾百個(gè)微米(μm)之間，或者更具體點(diǎn)在幾十微米左右。
全文摘要
一種在襯底上制備晶體薄膜或多晶薄膜的方法，包括利用屈服性超薄襯底的材料轉(zhuǎn)化和橫向微型結(jié)構(gòu)來(lái)降低外延異質(zhì)晶體的內(nèi)應(yīng)力；以及通過(guò)離子注入，在有內(nèi)應(yīng)力的薄膜下面形成非晶層后，利用高溫處理來(lái)消除內(nèi)應(yīng)力和降低薄膜的晶體缺欠密度。這樣形成的薄膜厚度可以超過(guò)在異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)均勻薄膜的臨界厚度允許的范圍。除了應(yīng)用于單晶薄膜，該方法還可以應(yīng)用于高質(zhì)量的多晶薄膜的制備。
文檔編號(hào)C30B25/18GK1434153SQ0211060
公開(kāi)日2003年8月6日 申請(qǐng)日期2002年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月21日
發(fā)明者黃風(fēng)義 申請(qǐng)人:黃風(fēng)義