CN101106079A - 硅锗材料的一种生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了硅锗材料的一种生长方法。本发明所用设备为以硅烷(SiH4)为气源的RPCVD生长SiGe材料的设备,并以SiH2Cl2代替硅烷做气源,利用减压化学气相沉积法成功的生长出锗硅异质外延材料。其中生长所用的气氛包括H2、N2、SiH2Cl2、GeH4、PH3、B2H6,生长温度为700~900℃,工作压力为60-100Torr。本发明的方法在生产过程中所产生的废气由于不含有硅烷,废气直接通入水中用水解方法处理即可。因此用本发明的方法时,生产设备的废气处理器的构造就可以变得非常简单,处理废气的成本相对降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子器件的制造方法,尤其是指一种制造硅锗材料的方法。
背景技术
SiGe/Si异质结薄膜材料是一种新的能带工程技术,是新一代的硅基材料。可容易地通过改变Ge(锗)组分对其禁带宽度及晶格常数加以精确调节。SiGe(硅、锗)材料散热性能优于GaAs(砷化镓),微波性能与GaAs相近,而且在工艺上与成熟的硅元件制造工艺兼容。因此SiGe材料在制作微电子及光电子器件方面具有很广阔的应用前景。
生长锗硅异质结材料的主要方法有MBE即分子束外延法、SEG即选择外延生长法、UHV/CVD即超高真空化学汽相外延法和RPCVD即减压化学气相沉积法等。
SiGe/Si异质结薄膜材料的减压外延生长技术是一种减压化学气相沉积技术,这种技术简称RPCVD,它是采用硅烷和锗烷在高温下进行氢还原的方法——即化学汽相淀积法——通过控制生长室内的压力、Ge组分变化以及生长温度,使硅烷(SiH4)和锗烷(GeH4)与H2发生化学反应,硅(Si)和锗原子即在抛光的硅单晶片上沉积,同时N型或P型掺杂剂(PH3、B2H6)分解,形成N型或P型Si(1-x)Gex/Si的异质结。
用RPCVD方法生长Si(1-x)Gex异质结的工艺参数如下:
工作气氛包括:H2、N2、SiH4、GeH4、PH3、B2H6,其中H2载气的纯度要求大于99.999999%;系统漏率小于10mTorr/min;
H2的流量:不大于60L/min;
理论上的最高生长温度:1250℃;但实际生产中使用的生长温度为:500~700℃;
温度稳定度一般需要控制在:±10℃;
常见RPCVD沉积系统,设备加热区的长度为200mm,压力在10-100Torr,主要用于HT(高温)外延、LT(低温)SiGe外延或SEG外延。
硅烷气体危险性很大,它很容易自燃、爆炸。由于硅烷不可能完全在炉内发生反应而消耗掉,因此生产过程中会产生许多含有硅烷的废气,这些含有硅烷废气具有随时爆炸的危险;又由于废气中还含有HCl等有害物质,因此这些废气处理起来非常困难。现在用硅烷做生长气的RPCVD,其废气处理的方法大都用燃烧式的,该废气处理器构造复杂,消耗高。因此用硅烷做生长气,危险且成本高。
另外,H2载气的纯度需要大于99.999999%的要求,使H2制造的难度和成本增加。
发明内容:
本发明需要解决的技术问题是提供一种安全、废气易于处理且氢气的纯度要求稍低的硅锗材料的生长方法。
本发明是这样实现的:
它是用RPCVD生长法的设备和工艺参数,其中H2的流量不大于60L/min;生长温度为500~1200℃;生长所用的气氛包括:H2、N2、GeH4、PH3、B2H6以及SiH2Cl2。它是用SiH2Cl2替代了普通方法中SiH4,从而使生长气氛中不含SiH4。SiH2Cl2也称为DCS,以下SiH2Cl2用DCS代替。
本发明的最佳生长温度为700-900℃。
DCS和GeH4的通入流量的比例为1∶5-1∶10,但是这里所说的GeH4中含有大量的H2,是GeH4和H2的混合气体,其混合比例为1∶99。
本发明取得的技术进步是:
本发明的方法在生产过程中所产生的废气由于不含有硅烷,废气直接通入水中用水解方法处理即可。因此用本分明的方法时,生产设备的废气处理器的构造就可以变的非常简单,处理废气的成本相对降低。
由于用DCS替代了硅烷(SiH4),在生长过程中的反应压力提高到60-100Torr;H2载气的纯度也下降到99.999995%。
利用本发明的工艺所得到的Si0.85Ge0.15外延层,经过在强光灯下检测表面状态,表面均呈镜面光亮,在显微镜下观察也都没有发现有层位错等缺陷。因此本发明的方法和以硅烷(SiH4)为气源的RPCVD生长方法相比,SiGe薄膜材料在缓冲层应力、表面失配位错、低表面粗糙度等方面毫不逊色。
本发明的方法除可以通过RPCVD做正常的化学气相沉积获得SiGe/Si异质结薄膜材料外,还可以进行选择性外延生长。而用SiH4做气源则不适用于选择性外延生长。本发明的方法和常规外延法具有很好的兼容性。另外本发明的方法的生长速率快,产能效率较高。
附图说明:
图1是气源为SiH4的X射线衍射测试图;
图2是气源为DCS的X射线衍射测试图。
具体实施方式:
下面通过对比已有技术方法,对本发明做进一步详细说明:
我们试验用的衬底是尺寸为150mm的重掺As硅衬底,Si0.85Ge0.15外延层在衬底的<100>晶向上生长;气源分别采用了SiH4和DCS作为生长气。所用设备为RPCVD沉积系统,设备加热区的长度为200mm,系统漏率小于10mTorr/min。
用SiH4做气源的生长工艺为现有工艺:其工作气氛包括H2、N2、SiH4、GeH4、PH3、B2H6,其中H2的纯度大于99.999999%;H2的流量为50L/min;生长温度为520℃,压力在50Torr。
用DCS做气源的工艺参数为:其中生长所用的气氛包括H2、N2、SiH2Cl2、GeH4、PH3、B2H6;H2的流量为40L/min;其中H2的纯度为99.999995%;生长温度为800℃,DCS和GeH4(浓度含量为1%)的通入量比例为1∶5-1∶10;工作压力为70Torr。
表1是本发明用DCS做气源的方法与以SiH4做气源的方法所得到的外延层的组分及其厚度参数的比较结果。表中cap层为覆盖在Si0.85Ge0.15外延层外的Si即顶层Si的厚度。
表2是两种工艺方法的工艺条件对比。
表1
气源类型 | 层名 | 参数 | 试位置(参考面处为下) | |||||
上 | 中 | 下 | 左 | 右 | 均匀性(%) | |||
SiH4 | Si0.85Ge0.15外延层 | Ge组分(%) | 14.95 | 15.12 | 15.18 | 15.04 | 15.10 | 0.57 |
SiGe外延层厚度(nm) | 98.2 | 100.5 | 99.1 | 98.4 | 99.3 | 1.12 | ||
Si cap层 | 厚度(nm) | 19.7 | 19.9 | 19.5 | 19.6 | 19.3 | 1.53 | |
DCS | Si0.85Ge0.15外延层 | Ge组分(%) | 14.76 | 14.91 | 14.77 | 14.82 | 14.86 | 0.51 |
SiGe外延层厚度(nm) | 96.2 | 97.2 | 96.5 | 96.3 | 96.7 | 0.517 | ||
Si cap层 | 厚度(nm) | 20.2 | 20.2 | 20.3 | 20.1 | 19.8 | 1.25 |
表2
温度 | 和GeH4(1%)流量比例 | 生长速率 | 反应压力 | 废气处理 | H2中杂质含量 | |
SiH4为气源 | 500-700℃ | 1∶1-1∶10 | 同样比例生长速率慢 | 20-100Torr | 燃烧 | 0.01ppm |
DCS为气源 | 700-900℃ | 1∶5-1∶10 | 同样比例生长速率快 | 60-100Torr | 水解 | 0.05ppm |
由表1可知,本发明的方法所得到的Si0.85Ge0.15外延层的均匀性要好于常规的用SiH4做气源的方法。利用两种对比工艺所得到的Si0.85Ge0.15外延层经过在强光灯下检测表面状态,表面均呈镜面光亮,在显微镜下观察也都没有发现有层位错等缺陷。
Claims (3)
1.硅锗材料的一种生长方法,它是用减压化学气相沉积生长法,其中生长所用的气氛包括H2、N2、GeH4、PH3、B2H6,生长温度为500~1200℃,工作压力为10-100Torr;其特征在于:生长硅组分的气氛是用SiH2Cl2。
2.根据权利要求1所述的硅锗材料的一种生长方法,其特征在于所述生长温度最佳为700-900℃。
3.根据权利要求1所述的硅锗材料的一种生长方法,其特征在于所述SiH2Cl2的流量和浓度为1%的GeH4的流量的比例为1∶5-1∶10。
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