CN101866835B - 一种高锗组分锗硅虚衬底的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硅衬底上的高锗组分锗硅虚衬底的生长方法，包括以下步骤：步骤1：在一外延生长装置中置入硅衬底；步骤2：在硅衬底上生长锗缓冲层；步骤3：在锗缓冲层上生长锗硅虚衬底，锗的原子组分大于0.5且小于1。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅基锗硅虚衬底生长技术，特别是指一种在硅衬底上生长晶体质量好、驰豫度高、锗组分高的锗硅虚衬底的生长方法。
背景技术
应变硅、应变锗、应变锗硅薄膜具有比体材料高的迁移率，能够提高半导体电子器件的性能(如提高开关速度，降低阈值电压，降低暗电流密度等)，近年来得到了广泛的研究与应用。这些应变薄膜具有较高的迁移率的物理原因是应力改变了材料的能带结构以及降低了电子、空穴有效质量。
为了得到这些应变薄膜，制备高质量的驰豫锗硅虚衬底是至关重要的，尤其是硅基的锗硅虚衬底。制备高质量的驰豫锗硅虚衬底的困难主要在于锗和硅之间的晶格失配很大，会导致产生高密度的穿透位错；尤其是对于高锗组分的锗硅薄膜(锗组分＞50％)。目前生长高锗组分硅基锗硅虚衬底的常见方法有：(1)用分子束外延或化学气相淀积的方法，首先生长Ge组分逐渐增加的SiGe过渡层(Buffer层)，使应变逐渐释放，以获得位错密度低的Buffer层，然后在其上生长应变弛豫的SiGe外延层。该方法可以生长晶格质量很好的锗硅材料，位错密度可以达到106cm-2量级，但是由于表面会有很大的起伏，必须在生长后或生长中间插入化学机械抛光工艺流程，制作的工艺复杂耗时，而且为了获得好的晶体质量，SiGe Buffer层中Ge组分的增加速度必须低于0.1/μm，所以SiGe组分渐变层的厚度大，这样的材料不利于制作集成器件。(2)往硅衬底注入离子，“撑大”硅衬底生长平面的晶格常数，然后再在这样的硅衬底上外延生长锗硅薄膜。这种方法的优点是工艺简单，能生长厚度较薄的锗硅薄膜；缺点是外延出来的锗硅薄膜穿透位错密度大。(3)制备“绝缘体上的锗硅薄膜”(SGOI)。目前最成熟的制备SGOI工艺是注氧隔离技术，这种技术的优点是操作简单、工艺成熟。缺点是需要生长很厚的锗组分渐变锗硅层、需使用昂贵的大束流注氧机、锗组分一般小于14％。
1999年人们提出了生长硅基锗材料的两步生长法，他们首先在硅衬底上生长低温的锗过渡层，然后在过渡层上高温生长锗材料。这种技术可以将硅、锗之间大部分的晶格失配位错释放在低温锗过渡层，从而保证了高温锗薄膜的质量。通过研究，我们也掌握了这种方法，在硅上生长出高质量的锗薄膜。
受此启发，我们创造性的将这种方法应用于生长锗硅虚衬底。通过摸索生长工艺条件，最终得到驰豫度高、质量好(表面粗糙度低、穿透位错密度低)、厚度薄(利于光电集成)的锗硅虚衬底。
发明内容
本发明专利提供一种硅衬底上生长高锗组分(锗组分＞50％)锗硅虚衬底的技术，以满足通过应变硅、应变锗、应变锗硅薄膜提高半导体器件性能的要求；本发明克服了目前一些制备高锗组分锗硅虚衬底技术厚度厚、表面质量差等缺点。
本发明的技术方案是采用化学气相淀积或者分子束外延技术，选择合适的温度，在硅衬底上生长锗缓冲层，再在这个锗缓冲层上生长锗硅虚衬底。
本发明提供
一种硅衬底上的高锗组分锗硅虚衬底的生长方法，包括以下步骤：
步骤1：在一外延生长装置中置入硅衬底；
步骤2：在硅衬底上生长锗缓冲层；
步骤3：在锗缓冲层上生长锗硅虚衬底，锗的原子组分大于0.5且小于1。
其中步骤2、3生长生长锗缓冲层和生长锗硅虚衬底，是采用化学气相淀积方法。
其中在硅衬底上生长锗缓冲层时，是向外延生长装置中通入锗源气体，该锗源气体为锗烷。
其中在锗缓冲层上生长锗硅虚衬底时，是向外延生长装置中同时通入锗源气体和硅源气体，该锗源气体和硅源气体分别为锗烷和乙硅烷。
其中生长锗缓冲层时的衬底温度低于400℃。
其中生长锗硅虚衬底时的衬底温度高于420℃。
其中通入的乙硅烷和锗烷气体的流量比小于1∶4。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明的结构和特征作进一步的详细描述，其中：
图1为在硅衬底上生长驰豫锗硅虚衬底的生长方法材料截面示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种高锗组分锗硅虚衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在一外延生长装置中置入硅衬底1；
步骤2：在硅衬底1上生长锗缓冲层2，在硅衬底1上生长锗缓冲层2时，是向外延生长装置中通入锗源气体，该锗源气体为锗烷，在生长锗缓冲层2时的衬底温度低于400℃。
测量表明，在290℃衬底温度下生长锗缓冲层2时，分解了的锗原子在硅衬底1上最初为三维岛状生长模式，但是最终在各种动力学作用下转变为二维平面生长模式，并形成了表面平整的锗缓冲层2。锗缓冲层2厚度大约为60nm时，表面均方根粗糙度约为0.6nm。
步骤3：在锗缓冲层2上生长锗硅虚衬底3，锗的原子组分大于0.5且小于1，在生长锗硅虚衬底3时的衬底温度高于420℃。其中在锗缓冲层2上生长锗硅虚衬底3时，是向外延生长装置中同时通入锗源气体和硅源气体，该锗源气体和硅源气体分别为锗烷和乙硅烷，所述通入的乙硅烷和锗烷气体的流量比小于1∶4。
测量结果如下：在600℃衬底温度下生长锗硅虚衬底3，当锗烷流量为8sccm、乙硅烷流量为0.6sccm时，锗硅虚衬底3的锗原子组分为90％，驰豫度为90％，位错密度约为104cm-2(通过腐蚀坑实验估算)，表面均方根粗超度为0.6nm；锗烷流量为8sccm、乙硅烷流量为1sccm时，锗硅虚衬底3的锗组分为85％，驰豫度为83％，位错密度约为104cm-2，表面均方根粗超度为0.8nm。
其中所述的步骤2、3生长生长锗缓冲层2和生长锗硅虚衬底3，是采用化学气相淀积方法。
在上述的描述中，已充分公开了本发明的新的特性和优点。然而，这个公开在许多方面仅仅是说明性的，而不是限制性的。在此公开的基础上，本领域的技术人员完全可以在不超出本发明范围的情况下，在细节上或布置方面进行变化，包括对本发明的各种特征和优点的组合或分开使用。
Claims (5)
1.一种硅衬底上的高锗组分锗硅虚衬底的生长方法，包括以下步骤：
步骤1：在一外延生长装置中置入硅衬底；
步骤2：在硅衬底上生长锗缓冲层，所述生长锗缓冲层时的衬底温度低于400℃；
步骤3：在锗缓冲层上生长锗硅虚衬底，锗的原子组分大于0.5且小于1，所述生长锗硅虚衬底时的衬底温度高于420℃。
2.如权利要求1所述的硅衬底上的高锗组分锗硅虚衬底生长方法，其中步骤2、3生长生长锗缓冲层和生长锗硅虚衬底，是采用化学气相淀积方法。
3.如权利要求1所述的硅衬底上的高锗组分锗硅虚衬底生长方法，其中在硅衬底上生长锗缓冲层时，是向外延生长装置中通入锗源气体，该锗源气体为锗烷。
4.如权利要求1所述的硅衬底上的高锗组分锗硅虚衬底生长方法，其中在锗缓冲层上生长锗硅虚衬底时，是向外延生长装置中同时通入锗源气体和硅源气体，该锗源气体和硅源气体分别为锗烷和乙硅烷。
5.如权利要求4所述的硅衬底上的高锗组分锗硅虚衬底生长方法，其中通入的乙硅烷和锗烷气体的流量比小于1∶4。
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