CN102383192A - 锗衬底的生长方法以及锗衬底 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锗衬底的生长方法，包括如下步骤：提供支撑衬底，所述支撑衬底为晶体材料；在支撑衬底表面采用第一温度外延生长第一锗晶体层；在第一锗晶体层表面采用第二温度外延生长第二锗晶体层，所述第一温度低于第二温度。本发明的优点在于提出了一种低高温锗外延结合的生长工艺，首先低温生长一层锗层，锗外延生长速度低，具有二维生长特性且完全弛豫，这层薄的低温锗层具有较多的缺陷，易于应力驰豫以及位错湮灭，随后，再高温生长一层锗外延层，该层生长速度快，能够得到具有高晶体质量且完全驰豫的单晶锗层。
Description
技术领域
本发明是关于锗衬底的生长方法以及锗衬底，特别涉及具有高晶体质量的锗衬底的生长方法以及锗衬底。
背景技术
芯片制造业仍遵循摩尔定律向450 mm大尺寸晶圆、纳米级光刻线宽、高精度、高效率、低成本方向发展。2004年以来，很多国际顶级半导体厂商纷纷采用90 nm工艺生产集成电路IC芯片，90 nm制程的启动，标志着芯片制造业已进入100 nm 至0.1 nm 尺度范围内的纳米技术时代。但在进一步提高芯片的集成度、运行速度以及减小集成电路的特征尺寸方面遇到了严峻的挑战，现有的材料和工艺正接近它们的物理极限，因此必须在材料和工艺上有新的重大突破。2004年，intel在其90 nm制程中引入了工艺致应变硅沟道。2007年，intel的45 nm制程进入量产，首次引入了高k栅极介质和金属栅极材料。2009年2月10日，intel发布了用32 nm制程制造的新型处理器，并且在2009年第4季度，其生产技术将全面由45 nm转向32 nm，目前更先进的22 nm制程正处于研发阶段，预计2012年将正式进入量产。随着特征尺寸进入到22 nm以下时代，锗材料因其快速的空穴迁移率再一次引起了人们的重视，并且锗材料和III-V族材料的结合成为未来微电子技术的一个重要的发展方向。
目前，单晶锗衬底得最大尺寸为6寸，无法与当前主流的8-12寸工艺兼容。而在单晶硅衬底上外延单晶锗层更容易与目前的半导体工艺兼容。因此，在单晶硅衬底上外延无缺陷的单晶锗层成为重要的技术发展方向。但是，由于硅和锗之间存在较大的晶格失配，因此，外延的单晶锗层具有很大的位错密度，其晶体质量较差。此外，由于Si和Ge之间晶格的不匹配，共格生长得到的Ge层应为应变Ge层，无法获得一层驰豫的Ge单晶层。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有高晶体质量的锗衬底的生长方法以及锗衬底。
为了解决上述问题，本发明提供了一种锗衬底的生长方法，包括如下步骤：提供支撑衬底，所述支撑衬底为晶体材料；在支撑衬底表面采用第一温度外延生长第一锗晶体层；在第一锗晶体层表面采用第二温度外延生长第二锗晶体层，所述第一温度低于第二温度。
作为可选的技术方案，多次交替实施生长第一锗晶体层的步骤和第二锗晶体层的步骤，获得第一锗晶体层和第二锗晶体层的堆叠结构。
作为可选的技术方案，在首次生长第一锗晶体层之前进一步包括如下步骤：在支撑衬底表面生长缓冲层，缓冲层的材料与支撑衬底的材料相同，后续第一锗晶体生长于缓冲层的表面。
作为可选的技术方案，所述支撑衬底的材料为单晶硅。
作为可选的技术方案，所述第一温度和第二温度的取值范围均是200℃至900℃。
作为可选的技术方案，在生长第一锗晶体层之后进一步包括如下步骤：对第一锗晶体层实施原位退火。
作为可选的技术方案，在生长第二锗晶体层之后进一步包括如下步骤：对第二锗晶体层实施原位退火。
作为可选的技术方案，所述对第一锗晶体层和第二锗晶体层实施原位退火的步骤中，原位退火的温度范围是550℃至900℃，退火气氛为氢气。
作为可选的技术方案，在对第二锗晶体层实施原位退火之后进一步包括如下步骤：在第二锗晶体层表面采用第二温度外延生长第三锗晶体层。
一种锗衬底，包括支撑衬底和外延生长于支撑衬底表面的锗晶体层，所述支撑衬底为晶体材料，所述锗晶体层至少包括一采用第一温度外延生长的第一锗晶体层，和一采用第二温度外延生长的第二锗晶体层，所述第一温度低于第二温度。
本发明的优点在于提出了一种低高温锗外延结合的生长工艺，首先低温生长一层锗层，锗外延生长速度低，具有二维生长特性且完全弛豫，这层薄的低温锗层具有较多的缺陷，易于应力驰豫以及位错湮灭，随后，再高温生长一层锗外延层，该层生长速度快，能够得到具有高晶体质量且完全驰豫的单晶锗层。
附图说明
附图1所示是本发明第一具体实施方式的实施步骤示意图。
附图2A至附图2D所示是本发明第一具体实施方式的工艺示意图。
附图3所示是本发明第二具体实施方式的实施步骤示意图。
具体实施方式
接下来结合附图详细介绍本发明所述一种锗衬底的生长方法以及锗衬底的具体实施方式。
首先给出本发明的第一具体实施方式。
附图1所示是本发明第一具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤S10，提供支撑衬底，所述支撑衬底为晶体材料；步骤S11，在支撑衬底表面生长缓冲层，缓冲层的材料与支撑衬底的材料相同；步骤S12，在缓冲层表面采用第一温度外延生长第一锗晶体层；步骤S13，对第一锗晶体层实施原位退火；步骤S14，在第一锗晶体层表面采用第二温度生长第二锗晶体层，所述第一温度低于第二温度；步骤S15，对第二锗晶体层实施原位退火。
附图2A至附图2D所示是本具体实施方式的工艺示意图。
附图2A所示，参考步骤S10，提供支撑衬底100，所述支撑衬底100为晶体材料，例如可以是单晶硅、单晶锗硅、碳化硅，以及各种III-V族半导体材料以及蓝宝石等，也可以是包括SOI衬底和图形衬底在内的各种工程化的衬底。
附图2B所示，参考步骤S11，在支撑衬底100表面生长缓冲层101，缓冲层101的材料与支撑衬底100的材料相同。缓冲层101的厚度为小于1μm，优化为10nm。此步骤为可选步骤，其目的为减小支撑衬底100表面损伤和缺陷对后续外延的影响。
附图2C所示，参考步骤S12，在缓冲层101表面采用第一温度外延生长第一锗晶体层110。所述第一温度范围为200至900℃，优化为400℃，第一锗晶体层110的厚度范围是为10 nm至1μm，优化为200 nm。
参考步骤S13，对第一锗晶体层110实施原位退火。本步骤为可选步骤，退火的温度范围为550至900℃，优化为800℃，H2或者其他惰性气体等保护气氛下，可以为常压，也可以是减压，优化压强为10 Torr，退火时间为1分钟至5小时，优化为1小时。
附图2D所示，参考步骤S14，在第一锗晶体层110表面采用第二温度生长第二锗晶体层120，所述第一温度低于第二温度。外延温度为200至900℃，优化为650℃。本步骤实施完毕后，应当控制第一锗晶体层110和第二锗晶体层120的总厚度至所需要的厚度，例如1μm。
参考步骤S15，对第二锗晶体层120实施原位退火。本步骤请参考对步骤S13的解释说明。
以上步骤S12采用低温条件生长锗晶体，外延生长速度低，具有二维生长特性且完全弛豫，而这层薄的低温锗层具有较多的缺陷；而步骤S14采用高温条件生长锗晶体，外延速度快，这层高温锗层可以降低缺陷密度；步骤S13和S15的退火则进一步降低缺陷密度和表面粗糙度。
生长低温锗晶体层的目的在于使锗晶体弛豫以降低晶格适配应力，故步骤S12至S15是可以循环实施的，以充分发挥低温生长锗晶体降低晶格适配应力这一技术效果。若循环实施步骤S22至S25，则在循环过程中并不直接将总厚度生长至目标厚度，而是为后续生长保留一余量，直至最后一步高温外延工艺才将总厚度生长至目标厚度。
接下来给出本发明的第二具体实施方式。
附图3所示是本发明第二具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤S30，提供支撑衬底，所述支撑衬底为晶体材料；步骤S31，在支撑衬底表面生长缓冲层，缓冲层的材料与支撑衬底的材料相同；步骤S32，在缓冲层表面采用第一温度外延生长第一锗晶体层；步骤S33，对第一锗晶体层实施原位退火；步骤S34，在第一锗晶体层表面采用第二温度生长第二锗晶体层，所述第一温度低于第二温度；步骤S35，对第二锗晶体层实施原位退火；步骤S36，在第二锗晶体层表面采用第二温度外延生长第三锗晶体层；步骤S37，对第三锗晶体层实施原位退火。
步骤S30至步骤S35的实施方法与前一具体实施方式相同，不再赘述。
步骤S36和S37的实质上是采用了两步法生长高温锗晶体层，该方法适用于锗晶体层目标厚度较大的情况，通常一次高温外延生长锗晶体层的厚度不宜超过1μm，并优选为500nm，否则容易引起较大的晶格应变从而产生位错等缺陷，故选择在外延生长的过程中引入原位退火工艺，采用两次甚者更多次的分段生长方法来释放应力。
综上所述，虽然本发明已用较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所申请的专利范围所界定者为准。
Claims (10)
1.一种锗衬底的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供支撑衬底，所述支撑衬底为晶体材料；
在支撑衬底表面采用第一温度外延生长第一锗晶体层；
在第一锗晶体层表面采用第二温度外延生长第二锗晶体层，所述第一温度低于第二温度。
2.根据权利要求1所述的锗衬底的生长方法，其特征在于，多次交替实施生长第一锗晶体层的步骤和第二锗晶体层的步骤，获得第一锗晶体层和第二锗晶体层的堆叠结构。
3.根据权利要求1或2所述的锗衬底的生长方法，其特征在于，在首次生长第一锗晶体层之前进一步包括如下步骤： 在支撑衬底表面生长缓冲层，缓冲层的材料与支撑衬底的材料相同，后续第一锗晶体生长于缓冲层的表面。
4.根据权利要求1所述的锗衬底的生长方法，其特征在于，所述支撑衬底的材料为单晶硅。
5.根据权利要求1所述的锗衬底的生长方法，其特征在于，所述第一温度和第二温度的取值范围均是200℃至900℃。
6.根据权利要求1所述的锗衬底的生长方法，其特征在于，在生长第一锗晶体层之后进一步包括如下步骤： 对第一锗晶体层实施原位退火。
7.根据权利要求1所述的锗衬底的生长方法，其特征在于，在生长第二锗晶体层之后进一步包括如下步骤： 对第二锗晶体层实施原位退火。
8.根据权利要求6或7所述的锗衬底的生长方法，其特征在于，所述对第一锗晶体层和第二锗晶体层实施原位退火的步骤中，原位退火的温度范围是550℃至900℃，退火气氛为氢气。
9.根据权利要求7所述的锗衬底的生长方法，其特征在于，在对第二锗晶体层实施原位退火之后进一步包括如下步骤： 在第二锗晶体层表面采用第二温度外延生长第三锗晶体层。
10.一种锗衬底，包括支撑衬底和外延生长于支撑衬底表面的锗晶体层，所述支撑衬底为晶体材料，其特征在于，所述锗晶体层至少包括一采用第一温度外延生长的第一锗晶体层，和一采用第二温度外延生长的第二锗晶体层，所述第一温度低于第二温度。
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|---|---|
| CN (1) | CN102383192B (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106024717A (zh) * | 2016-05-24 | 2016-10-12 | 西安电子科技大学 | 带隙改性Ge CMOS集成器件及其制备方法 |
| CN106012001A (zh) * | 2016-05-24 | 2016-10-12 | 西安电子科技大学 | 带隙改性Ge材料及其制备方法 |
| CN107452682A (zh) * | 2016-08-25 | 2017-12-08 | 西北大学 | 激光再晶化Ge CMOS器件及其制备方法 |
| CN107546103A (zh) * | 2016-06-28 | 2018-01-05 | 西安电子科技大学 | 一种与Si工艺兼容的直接带隙Ge材料及其制备方法 |
| CN107546116A (zh) * | 2016-06-28 | 2018-01-05 | 西安电子科技大学 | SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料及其制备方法 |
| CN107621676A (zh) * | 2017-08-11 | 2018-01-23 | 西安科锐盛创新科技有限公司 | 一种光模块 |
| CN116666500A (zh) * | 2023-07-24 | 2023-08-29 | 上海铭锟半导体有限公司 | 锗光电探测器及通过热失配应力提高其长波响应的方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030139000A1 (en) * | 2002-01-23 | 2003-07-24 | International Business Machines Corporation | Method of creating high-quality relaxed SiGe-on-insulator for strained Si CMOS applications |
| CN1577809A (zh) * | 2003-07-01 | 2005-02-09 | 国际商业机器公司 | 绝缘体上SiGe衬底材料的制作方法及衬底材料 |
| CN1822386A (zh) * | 2005-01-05 | 2006-08-23 | 硅电子股份公司 | 具有硅－锗层的半导体晶片及其制备方法 |
| CN1875473A (zh) * | 2003-11-03 | 2006-12-06 | 国际商业机器公司 | 绝缘体上硅锗(sgoi)和绝缘体上锗(goi)衬底的制造方法 |
| CN101246819A (zh) * | 2007-11-13 | 2008-08-20 | 清华大学 | 应变锗薄膜的制备方法 |
| CN101483202A (zh) * | 2009-02-12 | 2009-07-15 | 北京索拉安吉清洁能源科技有限公司 | 单晶硅衬底多结太阳电池 |
| CN101866834A (zh) * | 2009-12-11 | 2010-10-20 | 清华大学 | 低温减压化学气相淀积选择性外延高Ge组分SiGe材料 |
| CN101866835A (zh) * | 2010-05-19 | 2010-10-20 | 中国科学院半导体研究所 | 一种高锗组分锗硅虚衬底的制备方法 |
| CN102107852A (zh) * | 2009-12-24 | 2011-06-29 | 中国科学院微电子研究所 | 半导体纳米结构和制造方法及其应用 |
-
2011
- 2011-07-29 CN CN201110215672.0A patent/CN102383192B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030139000A1 (en) * | 2002-01-23 | 2003-07-24 | International Business Machines Corporation | Method of creating high-quality relaxed SiGe-on-insulator for strained Si CMOS applications |
| CN1577809A (zh) * | 2003-07-01 | 2005-02-09 | 国际商业机器公司 | 绝缘体上SiGe衬底材料的制作方法及衬底材料 |
| CN1875473A (zh) * | 2003-11-03 | 2006-12-06 | 国际商业机器公司 | 绝缘体上硅锗(sgoi)和绝缘体上锗(goi)衬底的制造方法 |
| CN1822386A (zh) * | 2005-01-05 | 2006-08-23 | 硅电子股份公司 | 具有硅－锗层的半导体晶片及其制备方法 |
| CN101246819A (zh) * | 2007-11-13 | 2008-08-20 | 清华大学 | 应变锗薄膜的制备方法 |
| CN101483202A (zh) * | 2009-02-12 | 2009-07-15 | 北京索拉安吉清洁能源科技有限公司 | 单晶硅衬底多结太阳电池 |
| CN101866834A (zh) * | 2009-12-11 | 2010-10-20 | 清华大学 | 低温减压化学气相淀积选择性外延高Ge组分SiGe材料 |
| CN102107852A (zh) * | 2009-12-24 | 2011-06-29 | 中国科学院微电子研究所 | 半导体纳米结构和制造方法及其应用 |
| CN101866835A (zh) * | 2010-05-19 | 2010-10-20 | 中国科学院半导体研究所 | 一种高锗组分锗硅虚衬底的制备方法 |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106024717A (zh) * | 2016-05-24 | 2016-10-12 | 西安电子科技大学 | 带隙改性Ge CMOS集成器件及其制备方法 |
| CN106012001A (zh) * | 2016-05-24 | 2016-10-12 | 西安电子科技大学 | 带隙改性Ge材料及其制备方法 |
| CN106024717B (zh) * | 2016-05-24 | 2019-02-19 | 西安电子科技大学 | 带隙改性Ge CMOS集成器件及其制备方法 |
| CN107546103A (zh) * | 2016-06-28 | 2018-01-05 | 西安电子科技大学 | 一种与Si工艺兼容的直接带隙Ge材料及其制备方法 |
| CN107546116A (zh) * | 2016-06-28 | 2018-01-05 | 西安电子科技大学 | SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料及其制备方法 |
| CN107546103B (zh) * | 2016-06-28 | 2019-09-20 | 西安电子科技大学 | 一种与Si工艺兼容的直接带隙Ge材料及其制备方法 |
| CN107546116B (zh) * | 2016-06-28 | 2019-10-18 | 西安电子科技大学 | SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料及其制备方法 |
| CN107452682A (zh) * | 2016-08-25 | 2017-12-08 | 西北大学 | 激光再晶化Ge CMOS器件及其制备方法 |
| CN107621676A (zh) * | 2017-08-11 | 2018-01-23 | 西安科锐盛创新科技有限公司 | 一种光模块 |
| CN116666500A (zh) * | 2023-07-24 | 2023-08-29 | 上海铭锟半导体有限公司 | 锗光电探测器及通过热失配应力提高其长波响应的方法 |
| CN116666500B (zh) * | 2023-07-24 | 2023-11-03 | 上海铭锟半导体有限公司 | 锗光电探测器及通过热失配应力提高其长波响应的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102383192B (zh) | 2014-06-18 |
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