CN102386068B - 锗硅衬底的生长方法以及锗硅衬底 - Google Patents

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Abstract

一种锗硅衬底的生长方法，包括如下步骤：提供单晶硅支撑衬底；在单晶硅支撑衬底表面形成籽晶层，所述籽晶层的材料为单晶锗硅；在籽晶层的表面形成插入层，所述插入层的材料为锗组分大于籽晶层中锗组分的单晶锗硅；在插入层的表面形成锗硅晶体层。

Description

锗硅衬底的生长方法以及锗硅衬底
技术领域
本发明是关于锗硅衬底的生长方法以及锗硅衬底，特别涉及具有高晶体质量的锗硅衬底的生长方法以及锗硅衬底。
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。
硅基衬底材料，如绝缘体上应变硅、绝缘体上应变锗硅等高速衬底材料一方面具有比硅高的多的载流子迁移率，另一方面他们的器件制备工艺可以同传统的硅器件工艺兼容，因而得到研究领域和产业界的高度重视。
无论是制备绝缘体上应变硅、绝缘体上应变锗硅材料，均是通过层转移的办法获得。因此，在单晶硅衬底上外延获得高质量的锗硅材料成为制备制备绝缘体上应变硅、绝缘体上应变锗硅材料的基础和前提。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高晶体质量的锗硅衬底的生长方法以及锗硅衬底。
为了解决上述问题，本发明提供了一种锗硅衬底的生长方法，包括如下步骤：提供单晶硅支撑衬底；在单晶硅支撑衬底表面形成籽晶层，所述籽晶层的材料为单晶锗硅；在籽晶层的表面形成插入层，所述插入层的材料为锗组分大于籽晶层中锗组分的单晶锗硅；在插入层的表面形成锗硅晶体层。
作为可选的技术方案，所述锗硅晶体层由固定组分的锗硅晶体或者渐变组分的锗硅晶体构成。
作为可选的技术方案，所述生长插入层的步骤进一步包括多次交替实施生长第一插入层的步骤和第二插入层的步骤，以获得第一插入层和第二插入层的堆叠结构，所述第一插入层和第二插入层均为单晶锗硅层，且第一插入层与第二插入层具有不同的锗组分；所述第一插入层和第二插入层的总厚度为5nm至1 μm。
本发明进一步提供了一种锗硅衬底，包括单晶硅支撑衬底、籽晶层和锗硅晶体层以及设置于前籽晶层和锗硅晶体层之间的插入层，所述籽晶层的材料为单晶锗硅，所述插入层的材料为锗组分大于籽晶层中锗组分的单晶锗硅。
作为可选的技术方案，所述插入层进一步包括由多个第一插入层和多个第二插入层交替设置构成的堆叠结构，所述第一插入层和第二插入层均为单晶锗硅层，且第一插入层与第二插入层具有不同的锗组分。
作为可选的技术方案，所述第一插入层和第二插入层的总厚度为5 nm至1 μm。
本发明的优点在于,通过引入锗组分较大的锗硅插入层作为晶体缺陷的吸收层，在此基础上外延，可以获得高质量外延的锗硅材料。
附图说明
附图1所示是本发明具体实施方式的实施步骤示意图。
附图2A至附图2E所示是本发明具体实施方式的工艺示意图。
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硅衬底的生长方法以及锗硅衬底具体实施方式。
附图1所示是本发明具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤S10，提供单晶硅支撑衬底；步骤S11，在单晶硅支撑衬底表面生长籽晶层；步骤S12，在籽晶层表面形成第一插入层，所述第一插入层的材料为为锗组分大于籽晶层中锗组分的单晶锗硅；步骤S13，在第一插入层的表面形成第二插入层，所述第二插入层的材料为为锗组分大于籽晶层中锗组分的单晶锗硅，且第一插入层与第二插入层具有不同的锗组分；步骤S14，在第二插入层的表面形成锗硅晶体层。
附图2A至附图2E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，提供单晶硅支撑衬底100。所述支撑衬底100除普通的单晶硅体材料之外，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表面生长籽晶层101，籽晶层101的材料与后续生长的锗硅晶体层的材料相同。籽晶层101的厚度为小于1μm，优化为100 nm。
作为可选的步骤，还可以在生长籽晶层之前首先生长缓冲层，缓冲层的材料与支撑衬底100的材料相同。缓冲层的厚度为小于1μm，优化为10nm。此步骤为可选步骤，其目的为减小单晶硅支撑衬底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，在籽晶层101表面形成第一插入层110，所述第一插入层110的材料为单晶锗硅。第一插入层110的材料为锗组分大于籽晶层101中锗组分的单晶锗硅。插入层120的目的在于作为晶体缺陷的陷阱层，吸收籽晶层101在生长时由于晶格失配等原因产生的晶格缺陷，实验表明，插入层的锗组分大于籽晶层101中锗组分有利于吸收晶格缺陷，特别是吸收在外延界面产生的晶格失配位错和线位错。生长可以采用外延工艺，反应气体为GeH4和二氯硅烷（DCS），Ge组分由锗烷流量控制，以Si0.8Ge0.2为例，GeH4流量为25sccm，DCS流量为75毫升/分钟，生长温度为650℃，H2流量为20升/分钟，第一插入层110的生长厚度为1nm至1μm，优化为50 nm。
附图2D所示，参考步骤S13，在第一插入层110的表面形成第二插入层120，所述第二插入层120的材料亦为为锗组分大于籽晶层101中锗组分的单晶锗硅。第二插入层120的生长工艺参见前一步骤的叙述，生长厚度为1nm至1μm，优化为50 nm。所述第一插入层110和第二插入层120均为单晶锗硅层，且第一插入层110与第二插入层120具有不同的锗组分，这有利于进一步吸收晶格缺陷。
上述步骤S12和S13可以多次重复，形成多层堆叠结构，以反复多次的吸收更多的晶格缺陷，所述第一插入层110和第二插入层120构成的堆叠结构的总厚度为5 nm至1 μm，并优化为50nm。
附图2E所示，参考步骤S14，在第二插入层120的表面形成锗硅晶体层130。此步骤中的锗硅晶体层130既可以是固定组分的锗硅材料，也可以是驰豫的渐变组分锗硅材料，如果外延渐变锗硅材料，以第二插入层120的材料为硅单晶，目标为Si0.6Ge0.4为例，先外延1μm的Si0.9Ge0.1，随后外延1μm的Si0.8Ge0.2，再外延1μm的Si0.7Ge0.3，最终外延1μm的Si0.6Ge0.4，即优化生长为以10%的Ge浓度作为生长梯度进行，每层厚度优化为1μm。如果外延固定组分的锗硅晶体层130，则直接在第二插入层120上生长即可，在直接生长的情况下，固定组分的锗硅晶体层130应当是应变材料。
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 (5)

1.一种锗硅衬底的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供单晶硅支撑衬底；
在单晶硅支撑衬底表面形成籽晶层，所述籽晶层的材料为单晶锗硅；
在籽晶层的表面形成插入层，所述插入层的材料为锗组分大于籽晶层中锗组分的单晶锗硅；
在插入层的表面形成锗硅晶体层；
所述生长插入层的步骤进一步包括多次交替实施生长第一插入层的步骤和第二插入层的步骤，以获得第一插入层和第二插入层的堆叠结构，所述第一插入层和第二插入层均为单晶锗硅层，且第一插入层与第二插入层具有不同的锗组分。
2.根据权利要求1所述的锗硅衬底的生长方法，其特征在于，所述锗硅晶体层由固定组分的锗硅晶体或者渐变组分的锗硅晶体构成。
3.根据权利要求1所述的锗硅衬底的生长方法，其特征在于，所述第一插入层和第二插入层的总厚度为5nm至1 μm。
4.一种锗硅衬底，包括单晶硅支撑衬底、籽晶层和锗硅晶体层以及设置于籽晶层和锗硅晶体层之间的插入层，所述籽晶层的材料为单晶锗硅，其特征在于，所述插入层的材料为锗组分大于籽晶层中锗组分的单晶锗硅，所述插入层进一步包括由多个第一插入层和多个第二插入层交替设置构成的堆叠结构，所述第一插入层和第二插入层均为单晶锗硅层，且第一插入层与第二插入层具有不同的锗组分。
5.根据权利要求4所述的锗硅衬底，其特征在于，所述第一插入层和第二插入层的总厚度为5 nm至1 μm。
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体硅上外延超薄Si1-xGex用于制备SGOI材料;薛忠营等;《功能材料与器件学报》;20110430;第17卷(第2期);第147页至第150页 *
薛忠营等.体硅上外延超薄Si1-xGex用于制备SGOI材料.《功能材料与器件学报》.2011,第17卷(第2期),147-150.

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