CN103745913A - 应变层的生长方法以及带有应变层的衬底 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应变层的生长方法以及带有应变层的衬底。所述方法包括如下步骤：提供衬底，所述衬底包括支撑层，支撑层表面的埋层以及埋层表面的顶层半导体层；在顶层半导体层中形成贯通的腐蚀窗口；在顶层半导体层的腐蚀窗口处形成桥接条，所述桥接条的两端均与顶层半导体层表面连接，所述桥接条采用磁致伸缩材料制成；通过腐蚀窗口腐蚀埋层，以使桥接条和部分的顶层半导体层悬空；改变所述桥接条的环境磁场，使所述桥接条发生伸缩，从而使悬空的顶层半导体层发生应变。本发明的优点在于，利用磁致伸缩现象会在磁场变化下引入明显的尺寸改变的特性，通过桥接条引入足够的应变力，是一种低成本而高效的方法。

Description

应变层的生长方法以及带有应变层的衬底
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，尤其涉及一种应变层的生长方法以及带有应变层的衬底。
背景技术
微电子技术的高速发展使得摩尔定律越来越接近其物理极限，硅基光电集成在近年来被认为是能够有效解决摩尔定律的延伸。目前，阻碍硅基光电集成的主要障碍是如何解决硅基与CMOS兼容的光源问题。因此，寻找一种能与硅基工艺相兼容的有效发光材料是硅基光电集成的重要所在。
当Ge薄膜中的张应力大约2%（当Ge高掺杂时，需要的张应力更小），可以由原来的间接带隙转变为直接带隙，满足了硅基光电集成的材料要求，因此可以用来制作硅基激光器，从而为低成本片上实现光电集成提供了途径。
制备张应力Ge薄膜的方法主要有一下几种：1、利用Ge与Si热膨胀系数的差异，通过直接热处理得到张应变的Ge薄膜，但是这种方法得到的应变Ge的度小，仅~0.3%；2、利用III-V族化合物作为缓冲层，可以得到大应力的应变Ge，但是由于外延III-V族材料需要MBE或者MOCVD，价格昂贵，生长速度慢，从而增加了成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种应变层的生长方法以及带有应变层的衬底，能够以较低的成本获得较大的应变。
为了解决上述问题，本发明提供了一种应变层的生长方法，包括如下步骤：提供衬底，所述衬底包括支撑层，支撑层表面的埋层以及埋层表面的顶层半导体层；在顶层半导体层中形成贯通的腐蚀窗口；在顶层半导体层的腐蚀窗口处形成桥接条，所述桥接条的两端均与顶层半导体层表面连接，所述桥接条采用磁致伸缩材料制成；通过腐蚀窗口腐蚀埋层，以使桥接条和部分的顶层半导体层悬空；改变所述桥接条的环境磁场，使所述桥接条发生伸缩，从而使悬空的顶层半导体层发生应变。
可选的，所述顶层半导体层的材料选自于锗、硅以及III-V族化合物半导体中的任意一种。
可选的，所述桥接条的材料为负磁致伸缩材料。
可选的，所述桥接条为磁致伸缩材料与非磁性材料交替形成的多层结构。
可选的，改变所述桥接条的环境磁场的步骤，进一步是采用一设置于衬底中的线圈施加的。
可选的，改变所述桥接条的环境磁场的步骤，进一步是采用外部施加磁场的方法。
本发明进一步提供了一种带有应变层的衬底，包括支撑层，支撑层表面的埋层以及埋层表面的顶层半导体层，所述顶层半导体层和埋层中具有一贯通的窗口，所述窗口一侧的埋层内陷以使顶层半导体层悬空，在顶层半导体层的窗口处设置一桥接条，所述桥接条的一端与顶层半导体层悬空部分的表面连接，另一端与悬空部分在窗口中的相对侧表面连接，所述桥接条采用磁致伸缩材料制成。
本发明的优点在于，利用磁致伸缩现象会在磁场变化下引入明显的尺寸改变的特性，通过桥接条引入足够的应变力，是一种低成本而高效的方法。
附图说明
附图1所示是本发明所述具体实施方式的实施步骤示意图。
附图2A至附图2E所示是本发明所述具体实施方式的工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的一种应变层的生长方法以及带有应变层的衬底的具体实施方式做详细说明。
附图1所示是本发明所述具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤S10，提供衬底，所述衬底包括支撑层，支撑层表面的埋层以及埋层表面的顶层半导体层；步骤S11，在顶层半导体层中形成贯通的腐蚀窗口；步骤S12，在顶层半导体层的腐蚀窗口处形成桥接条，所述桥接条的两端均与顶层半导体层表面连接，所述桥接条采用磁致伸缩材料制成；步骤S13，通过腐蚀窗口腐蚀埋层，以使桥接条和部分的顶层半导体层悬空；步骤S14，改变所述桥接条的环境磁场，使所述桥接条发生伸缩，从而使悬空的顶层半导体层发生应变。
附图2A至附图2E所示是本发明所述具体实施方式的工艺示意图。
附图2A所示，参考步骤S10，提供衬底200，所述衬底包括支撑层201，支撑层201表面的埋层202，以及埋层202表面的顶层半导体层203。所述支撑层201的材料可以是包括单晶硅和蓝宝石等材料的任意一种常见的衬底材料。所述顶层半导体层203的材料选自于锗、硅以及III-V族化合物半导体中的任意一种。所述埋层202的材料应当选用与顶层半导体层203之间有腐蚀选择性的材料，例如可以是氧化硅或者氮化硅等。
附图2B所示，参考步骤S11，在顶层半导体层203中形成贯通的腐蚀窗口210。形成腐蚀窗口210的方法可以包括如下步骤：在顶层半导体层203的表面形成图形化腐蚀阻挡层；通过图形化的腐蚀阻挡层对顶层半导体层203实施干法刻蚀以形成腐蚀窗口210。
附图2C所示，参考步骤S12，在顶层半导体层203的腐蚀窗口210处形成桥接条230，所述桥接条230的两端均与顶层半导体层203表面连接。所述形成桥接条230的工艺进一步选自于溶胶-凝胶法，物理沉积和化学沉积方法中的任意一种。该工艺形成的是连续的薄膜，需要经过图形化以形成具有预定形状的桥接条230。磁致伸缩效应指的是,当铁磁体在磁场中被磁化时,其体积或长度会发生变化的现象。如果磁性体在磁化方向的长度增大,则称为正磁致伸缩，主要有TbDyFe和Fe等材料；反之,如果磁性体在磁化方向的长度减小,则称为负磁致伸缩，主要有SmFe2和Ni等材料。所述桥接条230的材料为负磁致伸缩材料，即在外加磁场增加的情况下材料会发生收缩。由于通常需要在顶层半导体层203中引入张应变，因此桥接条230采用负磁致伸缩材料是一种优选方案。所述桥接条230进一步还可以是磁致伸缩材料与非磁性材料交替形成的多层结构，其优点在于可以通过改变磁致伸缩材料层与非磁性层材料层的厚度配比，就可以改变磁层之间的耦合作用力,从而出现与单层膜不同的特性。本步骤中的磁场进一步可以是采用一设置于衬底中的线圈施加的，或者是采用外部施加磁场的方法施加的。
附图2D所示，参考步骤S13，通过腐蚀窗口210腐蚀埋层202，以使桥接条230和部分的顶层半导体层203悬空。桥接条230是跨接在腐蚀窗口210两端的，所述腐蚀窗口210在垂直图面的方向应当暴露出部分埋层202，此处在剖面图中无法图示。此处的腐蚀应当采取对埋层202有较高腐蚀速率的选择性腐蚀方法，例如对于顶层半导体层203为单晶硅或单晶锗，而埋层202为氧化硅或氮化硅的实施方式而言，可以采用氢氟酸作为腐蚀液进行腐蚀。本具体实施方式以腐蚀窗口210单侧的顶层半导体层203悬空为例进行叙述，对于无需悬空的部分，可以采用光刻胶等材料覆盖以形成阻挡。在其他的具体实施方式中，也可以使腐蚀窗口210的两相对侧的顶层半导体层203全部悬空。
附图2E所示，参考步骤S14，改变所述桥接条230的环境磁场，使所述桥接条230发生伸缩，从而使悬空的顶层半导体层203发生应变。磁致伸缩材料在环境磁场改变的情况下都会膨胀或收缩，这种伸缩的尺度远大于由于热胀冷缩等效应引起伸缩的尺度，因够在顶层半导体层203中引入足够的应力。众所周知，纯铁、纯镍等磁性材料的磁致伸缩很小,约10-5~10-6数量级,几乎与普通金属的热膨胀系数相同。而稀土铁合金的磁致伸缩量却很大,约10-3数量级,比普通磁性材料大3个数量级。用这种磁性材料做成的驱动器有位移量大、驱动力大、响应速度快、驱动电压低、滞后小并可调节等特点。
上述步骤实施完毕后即获得了一种带有应变层的衬底200，包括支撑层201，支撑层201表面的埋层202以及埋层202表面的顶层半导体层203。所述顶层半导体层203和埋层202中具有一贯通的窗口210，所述窗口210一侧的埋层202内陷以使顶层半导体203层悬空。在顶层半导体层203的窗口处设置一桥接条230，所述桥接条230的一端与顶层半导体层203悬空部分的表面连接，另一端与悬空部分在窗口210中的相对侧表面连接，所述桥接条230采用磁致伸缩材料制成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种应变层的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供衬底，所述衬底包括支撑层，支撑层表面的埋层以及埋层表面的顶层半导体层；
在顶层半导体层中形成贯通的腐蚀窗口；
在顶层半导体层的腐蚀窗口处形成桥接条，所述桥接条的两端均与顶层半导体层表面连接，所述桥接条采用磁致伸缩材料制成；
通过腐蚀窗口腐蚀埋层，以使桥接条和部分的顶层半导体层悬空；
改变所述桥接条的环境磁场，使所述桥接条发生伸缩，从而使悬空的顶层半导体层发生应变。
2.根据权利要求1所述的应变层的生长方法，其特征在于，所述顶层半导体层的材料选自于锗、硅以及III-V族化合物半导体中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的应变层的生长方法，其特征在于，所述桥接条的材料为负磁致伸缩材料。
4.根据权利要求1所述的应变层的生长方法，其特征在于，所述桥接条为磁致伸缩材料与非磁性材料交替形成的多层结构。
5.根据权利要求1所述的应变层的生长方法，其特征在于，改变所述桥接条的环境磁场的步骤，进一步是采用一设置于衬底中的线圈施加的。
6.根据权利要求1所述的应变层的生长方法，其特征在于，改变所述桥接条的环境磁场的步骤，进一步是采用外部施加磁场的方法。
7.一种带有应变层的衬底，包括支撑层，支撑层表面的埋层以及埋层表面的顶层半导体层，其特征在于，所述顶层半导体层和埋层中具有一贯通的窗口，所述窗口一侧的埋层内陷以使顶层半导体层悬空，在顶层半导体层的窗口处设置一桥接条，所述桥接条的一端与顶层半导体层悬空部分的表面连接，另一端与悬空部分在窗口中的相对侧表面连接，所述桥接条采用磁致伸缩材料制成。
8.根据权利要求7所述的带有应变层的衬底，其特征在于，所述顶层半导体层的材料选自于锗、硅以及III-V族化合物半导体中的任意一种。
9.根据权利要求7所述的带有应变层的衬底，其特征在于，所述桥接条的材料为负磁致伸缩材料。
10.根据权利要求7所述的带有应变层的衬底，其特征在于，所述桥接条为磁致伸缩材料与非磁性材料交替形成的多层结构。
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