CN106298457A - 一种SiGe/Si外延片生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体材料技术领域，特别涉及一种SiGe/Si外延片生长方法，包括以下步骤：提供并清洗单晶Si衬底；在单晶Si衬底的外延生长面设置一碳纳米管层；在碳纳米管层的表面形成掺碳缓冲层，所述掺碳缓冲层中碳含量小于1％；在所述掺碳缓冲层的表面形成晶种缓冲层；在所述晶种缓冲层表面形成SiGe外延层。本发明通过引入碳纳米管层以及掺碳缓冲层共同作用，减少了外延生长过程中的位错，减少了外延片缺陷，提高了锗硅外延片质量。

Description

一种SiGe/Si外延片生长方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料技术领域，特别涉及一种SiGe/Si外延片生长方法。
背景技术
近年来,硅基Ⅳ—Ⅳ族两相合金的光电性质和荧光特性受到了科学界的广泛关注,硅基材料，如硅基锗硅材料，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，其中,锗硅异质结成为研究的热点之一，锗材料由于比较高空穴载流子迁移率而备受关注，锗硅材料在研究中都呈现出了远远高于现有硅材料的空穴迁移率，非常适合于应用于未来CMOS工艺中制备PMOS器件。
但是由于锗材料的晶格常数与硅不同，存在4.2％晶格失配，直接在硅衬底上外延锗会产生大量的位错穿通到表面形成缺陷，极大的恶化制备出的MOS器件的性能,无法应用于半导体MOS器件的制造。因此，需要提供一种在单晶硅衬底上外延获得高质量的锗硅材料的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种SiGe/Si外延片生长方法，减小锗硅材料生长过程中产生的位错，提高硅锗材料质量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种SiGe/Si外延片生长方法，包括以下步骤：提供并清洗单晶Si衬底；在单晶Si衬底的外延生长面设置一碳纳米管层；在碳纳米管层的表面形成掺碳缓冲层，所述掺碳缓冲层中碳含量小于1％；在所述掺碳缓冲层的表面形成晶种缓冲层；在所述晶种缓冲层表面形成SiGe外延层。
优选地，清洗单晶Si衬底后立即在单晶Si衬底外延生长面设置碳纳米管层。
优选地，外延生长前对设置有碳纳米管层的单晶Si衬底进行热处理，热处理在氢气氛围下进行。
优选地，外延生长前对设置有碳纳米管层的单晶Si衬底进行热处理，热处理时通入0.1sccm～0.5sccmGeH4，温度范围650℃～750℃。
优选地，所述碳纳米管层为包括多个碳纳米管的连续的整体结构，碳纳米管层中多个碳纳米管沿着平行于外延片生长方向延伸。
优选地，所述掺碳缓冲层中碳含量0.5％～0.9％。
优选地，外延生长在超高真空化学气相沉积系统下进行，SiGe外延层低温生长，生长温度范围450℃～550℃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：碳纳米管层起到选择性生长的作用，抑制位错生长；Si-Ge键比Si-Si键要长,而Si-C键比Si-Si键就短一些,由此,在硅衬底上生长SiGe薄膜时,膜内会存在一定的压应变；相反,在硅衬底上生长SiC时,则会有拉应变，掺碳缓冲层在硅锗中掺入碳，利用拉伸和压缩的相反效果会缓解晶格失配形成的应变；通过引入碳纳米管层以及掺碳缓冲层共同作用，减少了外延生长过程中的位错，减少了外延片缺陷，提高了锗硅外延片质量。此外，SiGe外延层可在较低温下生长，在保证缺陷较少的前提下，可以非常有效改善外延层的粗糙度，提高表面质量。
具体实施方式
接下来结合实施例详细介绍本发明所述的一种SiGe/Si外延片生长方法，实施例在真空度可达1×10-7Pa的超高真空化学气相沉积系统下进行，只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
实施例1
一种SiGe/Si外延片生长方法，包括以下步骤：
提供并清洗单晶Si衬底：提供Si(100)晶面单晶Si衬底，常规方法清洗；
在单晶Si衬底的外延生长面设置一碳纳米管层：清洗单晶Si衬底后立即在单晶Si衬底外延生长面铺设碳纳米管层，可以及时将清洁的Si衬底保护起来，在一定程度上减少清洗后单晶Si表面氧化，有助于提高衬底清洁度，进而提高外延片质量。碳纳米管层包括多个碳纳米管的连续的整体结构，碳纳米管层中多个碳纳米管沿着平行于外延片生长方向延伸。
在碳纳米管层的表面形成掺碳缓冲层，所述掺碳缓冲层中碳含量小于1％：将铺设有碳纳米管层的单晶Si衬底装入外延生长系统,750℃在氢气氛围下热处理，进一步去除单晶Si表面杂质。600℃下以SiH4、GeH4和SiH3CH3为原料生长碳含量0.8％的掺碳缓冲层SiGeC层，在第Ⅳ主族中,原子半径由碳、硅、锗逐渐增大,Si-Ge键比Si-Si键要长,而Si-C键比Si-Si键就短一些,由此,在硅衬底上生长SiGe薄膜时,膜内会存在一定的压应变；相反,在硅衬底上生长SiC时,则会有拉应变，如果能在锗硅外延层中加入适量碳,利用拉伸和压缩的相反效果会达到应变的缓解。
在所述掺碳缓冲层的表面形成晶种缓冲层：400℃下以SiH4、GeH4为原料生长SiGe晶种缓冲层。
在所述晶种缓冲层表面形成SiGe外延层：480℃下以SiH4、GeH4为原料生长SiGe外延层。
本实施例其位错密度低于103cm-2，表面粗糙度在1nm以下。
实施例2
一种SiGe/Si外延片生长方法，包括以下步骤：
提供并清洗单晶Si衬底：提供Si(100)晶面单晶Si衬底，常规方法清洗；
在单晶Si衬底的外延生长面设置一碳纳米管层：清洗单晶Si衬底后立即在单晶Si衬底外延生长面铺设碳纳米管层。碳纳米管层包括多个碳纳米管的连续的整体结构，碳纳米管层中多个碳纳米管沿着平行于外延片生长方向延伸。
在碳纳米管层的表面形成掺碳缓冲层，所述掺碳缓冲层中碳含量小于1％：将铺设有碳纳米管层的单晶Si衬底装入外延生长系统,650℃在氢气氛围下热处理，热处理时通入0.1sccmGeH4，进一步去除单晶Si表面杂质。600℃下以SiH4、GeH4和SiH3CH3为原料生长碳含量0.5％的掺碳缓冲层SiGeC层。
在所述掺碳缓冲层的表面形成晶种缓冲层：400℃下以SiH4、GeH4为原料生长SiGe晶种缓冲层。
在所述晶种缓冲层表面形成SiGe外延层：520℃下以SiH4、GeH4为原料生长SiGe外延层。
本实施例其位错密度低于103cm-2，表面粗糙度在1nm以下。

Claims (7)

1.一种SiGe/Si外延片生长方法，其特征在于，包括以下步骤：提供并清洗单晶Si衬底；在单晶Si衬底的外延生长面设置一碳纳米管层；在碳纳米管层的表面形成掺碳缓冲层，所述掺碳缓冲层中碳含量小于1％；在所述掺碳缓冲层的表面形成晶种缓冲层；在所述晶种缓冲层表面形成SiGe外延层。
2.根据权利要求1所述的一种SiGe/Si外延片生长方法，其特征在于：清洗单晶Si衬底后立即在单晶Si衬底外延生长面设置碳纳米管层。
3.根据权利要求1所述的一种SiGe/Si外延片生长方法，其特征在于：外延生长前对设置有碳纳米管层的单晶Si衬底进行热处理，热处理在氢气氛围下进行。
4.根据权利要求1所述的一种SiGe/Si外延片生长方法，其特征在于：外延生长前对设置有碳纳米管层的单晶Si衬底进行热处理，热处理时通入0.1sccm～0.5sccmGeH4，温度范围650℃～750℃。
5.根据权利要求1所述的一种SiGe/Si外延片生长方法，其特征在于：所述碳纳米管层为包括多个碳纳米管的连续的整体结构，碳纳米管层中多个碳纳米管沿着平行于外延片生长方向延伸。
6.根据权利要求1所述的一种SiGe/Si外延片生长方法，其特征在于：所述掺碳缓冲层中碳含量0.5％～0.9％。
7.根据权利要求1所述的一种SiGe/Si外延片生长方法，其特征在于：外延生长在超高真空化学气相沉积系统下进行，SiGe外延层低温生长，生长温度范围450℃～550℃。
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