CN107785234A - 基于Si衬底的应变Ge1‑xSnx薄膜材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Si衬底的应变Ge1‑xSnx薄膜材料及其制备方法。该制备方法包括：选取Si衬底；在第一温度下，Ge衬底表面生长第一Ge籽晶层；在第二温度下，在第一Ge籽晶层表面生长第二Ge主体层；加热整个衬底，并利用激光工艺对整个衬底进行晶化，激光工艺的参数包括：激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s；冷却形成Ge/Si虚衬底材料并生长应变Ge1‑xSnx材料。本发明采用激光再晶化(Laser Re‑Crystallization，简称LRC)工艺可有效降低Ge/Si虚衬底的位错密度，进而可提高后续生长的应变Ge1‑xSnx合金薄膜质量。同时，激光再晶化工艺时间短、热预算低，可提升Si衬底上应变Ge1‑xSnx薄膜整个制程的工艺效率。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料及其制备方法。
背景技术
“摩尔定律”提出至今，硅基微电子器件的特征尺寸已接近物理极限。为了延续“摩尔定律”，新技术、新材料不断涌现。如应变技术、高K栅介质、鳍栅结构等。其中，沟道采用高迁移率材料如应变锗锡(Ge1-xSnx)合金也是研究发展的重要方向。
近年来，应变锗锡(Ge1-xSnx)合金由于具有较大的电子和空穴迁移率而成为新的研究热点，其中，空穴迁移率已经可以达到845cm2V-1s-1，可用作MOS沟道材料。利用应变Ge1- xSnx合金这种高迁移率材料，有可能实现与硅基工艺兼容的高性能、低功耗半导体集成电路。此外，应变Ge1-xSnx合金还可增大MOSFET的开关速度，在快速光通信中潜力巨大。
为了制备高质量应变Ge1-xSnx薄膜，我们首先要找到合适的衬底。采用Ge衬底虽然可以制备高质量应变Ge1-xSnx薄膜，但与Si衬底相比，Ge衬底偏贵，其机械强度和热性质也偏差。而采用Si衬底直接制备应变Ge1-xSnx薄膜，虽与Si工艺兼容，但由于二者晶格失配大，将无法获得高质量的应变Ge1-xSnx薄膜。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料及其制备方法。
具体地，本发明一个实施例提出的一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料的制备方法法，包括：
S101、选取单晶Si衬底；
S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长40～50nm的第一Ge籽晶层；
S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述第一Ge籽晶层表面生长150～250nm的第二Ge主体层；
S103、利用CVD工艺在所述第二Ge主体层表面上淀积150nm SiO2层；
S104、将包括所述单晶Si衬底、所述第一Ge籽晶层、所述第二Ge主体层及所述SiO2层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s；
S105、自然冷却所述整个衬底材料；
S106、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述SiO2层，形成Ge/Si虚衬底材料；
S107、在350℃温度下，在所述Ge/Si虚衬底材料表面利用减压CVD工艺生长50～100nm的应变Ge1-xSnx材料，以形成基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料。
本发明另一个实施例提出的一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料，其特征在于，包括：单晶Si衬底、第一Ge籽晶层、第二Ge主体层及应变Ge1-xSnx层；其中，所述应变Ge1- xSnx薄膜材料由上述实施例所述的方法制备形成。
本发明另一个实施例提出的一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料的制备方法，包括：
选取Si衬底；
在第一温度下，所述Ge衬底表面生长第一Ge籽晶层；
在第二温度下，在所述第一Ge籽晶层表面生长第二Ge主体层；
加热整个衬底，并利用激光工艺对整个衬底进行晶化，所述激光工艺的参数包括：激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s；
冷却形成Ge/Si虚衬底材料；
在所述Ge/Si虚衬底材料表面生长应变Ge1-xSnx材料，形成所述基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料。
在发明的一个实施例中，所述第一温度的范围为275℃～325℃；所述第二温度的范围为500℃～600℃。
在发明的一个实施例中，在所述第一Ge籽晶层表面生长第二Ge主体层之后，还包括：
在所述第二Ge主体层表面生长SiO2层；
相应地，冷却形成所述Ge/Si虚衬底材料，包括：
冷却包括所述SiO2层的整个衬底；
利用刻蚀工艺去除所述第二Ge主体层表面的所述SiO2层，形成所述Ge/Si虚衬底材料。
在本发明的一个实施例中，加热整个衬底的温度为700℃。
在本发明的一个实施例中，所述Ge衬底表面生长第一Ge籽晶层及在所述第一Ge籽晶层表面生长第二Ge主体层中，所述生长工艺可以为CVD工艺或者磁控溅射工艺。
在本发明的一个实施例中，在所述Ge/Si虚衬底材料表面生长应变Ge1-xSnx材料，包括：
在350℃温度下，在所述Ge/Si虚衬底材料表面利用减压CVD工艺生长50～100nm的应变Ge1-xSnx材料。
在本发明的一个实施例中，所述激光工艺使用的设备为808nm半导体激光器。
本发明另一个实施例提出的一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料，包括：单晶Si衬底、第一Ge籽晶层、第二Ge主体层及应变Ge1-xSnx层；其中，所述应变Ge1-xSnx薄膜材料由上述实施例所述的方法制备形成。
上述实施例，本发明采用激光再晶化(Laser Re-Crystallization，简称LRC)工艺即通过连续激光再晶化薄Ge/Si虚衬底，可有效降低Ge/Si虚衬底的位错密度，进而可提高后续生长的应变Ge1-xSnx合金薄膜质量；连续激光再晶化工艺选择性高，仅作用于Ge外延层，控制精确，避免了Si-Ge互扩的问题；连续激光再晶化工艺时间短、热预算低，可提升Si衬底上应变Ge1-xSnx薄膜整个制程的工艺效率。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料的工艺流程图；
图2为本发明实施例提供的一种激光晶化工艺的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种激光晶化装置的结构示意图；
图4a-图4e为本发明实施例提供的一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料的工艺示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料的工艺流程图。该方法包括如下步骤：
步骤a、选取Si衬底；
步骤b、在第一温度下，所述Ge衬底表面生长第一Ge籽晶层；
步骤c、在第二温度下，在所述第一Ge籽晶层表面生长第二Ge主体层；
步骤d、加热整个衬底，并利用激光工艺对整个衬底进行晶化，所述激光工艺的参数包括：激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s；
步骤e、冷却形成所述Ge/Si虚衬底材料；
步骤f、在Ge/Si虚衬底材料表面生长应变Ge1-xSnx材料，形成所述基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料。
其中，步骤b和步骤c中，所述第一温度小于所述第二温度。进一步地，所述第一温度的范围为275℃～325℃；所述第二温度的范围为500℃～600℃。
可选地，在步骤c之后，还可以包括：
步骤x、在所述第二Ge主体层表面生长SiO2层；
相应地，步骤e可以包括：
步骤e1、冷却包括所述SiO2层的整个衬底；
步骤e2、利用刻蚀工艺去除所述第二Ge主体层表面的所述SiO2层，形成所述Ge/Si虚衬底材料。
其中，所述Ge衬底表面生长第一Ge籽晶层及在所述第一Ge籽晶层表面生长第二Ge主体层中，所述生长工艺可以为CVD工艺或者磁控溅射工艺。
另外，加热整个衬底的温度为700℃。
另外，步骤f可以包括：
在350℃温度下，在所述Ge/Si虚衬底材料表面利用低压CVD(RPCVD)工艺生长50～100nm的应变Ge1-xSnx材料。其中，Sn的组分X可以为1％～4％。
另外，所述激光工艺使用的设备为808nm半导体激光器。
本发明的工作原理及有益效果具体为：
Si衬底上制备弛豫Ge缓冲层相对成熟，也是最常见的方法是两步生长法。该方法先低温外延一薄层Ge，抑制由于大的晶格失配引起的岛状生长。之后再高温生长主体Ge外延层。与传统渐变缓冲层生长方法相比，该方法减小了渐变层厚度，并且使得Ge外延层表面粗糙度显著降低。
但是，两步生长法仍然无法解决Ge外延层中大量螺位错的出现，所以还常需要结合循环退火工艺以减小Ge外延层螺位错密度。然而，循环退火工艺只适用于几个微米厚度的Ge外延层，对于薄Ge外延层来说，会出现Si-Ge互扩问题。另外，循环退火工艺的引入在减小位错密度的同时，还会导致Ge/Si缓冲层表面粗糙度的增加。同时，该方法还存在工艺周期长，热预算高等缺点。
难以获得低位错密度Ge/Si虚衬底的本质是由于Si与Ge之间的失配位错大，界面位错缺陷在外延层逐渐增厚的过程中，会纵向延伸至Ge的表面，进而导致Ge/Si虚衬底晶体质量降低。因此，为了消除纵向外延产生的位错缺陷，可采用Ge/Si快速热融化再结晶的方法，横向释放Ge与Si之间的位错失配，进而高质量的Ge/Si虚衬底为应变Ge1-xSnx外延薄膜的生长提供了有利条件。
为此，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种激光晶化工艺的示意图。先用磁控溅射工艺或者CVD工艺经两步法形成薄的Ge外延层，再用连续激光晶化横向释放Ge与Si之间的位错失配，从而减少外延层中由于晶格失配引起的位错，制备出品质优良的Ge/Si虚衬底。
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种激光晶化装置的结构示意图；本发明的激光晶化过程可以使用808nm半导体激光器，也可以使用LIMO 806nm，140MWm-2激光器，装置如图3所示。激光通过全反射棱镜照向样品台，并通过凸透镜聚焦到样品上，从而防止了在受热过程中薄膜融化后的液体受重力影响而流动对结晶产生的影响。激光晶化时，步进电机带动样品台移动，使样品逐块晶化。
利用激光再晶化LRC技术辅助制备高质量虚Ge衬底，要求激光作用下虚Ge层温度至少达到熔点，且尽量靠近烧熔点，达到理想晶化的近完全熔融状态，保证Ge晶粒的后续完美结晶。同时，外延层下面的Si衬底层不能达到熔点，保证了激光晶化对衬底不产生影响。因此，确定合理的激光晶化相关工艺参数(如激光功率密度、移动速度等)，控制外延层温度分布，将是该工艺成败的关键。
本实施例，通过上述加工工艺，至少具备如下优点：
1)本发明通过连续激光辅助晶化制备Ge/Si虚衬底，可有效降低Ge/Si虚衬底的位错密度，进而可提高后续生长的应变Ge1-xSnx合金薄膜质量；
2)本发明所采用激光再晶化工艺具有晶化时间短、热预算低的优点，可提升Si衬底上应变Ge1-xSnx薄膜整个制程的工艺效率。
另外，需要强调说明的是，本发明的激光再晶化(Laser Re-Crystallization,简称LRC)工艺与激光退火(laser annealing)工艺有显著区别。激光退火工艺，属于热退火工艺范畴。其采用激光作为热源，仅对半导体进行加热处理，未产生相变过程。而本发明激光再晶化工艺处理过程中，半导体材料会发生两次相变--熔融液化而后再固相结晶。因而，此二者工艺在本质上有显著的区别。
实施例二
请参见图4a-图4e，图4a-图4e为本发明实施例提供的一种基于Si衬底的应变Ge1- xSnx薄膜材料的工艺示意图，在上述实施例的基础上，本实施例将较为详细地对本发明的工艺流程进行介绍。该方法包括：
S101、衬底选取。如图4a所示，选取一定厚度的单晶硅(Si)衬底片001为初始材料；
S102、外延层生长。如图4b所示，在275℃～325℃下在Si衬底上利用化学气相沉淀外延生长厚度为40-50nm的第一Ge籽晶层；在500℃～600℃下，再利用化学气相沉淀在上述Ge层上外延生长厚度为150～250nm的第二Ge主体层002；
S103、保护层的制备。如图4c所示，利用化学气相淀积(CVD)的方法在表面淀积150nm的二氧化硅(SiO2)003；
S104、外延层的晶化。在图4c的基础上先将材料加热至700℃，然后连续激光晶化带有SiO2氧化层的Ge/Si虚衬底，其中激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，而后使材料自然冷却。连续激光晶化使得Ge外延层的位错密度大大降低；
S105、保护层的刻蚀。如图4d所示，利用干法刻蚀工艺刻蚀图4c中的SiO2氧化层003，得到高质量的Ge/Si虚衬底；
S106、应变锗锡薄膜的生长。如图4e所示，在350℃的衬底温度下利用RPCVD工艺在Ge/Si虚衬底上生长50～100nm的应变锗锡(Ge1-xSnx)薄膜004。
实施例三
本发明实施例提供的一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料，包括：单晶Si衬底、第一Ge籽晶层、第二Ge主体层及应变Ge1-xSnx层；其中，所述应变Ge1-xSnx薄膜材料由上述实施例所述的方法制备形成。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料及其制备方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括：
S101、选取单晶Si衬底；
S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长40～50nm的第一Ge籽晶层；
S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述第一Ge籽晶层表面生长150～250nm的第二Ge主体层；
S103、利用CVD工艺在所述第二Ge主体层表面上淀积150nm SiO2层；
S104、将包括所述单晶Si衬底、所述第一Ge籽晶层、所述第二Ge主体层及所述SiO2层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s；
S105、自然冷却所述整个衬底材料；
S106、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述SiO2层，形成Ge/Si虚衬底材料；
S107、在350℃温度下，在所述Ge/Si虚衬底材料表面利用减压CVD工艺生长50～100nm的应变Ge1-xSnx材料，以形成基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料。
2.一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料，其特征在于，包括：单晶Si衬底、第一Ge籽晶层、第二Ge主体层及应变Ge1-xSnx层；其中，所述应变Ge1-xSnx薄膜材料由权利要求1所述的方法制备形成。
3.一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括：
选取Si衬底；
在第一温度下，所述Ge衬底表面生长第一Ge籽晶层；
在第二温度下，在所述第一Ge籽晶层表面生长第二Ge主体层；
加热整个衬底，并利用激光工艺对整个衬底进行晶化，所述激光工艺的参数包括：激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s；
冷却形成Ge/Si虚衬底材料；
在所述Ge/Si虚衬底材料表面生长应变Ge1-xSnx材料，形成所述基于Si衬底的应变Ge1- xSnx薄膜材料。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一温度的范围为275℃～325℃；所述第二温度的范围为500℃～600℃。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述第一Ge籽晶层表面生长第二Ge主体层之后，还包括：
在所述第二Ge主体层表面生长SiO2层；
相应地，冷却形成所述Ge/Si虚衬底材料，包括：
冷却包括所述SiO2层的整个衬底；
利用刻蚀工艺去除所述第二Ge主体层表面的所述SiO2层，形成所述Ge/Si虚衬底材料。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，加热整个衬底的温度为700℃。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述Ge衬底表面生长第一Ge籽晶层及在所述第一Ge籽晶层表面生长第二Ge主体层中，所述生长工艺可以为CVD工艺或者磁控溅射工艺。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述Ge/Si虚衬底材料表面生长应变Ge1- xSnx材料，包括：
在350℃温度下，在所述Ge/Si虚衬底材料表面利用减压CVD工艺生长50～100nm的应变Ge1-xSnx材料。
9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光工艺使用的设备为808nm半导体激光器。
10.一种基于Si衬底的应变Ge1-xSnx薄膜材料，其特征在于，包括：单晶Si衬底、第一Ge籽晶层、第二Ge主体层及应变Ge1-xSnx层；其中，所述应变Ge1-xSnx薄膜材料由权利要求3～9任一项所述的方法制备形成。
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