CN108010832A - SiGe材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SiGe材料的制备方法，包括：S101、选取硅衬底(001)；S102、在所述硅衬底(001)上生长SiGe材料外延层(002)；S103、对所述外延层(002)进行晶化处理，以实现对所述硅衬底(001)与所述外延层(002)之间界面晶格失配位错的抑制。本发明通过连续激光再晶化技术辅助制备Si1‑xGex/Si虚衬底，通过横向结晶释放外延层晶格失配位错可显著提高Si1‑xGex/Si虚衬底的晶体质量。
Description
技术领域
本发明属半导体器件技术领域，特别涉及一种SiGe材料及其制备方法。
背景技术
随着微电子技术的发展，器件尺寸不断接近物理极限。为了延续摩尔定律的发展，各种新型材料与技术不断涌现。高迁移率半导体材料及其在器件结构中的集成是微电子技术发展和应用的趋势。其中，SiGe材料是重点被研究的对象之一。
SiGe材料，尤其是Ge组分较高的SiGe材料，常被称为高Ge组分Si1-xGex材料，因其较高的载流子迁移率以及与成熟的Si工艺相兼容等优势，可显著提升器件性能。与Ge材料相比，Si材料具备成本较低的优势，因此在Si衬底上外延生长Si1-xGex薄膜比体Si1-xGex材料具有更加广泛的应用：
1)作为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的沟道材料，可以显著提高沟道载流子迁移率，提升器件的速度与频率特性；
2)高Ge组分的Si1-xGex材料材料在近红外区的吸收波长高达1.55μm，适用于发展红外探测器；
3)在Si衬底上异质外延生长的高Ge组分Si1-xGex材料可作为缓冲层，用于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的生长及Si衬底上Ⅲ-Ⅴ族器件的集成；
4)高Ge组分Si1-xGex材料具有禁带宽度窄且与Si工艺兼容的优势，在高速、低功耗的光互连与光电集成领域具有较大的应用价值。
在Si衬底上异质外延生长高Ge组分Si1-xGex材料材料兼具Si和Ge的优势，在微电子与光电子领域的研究中备受关注。
然而，由于Si与Ge之间存在4.2％的晶格失配，且Si1-xGex晶体和衬底Si之间的失配率随Ge组分的增加而增大，导致在Si衬底上直接生长的Si1-xGex外延层产生较高的位错密度，严重影响器件性能。此外，晶格失配引起的岛状生长会使Si1-xGex外延层表面粗糙度增加。当在Si衬底上外延Ge组分为28％的Si1-xGex时，外延层厚度达到1.7nm便开始发生岛状生长，粗糙的表面不利于后续III-V族异质结构生长。在Si衬底上制备高质量且表面平整的Si1-xGex外延层，尤其是高Ge组分的Si1-xGex外延层，面临极大的技术挑战。
目前在Si衬底上制备高质量的Si1-xGex外延层最常用的方法是Si1-xGex渐变缓冲层生长技术。该方法在Si衬底上生长Ge组分递增的Si1-xGex缓冲层(缓冲层Ge组分以不大于0.1/μm的速率增加)，通过将产生的位错分散在缓冲层中，阻止位错的传递，从而有效降低外延层位错密度。然而，对于高Ge组分的Si1-xGex外延层，该方法所需的渐变缓冲层厚度较大，不利于器件的集成。此外，形成大于50％Ge组分渐变缓冲层的情况时，其外延层表面粗糙度较大，还需额外增加缓冲层抛光的步骤，导致制备工艺复杂，成本高等问题。因此，如何在Si衬底上制备薄的高质量Si1-xGex外延层是一亟待解决的问题。
发明内容
为克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种SiGe材料的制备方法，包括：
S101、选取硅衬底(001)；
S102、在所述硅衬底(001)上生长SiGe材料外延层(002)；
S103、对所述外延层(002)进行晶化处理，以实现对所述硅衬底(001)与所述外延层(002)之间界面晶格失配位错的抑制。
在本发明的一种实施方式中，在步骤S102中，所述SiGe材料为Si1-xGex，并且，x取值范围为0.7～0.8。
在本发明的一种实施方式中，所述硅衬底(001)为厚度为2μm的单晶硅。
在本发明的一种实施方式中，在步骤S102中，在所述硅衬底(001)上生长SiGe材料外延层(002)，包括：
采用磁控溅射的方法，在400℃～500℃温度下，将纯度为99.999％的本征Si1-xGex靶材料在1.5×10-3mb的工艺压力，以5nm/min的淀积速率溅射淀积在所述硅衬底(001)上。
在本发明的一种实施方式中，所述Si1-xGex的厚度为300～400nm。
在本发明的一种实施方式中，在步骤S103之前，还包括：利用化学气相淀积的方法在所述外延层(002)表面淀积厚度为100nm～150nm的SiO2保护层(003)，并且，在在步骤S103之后，利用干法刻蚀工艺刻蚀所述保护层(003)。
在本发明的一种实施方式中，在所述外延层(002)表面淀积厚度为100nm～150nm的SiO2保护层(003)之后，还包括：
将由所述硅衬底(001)、所述外延层(002)及所述SiO2保护层(003)形成的样品加热至600℃～650℃；
采用激光连续照射所述样品，并使所述样品自然冷却。
在本发明的一种实施方式中，所述激光连续照射的参数为：激光波长为808nm，激光功率密度为2.1kW/cm2，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光移动速度为20mm/s。
在本发明的一种实施方式中，采用激光连续照射所述样品，包括：
使激光通过全反射棱镜照向凸透镜，所述凸透镜将激光聚焦后照射至所述样品上，所述样品平放在载物台上；
采用步进电机带动样品台移动，以实现对整个样品表面进行照射。
本发明还提供一种SiGe材料，该材料采用以上任一种实施方式提及的方法制备而成。
本发明通过连续激光再晶化技术辅助制备Si1-xGex/Si虚衬底，通过横向结晶释放外延层晶格失配位错可显著提高Si1-xGex/Si虚衬底的晶体质量。连续激光晶化工艺选择性高，仅作用于Ge外延层，控制精确；同时与传统渐变缓冲层技术相比，可制备薄的高质量Si1-xGex外延层，且晶化速度快，因而还具有工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低的优点。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过激光再晶化工艺晶化高Ge组分的Si1-xGex/Si虚衬底，可有效避免缓冲渐变层法导致的衬底厚度大的缺点，可有效降低Si1-xGex/Si虚衬底的位错密度和表面粗糙度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
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。
图1为本发明一实施例提供的一种SiGe材料的制备方法流程图；
图2为本发明一实施例提供的一种激光再晶工艺方法示意图；
图3为本发明一实施例提供的一种激光再晶工艺装置示意图；
图4a-图4d为本发明实施例提供的另一种SiGe材料的制备工艺示意图；
图5为本发明再一实施例提供的一种SiGe材料结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明一实施例提供的一种SiGe材料的制备方法流程图，该方法包括：
S101、选取硅衬底(001)；
S102、在所述硅衬底(001)上生长SiGe材料外延层(002)；
S103、对所述外延层(002)进行晶化处理，以实现对所述硅衬底(001)与所述外延层(002)之间界面晶格失配位错的抑制。
在Si衬底上制备高质量SiGe外延层的难点在于抑制外延层增厚过程中界面晶格失配位错的纵向增殖。本发明实施例对外延层(002)进行晶化处理，即，采用激光再晶化技术通过高能激光在极短的时间内照射SiGe外延层，使其发生熔化与再结晶的过程，在此过程中可以横向释放衬底与外延层之间的晶格失配位错，为解决该问题提供有效的技术途径。
进一步地，在上述实施方式的基础上，在步骤S102中，所述SiGe材料为Si1-xGex，并且，x取值范围为0.7～0.8。
本发明提供的实施方式尤其适用于高Ge组分Si1-xGex/Si材料的制备，克服现有技术中Si1-xGex晶体和衬底Si之间的失配率随Ge组分的增加而显著增大的缺陷。
进一步地，在上述实施方式的基础上，所述硅衬底(001)为厚度为2μm的单晶硅。
进一步地，在上述实施方式的基础上，在步骤S102中，在所述硅衬底(001)上生长SiGe材料外延层(002)，具体可以为：
采用磁控溅射的方法，在400℃～500℃温度下，将纯度为99.999％的本征Si1-xGex靶材料在1.5×10-3mb的工艺压力，以5nm/min的淀积速率溅射淀积在所述硅衬底(001)上。
本发明实施例采用磁控溅射的方法，在Si衬底上淀积一层薄的Si1-xGex外延层，该方法制备的材料表面粗糙度好，淀积速率高，且成本低，安全，适用于大规模生产。
优选地，在一种实施方式中，所述Si1-xGex的厚度为300～400nm。
进一步地，在步骤S103之前，还可以：利用化学气相淀积的方法在所述外延层(002)表面淀积厚度为100nm～150nm的SiO2保护层(003)，并且，在在步骤S103之后，利用干法刻蚀工艺刻蚀所述保护层(003)。
本实施方式中，在大气环境下激光再晶化高Ge组分Si1-xGex外延层之前，在其上淀积二氧化硅保护层。经过反复实验可知，在高Ge组分Si1-xGex上淀积厚度为100nm～150nm的二氧化硅时，激光在该层的透过率最优。
进一步地，在上述实施方式的基础上，在所述外延层(002)表面淀积厚度为100nm～150nm的SiO2保护层(003)之后，还可以：
将由所述硅衬底(001)、所述外延层(002)及所述SiO2保护层(003)形成的样品加热至600℃～650℃；
采用激光连续照射所述样品，并使所述样品自然冷却。
在上述实施方式的基础上，所述激光连续照射的参数为：激光波长为808nm，激光功率密度为2.1kW/cm2，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光移动速度为20mm/s；
请参见图2，图2为本发明一实施例提供的一种激光再晶工艺方法示意图。本发明实施例采用的激光再晶化工艺制备Si1-xGex外延层，利用瞬时激光脉冲产生的高能量入射到外延层表面，经过热传导在外延层内部产生热能效应，使Si1-xGex外延层在瞬间达到熔点，由固态转变为液态。在激光扫描过后，外延层薄膜迅速冷却再结晶，Si1-xGex外延层中的晶格失配位错在再结晶生长的过程中被横向释放掉，从而有效提高外延层晶体质量。在此过程中，激光脉冲的瞬间能量被Si1-xGex外延层薄膜吸收并转化为相变能，当选择合适的激光再晶化工艺参数，即可实现Si1-xGex外延层熔化再结晶的过程，同时不会有过多的热量传导到Si衬底上，保证Si衬底的温度低于其熔化温度。因此，如何激光再晶化工艺参数的选择是Si衬底上制备高质量薄Si1-xGex外延层的关键。
激光再晶化高Ge组分Si1-xGex外延层需要精确控制激光物理参量(激光功率，扫描速度等)，以及SiO2-高Ge组分Si1-xGex-Si体系的初始温度和外延层厚度。对于激光功率的设置，需要激光能量可使高Ge组分Si1-xGex外延层的温度至少达到熔点，并尽可能高却不至于超过烧蚀点。这样的热处理过程，可以显著提高Ge组分Si1-xGex外延层的晶体质量。SiO2-高Ge组分Si1-xGex-Si体系的初始温度也是需要重点考虑的工艺参量，在激光再晶化前预热SiO2-高Ge组分Si1-xGex-Si体系可以显著降低激光再晶化所需的阈值激光功率。同时，Si衬底与高Ge组分Si1-xGex外延层存在热失配，体系预热还可以有效防止因激光照射时温度瞬时大幅升高引起的材料开裂现象。
上述实施方式公开的激光再晶化工艺参数通过反复试验而获取，采用上述参数可以在Si衬底上制备高质量薄Si1-xGex外延层。
进一步地，在上述实施方式的基础上，采用激光连续照射所述样品，可以为：
使激光通过全反射棱镜照向凸透镜，所述凸透镜将激光聚焦后照射至所述样品上，所述样品平放在载物台上；
采用步进电机带动样品台移动，以实现对整个样品表面进行照射。
具体地，本发明采用LIMO 808nm连续激光器，请参见图3，图3为本发明一实施例提供的一种激光再晶工艺装置示意图。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熔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，每移动到一个位置进行一次激光照射，使该位置成为具有高能量的小方块，而后停止激光照射，样品台移动到下一位置时再继续激光照射。如此循环使得激光依次照射到整个薄膜表面，至此完成连续激光再晶化过程。
本发明通过连续激光再晶化技术辅助制备Si1-xGex/Si虚衬底，通过横向结晶释放外延层晶格失配位错可显著提高Si1-xGex/Si虚衬底的晶体质量。连续激光晶化工艺选择性高，仅作用于Ge外延层，控制精确；同时与传统渐变缓冲层技术相比，可制备薄的高质量Si1-xGex外延层，且晶化速度快，因而还具有工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低的优点。
实施例二
请参见图4a-图4d，图4a-图4d为本发明实施例提供的另一种SiGe材料的制备工艺示意图；本发明采用磁控溅射+激光再晶化的工艺制备高质量Si1-xGex/Si虚衬底，其中x取值范围为0.7～0.8，制备方法包括如下步骤：
衬底选取：如图4a所示，选取厚度为2μm的单晶硅(Si)衬底片(001)为初始材料；
外延层生长：如图4b，利用磁控溅射的方法，在400℃～500℃温度下，将纯度为99.999％的本征Si1-xGex靶材料以1.5×10-3mb的工艺压力，5nm/min的淀积速率溅射淀积在Si衬底上，淀积厚度为300～400nm，形成高Ge组分Si1-xGex虚衬底(002)。通过磁控溅射法淀积薄膜，淀积速率高，而且薄膜的质量好，适宜大规模生产；
保护层的制备：大气环境下激光再晶化高Ge组分Si1-xGex外延层之前，需要在其上淀积二氧化硅保护层。SiO2-高Ge组分Si1-xGex-Si体系808nm连续激光透射规律FDTD(时域有限差分)仿真表明，高Ge组分Si1-xGex上淀积100nm～150nm的二氧化硅时，激光在该层的透过率最优。因此，如图4c所示，利用化学气相淀积(CVD)的方法在表面淀积100nm～150nm的SiO2(003)；
外延层的晶化：激光再晶化高Ge组分Si1-xGex外延层需要精确控制激光物理参量(激光功率，扫描速度等)，以及SiO2-高Ge组分Si1-xGex-Si体系的初始温度和外延层厚度。对于激光功率的设置，需要激光能量可使高Ge组分Si1-xGex外延层的温度至少达到熔点，并尽可能高却不至于超过烧蚀点。这样的热处理过程，可以显著提高高Ge组分Si1-xGex外延层的晶体质量。SiO2-高Ge组分Si1-xGex-Si体系的初始温度也是需要重点考虑的工艺参量，在激光再晶化前预热SiO2-高Ge组分Si1-xGex-Si体系可以显著降低激光再晶化所需的阈值激光功率。同时，Si衬底与高Ge组分Si1-xGex外延层存在热失配，体系预热还可以有效防止因激光照射时温度瞬时大幅升高引起的材料开裂现象。
因此，对于SiO2-高Ge组分Si1-xGex-Si体系来说，激光再晶化工艺处理前，需要在图4c的基础上先将材料加热至600℃～650℃，然后连续激光扫描带有SiO2氧化层的Si1-xGex/Si虚衬底，其中激光波长为808nm，激光功率密度为2.1kW/cm2，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光移动速度为20mm/s，而后使材料自然冷却。连续激光照射使得Si1-xGex外延层发生熔化以及冷却后再结晶的过程，使得外延层位错密度大大降低；
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Si1-xGex/Si虚衬底。
实施例三
本发明还提供一种SiGe材料，该材料采用以上任一实施方式提及的方法制备而成。具体的，请参照图5，图5为本发明再一实施例提供的一种SiGe材料结构示意图，该SiGe材料包括硅衬底(001)和生长在硅衬底(001)上的SiGe材料外延层(002)，其中，SiGe材料外延层(002)由激光再晶化工艺晶化Si1-xGex外延层制得。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明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SiGe材料的制备方法，其特征在于，包括：
S101、选取硅衬底(001)；
S102、在所述硅衬底(001)上生长SiGe材料外延层(002)；
S103、对所述外延层(002)进行晶化处理，以实现对所述硅衬底(001)与所述外延层(002)之间界面晶格失配位错的抑制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S102中，所述SiGe材料为Si1-xGex，并且，x取值范围为0.7～0.8。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述硅衬底(001)为厚度为2μm的单晶硅。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤S102中，在所述硅衬底(001)上生长SiGe材料外延层(002)，包括：
采用磁控溅射的方法，在400℃～500℃温度下，将纯度为99.999％的本征Si1-xGex靶材料在1.5×10-3mb的工艺压力，以5nm/min的淀积速率溅射淀积在所述硅衬底(001)上。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述Si1-xGex的厚度为300～400nm。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤S103之前，还包括：利用化学气相淀积的方法在所述外延层(002)表面淀积厚度为100nm～150nm的SiO2保护层(003)，并且，在在步骤S103之后，利用干法刻蚀工艺刻蚀所述保护层(003)。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述外延层(002)表面淀积厚度为100nm～150nm的SiO2保护层(003)之后，还包括：
将由所述硅衬底(001)、所述外延层(002)及所述SiO2保护层(003)形成的样品加热至600℃～650℃；
采用激光连续照射所述样品，并使所述样品自然冷却。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光连续照射的参数为：激光波长为808nm，激光功率密度为2.1kW/cm2，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光移动速度为20mm/s。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，采用激光连续照射所述样品，包括：
使激光通过全反射棱镜照向凸透镜，所述凸透镜将激光聚焦后照射至所述样品上，所述样品平放在载物台上；
采用步进电机带动样品台移动，以实现对整个样品表面进行照射。
10.一种SiGe材料，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的方法制备而成。
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