CN111430221A - 锡自催化生长的锗锡合金硅基材料及定向异质外延方法 - Google Patents
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Abstract
一种锡自催化生长的锗锡合金硅基材料及其定向异质外延方法，其定向异质外延方法包括如下步骤：在硅衬底上形成掩膜层；利用光刻技术在掩膜层上形成图形化的光刻胶；对掩膜层进行刻蚀，去除图形化的光刻胶区域之外的掩膜层，使硅衬底裸露，形成硅生长窗口；清洗并进行除水汽处理；进行高温脱氢处理；利用分子束外延法在硅生长窗口上沉积Sn原子；沉积Ge原子或共沉积Ge原子和Sn原子，在硅衬底上定向得到Sn自催化生长的GeSn合金。本发明实现了GeSn材料的定向异质外延；避免了传统GeSn薄膜外延方法生长较厚缓冲层所耗费的生长周期，同时有望实现低维GeSn材料的大规模器件的制备和应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料的制备技术和硅基光电材料技术领域，尤其涉及一种锡自催化生长的锗锡合金硅基材料及定向异质外延方法。
背景技术
硅基光子学在低功耗低成本高速光互连中存在潜在的应用前景。故寻找一种与硅兼容的直接带隙半导体材料，对硅基高效光源的实现具有重大的意义和应用价值。目前，研究发现由于直接带和间接带收缩速度的差异，在Ge中引入约8％的Sn构成GeSn合金，可实现其由间接带隙向直接带隙半导体材料的转变。此外，通过改变GeSn合金中的Sn组分可以调节GeSn合金的带隙，在Ge中引入较低的Sn组分，约3％，即可实现全通信波段的高效光探测。由于上述的应用前景，Si上GeSn合金的异质外延已成为硅基光电材料技术领域的一个研究热点。
然而，在硅衬底上外延高晶体质量的GeSn合金材料存在很多困难：(1)Sn在Ge中的平衡固溶度很低，低于1％；(2)Sn具有较低的表面自由能，在生长过程中容易发生表面分凝和偏析现象；(3)Sn具有多种形态，当温度高于13.2℃时，Sn将发生由金刚石结构的α相转变为体心四方结构的β相，与Ge晶格不匹配；(4)α-Sn与Ge具有高达14.7％的晶格失配。目前传统的外延方法是，在Si衬底上通过低高温两步法生长Ge缓冲层，再在Ge缓冲层上以低温非平衡的方法生长GeSn合金。但是，Si/Ge界面处产生的穿通位错会向上延伸至上层GeSn合金材料中，使得GeSn合金中存在高密度的缺陷，难以在Si衬底上外延生长出高组分、高晶体质量的GeSn合金材料；同时，该方法中的缓冲层需要耗费很大的生长时间。此外，也有部分研究致力于低维GeSn材料的生长，例如纳米线、岛状结构或量子点的研究；利用低维结构比表面积大的特性，实现在界面处应变的释放，从而得到高晶体质量的GeSn材料。然而该方法通常以金属金、银等作为催化剂，易在材料中引入深能级杂质；此外由于低维材料尺寸小、位置分布不确定，难以进行大规模半导体器件的制备。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种锡自催化生长的锗锡合金硅基材料及定向异质外延方法，以期至少部分的解决上述提及的技术问题的至少之一。
作为本发明的一个方面，提供一种定向异质外延方法，包括如下步骤：
步骤1：在硅衬底上形成掩膜层；
步骤2：利用光刻技术在所述掩膜层上形成图形化的光刻胶；
步骤3：对所述掩膜层进行刻蚀，去除所述图形化的光刻胶之外区域的掩膜层，使硅衬底裸露，形成硅生长窗口；
步骤4：清洗并进行除水汽处理；
步骤5：进行高温脱氢处理；
步骤6：利用分子束外延法在所述硅生长窗口上沉积Sn原子；
步骤7：沉积Ge原子或共沉积Ge原子和Sn原子，在所述硅衬底上定向得到Sn自催化生长的GeSn合金。
作为本发明的另一个方面，还提供一种锡自催化生长的锗锡合金硅基材料，包括：
硅衬底；
图形化的掩膜层，形成于所述硅衬底上；其中，所述硅衬底的裸露区域形成硅生长窗口；
锡自催化生长的锗锡合金，采用如上述的定向异质外延方法制备得到，形成于所述硅生长窗口内。
基于上述技术方案可知，本发明相对于现有技术至少具有如下有益效果的其中之一或其中一部分：
(1)本发明采用金属锡自催化的生长方法外延GeSn片状材料，避免了传统GeSn薄膜外延方法生长较厚缓冲层所耗费的生长周期；同时为硅基发光和探测器件的制作提供一种片状结构的锗锡合金材料，有望在硅基光电子领域发挥积极作用；
(2)制备的Sn自催化生长的GeSn合金材料晶体质量良好，相比同组分的锗锡薄膜材料无穿通位错产生；
(3)通过设计硅生长窗口，可以实现Sn自催化生长的GeSn合金材料在硅衬底上的定位生长，为制备低维GeSn材料的大规模器件阵列提供可能。
附图说明
图1是本发明实施例定向异质外延方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1中原子力显微镜(AFM)表征图；
图3为本发明实施例2中原子力显微镜(AFM)表征图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
作为本发明的一个方面，提供一种定向异质外延方法，包括如下步骤：
步骤1：在硅衬底上形成掩膜层；
步骤2：利用光刻技术在掩膜层上形成图形化的光刻胶；
步骤3：对掩膜层进行刻蚀，去除图形化的光刻胶之外区域的掩膜层，使硅衬底裸露，形成硅生长窗口；
步骤4：清洗并进行除水汽处理；
步骤5：进行高温脱氢处理；
步骤6：利用分子束外延法在硅生长窗口上沉积Sn原子；
步骤7：沉积Ge原子或共沉积Ge原子和Sn原子，在硅衬底上定向得到Sn自催化生长的GeSn合金。
本发明的定向异质外延方法采用金属锡自催化的生长方法外延GeSn片状材料，同时开设硅生长窗口，实现了Sn自催化生长的GeSn合金的定向异质外延；避免了传统GeSn薄膜外延方法生长较厚缓冲层所耗费的生长周期，同时有望实现低维GeSn合金材料的大规模器件的制备和应用。
更为具体的，请参阅附图1，为Si衬底上Sn自催化生长的GeSn合金材料定向异质外延方法的过程示意图，其包括以下步骤：
步骤1：取Si(111)衬底，先后在丙酮、乙醇溶液中各超声10min，去除Si(111)衬底表面的有机物，再用去离子水冲洗，吹干备用。
步骤2：采用PECVD设备进行蒸镀生长二氧化硅掩膜层，生长厚度为100～300nm。
步骤3：进行光刻，先后对具有掩膜层的Si(111)衬底进行有机清洗、打表面、烘粘结剂、匀光刻胶、烘胶、曝光、显影、坚膜、打底膜，从而在光刻胶上形成图形。
值得一提的是，本步骤3中的有机清洗与步骤1中的清洗步骤操作条件相同。
步骤4：以图形化的光刻胶作掩膜，采用RIE刻蚀结合HF溶液湿法腐蚀，去除图形化的光刻胶之外区域的掩膜层，保证将二氧化硅掩膜层刻透，使Si(111)衬底裸露，从而形成图形化的Si生长窗口。
步骤5：将具有Si生长窗口的Si(111)衬底有机清洗去除光刻胶，再进行改良的RCA清洗并甩干，送入预处理室除水汽。
更为具体的，光刻胶去除清洗需经过浓硫酸双氧水混合液加热煮沸，去除有机物；改良的RCA清洗为稀释的氢氟酸处理，包括利用HF∶H2O＝1∶20的HF溶液处理，去除表面自然氧化层；再浸没在去离子水中超声5～10min，进行重新氢化，使Si(111)衬底表面形成Si-H键。将Si(111)衬底经进样室送入预处理室，进行300～350℃，时间为1～12小时的加热处理，除去吸附在Si(111)衬底表面的气体分子。
步骤6：将Si(111)衬底送入超高真空生长腔室，进行高温脱氢处理。Si(111)衬底经逐步加热至650～900℃并维持10～30分钟，以打破Si(111)衬底表面形成的Si-H键，露出原子级洁净的新鲜Si(111)衬底表面，有利于后续高质量Sn自催化生长的GeSn合金的外延生长。
步骤7：脱氢结束后，Si(111)衬底温度自然降温到材料生长温度(低于Sn熔点即230℃)，进行Sn原子沉积。
值得一提的是，通过控制Si(111)衬底温度、生长时间、Si(111)衬底高度等因素，可调节Sn作为催化剂的分布密度和尺寸，控制Sn催化剂尺寸在nm级别。因此，在本发明实施例中，沉积的Sn原子的直径小于1微米。
在本发明实施例中，Sn原子沉积采用分子束外延法，分子束外延法的具体操作条件为：超高真空条件下，物理气相沉积。
值得一提的是，在本发明实施例中，超高真空条件具体为：真空度维持在10E-7pa～10E-8pa范围。
步骤8：将Si(111)衬底温度直升至第二阶段生长温度即250～500℃，在超过真空条件下，物理气相沉积，进行Ge或Ge原子、Sn原子沉积。
更为具体的，在Si(111)衬底温度直升过程以及第二阶段生长过程中，Sn原子在Si(111)衬底表面不断迁移并团聚成球，Ge原子或者Ge原子、Sn原子共沉积时，锗原子在Si衬底表面迁移，融入Sn催化剂中，当达到饱和时析出，完成Sn自催化生长的GeSn合金硅基材料生长。生长方法采用超高真空条件下的物理气相沉积方法即分子束外延法。在生长过程中Si(111)衬底通过电机控制旋转，保证生长均匀性。
此外，Ge原子沉积温度不宜过高或过低，过高容易引起材料表面分凝；过低则无法提供足够的动能，使外延材料为非晶，因此适宜温度选取250～500℃。
作为本发明的另一个方面，还提供一种锡自催化生长的锗锡合金硅基材料，包括：
硅衬底；
图形化的掩膜层，形成于硅衬底上；其中硅衬底的裸露区域形成硅生长窗口；
锡自催化生长的锗锡合金，采用如上述的定向异质外延方法制备得到，形成于硅生长窗口内。
在本发明的实施例中，当硅生长窗口的尺寸为大于10微米量级时，Sn自催化生长的GeSn合金呈三角形片状；当硅生长窗口的尺寸小于10微米时，Sn自催化生长的GeSn合金完全占据硅生长窗口生长，其形状与硅生长窗口相同。
在本发明的实施例中，硅生长窗口为矩形，其硅生长窗口的尺寸为硅生长窗口的长和宽；但并不局限于此，当硅生长窗口设计为圆形时，其硅生长窗口的尺寸具体为硅生长窗口的直径。
其中，值得一提的是，本发明实施例中10微米量级具体指10～99微米的范围。
实施例1
本发明提供一种Sn自催化生长的GeSn合金硅基材料的定向异质外延方法，包括以下步骤：
步骤1：取图形化Si(111)衬底，其Si生长窗口为长宽均为1～5μm的矩形，对其进行RCA清洗并甩干备用。Si(111)衬底需经过去除表面有机物以及自然氧化层的处理；最后再对Si(111)衬底进行重新氢化处理，保证Si(111)衬底在送入超高真空腔室前不受玷污。
步骤2：将Si(111)衬底经进样室送入预处理室，进行300℃、3小时加热处理，除去吸附在Si(111)衬底表面的气体分子。
步骤3：将Si(111)衬底送入超高真空生长腔室，进行高温脱氢处理。Si(111)衬底经逐步加热至850℃并维持20min。
步骤4：调节Si(111)衬底到固定某一高度，Si(111)衬底温度180℃，进行Sn原子沉积，控制Sn催化剂尺寸小于1μm，均匀分布在Si生长窗口内。
步骤5：直升Si(111)衬底温度到350℃，同时沉积Ge原子、Sn原子，完成Sn自催化生长的GeSn合金的定向异质外延生长，得到Sn自催化生长的GeSn合金(参阅图2)。
实施例2
本实施例2的定向异质外延方法同实施例1，区别在于Si生长窗口尺寸极大，大于10微米量级，对Sn自催化生长的GeSn合金生长无明显限制作用，得到呈三角片状的Sn自催化生长的GeSn合金(参阅图3)。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种定向异质外延方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在硅衬底上形成掩膜层；
步骤2：利用光刻技术在所述掩膜层上形成图形化的光刻胶；
步骤3：对所述掩膜层进行刻蚀，去除所述图形化的光刻胶之外区域的掩膜层，使硅衬底裸露，形成硅生长窗口；
步骤4：清洗并进行除水汽处理；
步骤5：进行高温脱氢处理；
步骤6：利用分子束外延法在所述硅生长窗口上沉积Sn原子；
步骤7：沉积Ge原子或共沉积Ge原子和Sn原子，在所述硅衬底上定向得到Sn自催化生长的GeSn合金。
2.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，所述步骤1中，所述硅衬底的晶向为(111)；
其中，所述步骤1中，采用蒸镀方法在所述硅衬底上生长二氧化硅，形成掩膜层，所述掩膜层的厚度为100～300nm。
3.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，在进行所述步骤1之前，所述异质外延方法还包括对所述硅衬底进行有机清洗的步骤；
其中，在进行所述步骤2之前所述步骤1之后，所述异质外延方法还包括对具有掩膜层的硅衬底进行所述有机清洗的步骤；
其中，所述有机清洗具体为：依次分别在丙酮和乙醇溶液中超声10min，再进行去离子水冲洗。
4.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，所述步骤3中，采用RIE刻蚀和HF溶液湿法腐蚀结合对所述掩膜层进行刻蚀。
5.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，所述步骤4中，所述清洗包括光刻胶去除清洗和RCA清洗；
其中，所述光刻胶去除清洗包括采用浓硫酸双氧水混合液加热煮沸清洗；
其中，所述RCA清洗包括利用HF∶H2O＝1∶20的HF溶液处理，去除氧化层，再进行重新氢化；
其中，所述重新氢化具体操作为：将形成硅生长窗口的硅衬底浸没于去离子水中超声5～10min，使硅衬底表面形成Si-H键；
其中，所述步骤4中，除水汽处理的温度为300～350℃，时间为1～12小时。
6.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，所述步骤5中，高温脱氢的温度为650～900℃，时间为10～30分钟。
7.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，所述步骤6中，在进行Sn原子的沉积之前，对所述硅衬底进行降温，降至低于230℃；
其中，所述步骤6中，所述分子束外延法的具体操作条件为：超高真空条件下，物理气相沉积；
其中，所述步骤6中，沉积的所述Sn原子的直径小于1微米。
8.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，所述步骤7中，将所述硅衬底的温度直升至250～500℃；
其中，所述步骤7中，采用分子束外延法进行沉积，具体操作为：超高真空条件下，物理气相沉积。
9.一种锡自催化生长的锗锡合金硅基材料，其特征在于，包括：
硅衬底；
图形化的掩膜层，形成于所述硅衬底上；其中，所述硅衬底的裸露区域形成硅生长窗口；
锡自催化生长的锗锡合金，采用如权利要求1至8任一项所述的定向异质外延方法制备得到，形成于所述硅生长窗口内。
10.如权利要求9所述的锡自催化生长的锗锡合金硅基材料，其特征在于，当硅生长窗口的尺寸为大于10微米量级时，Sn自催化生长的GeSn合金呈三角形片状；当硅生长窗口的尺寸小于10微米时，Sn自催化生长的GeSn合金完全占据硅生长窗口生长，其形状与硅生长窗口相同。
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