CN112382561A - 一种单晶硅表面氧化层低温去除的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶硅表面氧化层低温去除的方法，包括以下步骤：步骤一，在MOCVD系统中装载硅衬底，在反应室压力小于100mabr、氢气气氛下加热至400‑600℃，而后通入Ga的金属有机源气直至在硅衬底表面沉积1‑5ML厚的金属Ga为止；步骤二，在氢气气氛下，MOCVD系统温度加热至700℃上，使硅衬底表面的SiO2与金属Ga发生化学反应，至金属Ga转变成易挥发的Ga2O从硅衬底表面脱附为止；步骤三，调节系统反应温度至600‑750℃范围内，进行GaAs或InP薄膜的外延生长。该方法通过在一个较低的温度和压力条件下使硅衬底表面的SiO2与金属Ga发生化学反应以去除硅衬底表面的氧化层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料与外延工艺技术领域，具体涉及一种单晶硅表面氧化层低温去除的方法。
背景技术
硅材料是现代半导体产业的基础，由于单一元素构成且为间接带隙材料，硅在发光与高速电子方面有诸多限制。化合物半导体由两种以上元素构成，电子迁移率更高，发光与探测比硅更灵敏，并且覆盖了更宽的光谱范围。为了发挥化合物半导体的材料优势，同时又能利用硅基半导体的成熟制造工艺，将硅与化合物半导体集成，特别是与光电性能优异的IIIV化合物半导体集成是一个重要的途径。集成的方式可以通过是键合与外延的方式实现，在硅衬底上外延生长化合物半导体材料如GaAs、InP，需要采用缓冲层或掩膜等特殊工艺来控制界面处的外延缺陷。此外，还需要有效的去除硅衬底表层的原生氧化硅层充分露出单晶硅表面，才能获得大面积均匀的高质量外延薄膜。通常用于外延生长的硅衬底，表层的氧化硅采用湿法腐蚀或化学刻蚀去除后在无氧环境中传递至外延生长设备，该过程不可避免会存在氧化硅去除不彻底以及重新氧化的问题。在具备高温加热功能的外延生长设备中，例如生长GaN材料的金属有机物化学气相淀积(MOCVD)设备，经过前处理或不处理的硅衬底在还原性气体中加热至1000℃以上可以有效去除表层氧化硅。而用于GaAs与InP材料的外延设备一般不具备加热至1000℃以上高温进行硅衬底脱氧的能力。如何能在低温条件下、有效的去除硅衬底表面的氧化硅，是本领域技术人员致力于解决的事情。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种单晶硅表面氧化层低温去除的方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单晶硅表面氧化层低温去除的方法，包括以下步骤：
步骤一，在MOCVD系统中装载硅衬底，在反应室压力小于100mabr、氢气气氛下加热至400-600℃，而后通入Ga的金属有机源气直至在硅衬底表面沉积1-5个单原子层厚的金属Ga为止；
步骤二，在氢气气氛下，MOCVD系统温度加热至700℃上，使硅衬底表面的SiO2与金属Ga发生化学反应，至金属Ga转变成易挥发的Ga2O从硅衬底表面脱附为止；
步骤三，调节系统反应温度至600-750℃范围内，进行GaAs或InP薄膜的外延生长。
作为一种具体的实施方式，所述的硅衬底为外延级硅晶圆。
作为一种具体的实施方式，步骤二中，加热温度控制在750-850℃间。
作为一种具体的实施方式，步骤一中，金属Ga的沉积厚度为2个单原子层。
作为一种具体的实施方式，步骤一中，反应室压力控制在10-300mbar范围内。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的单晶硅表面氧化层低温去除的方法，其先在400-600℃、氢气气氛下通过通入Ga的金属有机源气，在硅衬底表面沉积一层金属Ga，而后再加热至700℃上，使硅衬底表面的SiO2与金属Ga发生化学反应，使金属Ga转变成易挥发的Ga2O从硅衬底表面脱附，从而在外延生长GaAs或InP薄膜前将硅衬底上的氧化层在较低的一个温度条件下即可有效去除。
附图说明
附图1为本发明中单晶硅表面氧化层低温去除的一个工艺流程图；
附图2为实施例1中采用高分辨X射线衍射仪对硅基GaAs薄膜进行ω扫描的测试曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
一种单晶硅表面氧化层低温去除的方法，包括以下步骤：
步骤一，在MOCVD系统中装载硅衬底，在反应室压力小于100mabr、氢气气氛下加热至400-600℃，而后通入Ga的金属有机源气直至在硅衬底表面沉积1-5ML厚的金属Ga为止；
步骤二，在氢气气氛下，MOCVD系统温度加热至700℃上，使硅衬底表面的SiO2与金属Ga发生化学反应(SiO2+4Ga→Si+2Ga2O)，至金属Ga转变成易挥发的Ga2O从硅衬底表面脱附为止，这里，优选地，该系统的加热温度控制在750-850℃间；
步骤三，调节系统反应温度至600-750℃范围内，进行GaAs或InP薄膜的外延生长。
这里，所采用的外延生长设备为用于GaAs与InP生长的MOCVD设备，可加热至800℃以上，所述的硅衬底为低缺陷免化学清洗外延级硅，晶向(001)斜切角0.1-5°，晶圆尺寸2-6英寸，与MOCVD设备匹配，最大不限于6英寸。
实施例1
本例提供一种采用MOCVD设备生长硅基GaAs外延薄膜的方法，包括以下步骤：
在MOCVD系统中，装入6英寸硅(001)带0.5°斜切衬底，反应室压力为50mbar，使用高纯氢气作为载气，衬底加热至550℃通入Ga的金属有机源气，分压1E-4mbar，通气时间相当于在硅衬底表面沉积2ML(单原子层)厚的均匀薄层金属Ga薄膜，沉积金属后的硅衬底在氢气气氛下升温至760℃保持10min至金属Ga转变成Ga2O从硅衬底表面脱附，而后降温至650℃进行GaAs薄膜的生长。在脱氧后的硅衬底上外延生长1.5微米厚度的GaAs薄膜后，采用高分辨X射线衍射仪对硅基GaAs薄膜进行ω扫描，测试曲线如图2所示，GaAs(004)晶面衍射峰强的半高峰宽(FWHM)为407"。
该方法实现了，在低温低压条件下，即能很好的将硅衬底上的氧化层去除,为后续的外延生长提供洁净的单晶表面。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种单晶硅表面氧化层低温去除的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在MOCVD系统中装载硅衬底，在反应室压力小于100mabr、氢气气氛下加热至400-600℃，而后通入Ga的金属有机源气直至在硅衬底表面沉积1-5个单原子层厚的金属Ga为止；
步骤二，在氢气气氛下，MOCVD系统温度加热至700℃上，使硅衬底表面的SiO2与金属Ga发生化学反应，至金属Ga转变成易挥发的Ga2O从硅衬底表面脱附为止；
步骤三，调节系统反应温度至600-750℃范围内，进行GaAs或InP薄膜的外延生长。
2.根据权利要求1所述的单晶硅表面氧化层低温去除的方法，其特征在于，所述的硅衬底为外延级硅晶圆。
3.根据权利要求1所述的单晶硅表面氧化层低温去除的方法，其特征在于，步骤二中，加热温度控制在750-850℃间。
4.根据权利要求1所述的单晶硅表面氧化层低温去除的方法，其特征在于，步骤一中，金属Ga的沉积厚度为2个单原子层。
5.根据权利要求1所述的单晶硅表面氧化层低温去除的方法，其特征在于，步骤一中，反应室压力控制在10-300mbar范围内。
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