CN113113512A - 定向异质外延方法及硅基锗锡合金材料 - Google Patents
定向异质外延方法及硅基锗锡合金材料 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113113512A CN113113512A CN202110408385.5A CN202110408385A CN113113512A CN 113113512 A CN113113512 A CN 113113512A CN 202110408385 A CN202110408385 A CN 202110408385A CN 113113512 A CN113113512 A CN 113113512A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon
- directional
- silicon substrate
- etching
- heteroepitaxy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 151
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 151
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 151
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 60
- 238000001534 heteroepitaxy Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 229910001128 Sn alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 9
- IWTIUUVUEKAHRM-UHFFFAOYSA-N germanium tin Chemical compound [Ge].[Sn] IWTIUUVUEKAHRM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 60
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 47
- 229910005898 GeSn Inorganic materials 0.000 claims abstract description 40
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000005844 autocatalytic reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000000347 anisotropic wet etching Methods 0.000 claims abstract description 7
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 7
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 4
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 4
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N sulfuric acid Substances OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 21
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 5
- WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)C WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 14
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 3
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 3
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 229910018557 Si O Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Inorganic materials [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 238000000861 blow drying Methods 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000012995 silicone-based technology Methods 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
- H01L31/1812—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table including only AIVBIV alloys, e.g. SiGe
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/02428—Structure
- H01L21/0243—Surface structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/02433—Crystal orientation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02535—Group 14 semiconducting materials including tin
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/02631—Physical deposition at reduced pressure, e.g. MBE, sputtering, evaporation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/028—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
本公开提出一种定向异质外延方法及硅基锗锡合金材料。该方法包括：S1，在硅衬底上进行刻蚀，形成硅刻蚀窗口；其中，硅衬底的晶向为(100)；S2，对硅刻蚀窗口进行硅的各向异性湿法腐蚀，以形成硅凹槽；S3，对刻蚀后的硅衬底进行清洗和高温脱氧处理；S4，利用分子束外延法在硅凹槽内沉积Sn原子；S5，退火处理，以使Sn团聚成球；S6，沉积Ge原子，在硅凹槽内定向得到锡自催化生长的GeSn微米条。本公开提供一种大晶格失配材料体系外延方法，缩短了传统缓冲层外延的生长周期，有望开发大规模的器件制备和应用。
Description
技术领域
本公开涉及半导体材料的制备技术领域，尤其涉及一种定向异质外延方法及硅基锗锡合金材料。
背景技术
硅作为微电子器件中应用最广泛的半导体材料，具有其它材料无法替代的优越性。但是硅为间接带隙半导体，其光学性能较差，所以硅集成电路一般局限于处理电信号，无法处理光信号。因此，发展与硅基工艺兼容的光电子电路技术，使硅基制造技术的应用从微电子领域扩展到光电子领域，成为了人们不断探索的课题。而同为IV族元素的Ge和Sn因其与Si的可集成性及其独特的能带结构有望成为Si基光电集成回路中的光源。
随着GeSn合金材料在光电子学和微电子学方面潜在的应用前景，研究以及制备GeSn合金材料变得非常有意义，但是如何生长出高Sn含量、高质量的GeSn合金仍存在很多困难。
发明内容
有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种定向异质外延方法及硅基锗锡合金材料。
本公开的一个方面提供了一种定向异质外延方法，该方法包括：S1，在硅衬底上进行刻蚀，形成硅刻蚀窗口；其中，硅衬底的晶向为(100)；S2，对硅刻蚀窗口进行硅的各向异性湿法腐蚀，以形成硅凹槽；S3，对刻蚀后的硅衬底进行清洗和高温脱氧处理；S4，利用分子束外延法在硅凹槽内沉积Sn原子；S5，退火处理，以使Sn团聚成球；S6，沉积Ge原子，在硅凹槽内定向得到锡自催化生长的GeSn微米条。
可选地，硅凹槽的截面形状为槽型或倒三角形。
可选地，硅凹槽两侧面的晶向为(111)。
可选地，在步骤S6中，沉积Ge原子的温度与退火处理的温度保持一致。
可选地，在步骤S5中，退火处理的温度为250～500℃。
可选地，在步骤S4中，在硅凹槽内沉积Sn原子时，硅衬底的温度低于Sn的熔点。
可选地，在步骤S1中，在硅衬底上进行刻蚀，形成硅刻蚀窗口，包括：
S11，在硅衬底上形成掩膜层；
S12，利用光刻技术在掩膜层上形成图形化的光刻胶；
S13，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，以形成硅刻蚀窗口。
可选地，在步骤S3中，对刻蚀后的硅衬底进行清洗包括改良RCA清洗和除水汽处理；其中：
改良RCA清洗包括：采用浓硫酸双氧水混合液加热煮沸清洗；利用HF∶H2O＝1∶20的HF溶液处理，去除氧化层；以及采用双氧水、盐酸、氨水混合液加热煮沸，重新氧化；
除水汽处理的温度为300～350℃，时间为1～12小时。
可选地，在步骤S3中，高温脱氧处理的温度为800～1000℃，时间为10～30分钟。
本公开的另一方面提出了一种硅基锗锡合金材料，该硅基锗锡合金材料包括：硅衬底，其中，硅衬底的晶向为(100)；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凹槽，硅凹槽的两侧面的晶向为(111)；锡自催化生长的GeSn微米条，采用上述的定向异质外延方法制备得到，形成于硅凹槽内。
基于上述技术方案可知，本公开提出的定向异质外延方法至少具有如下有益效果：
(1)本公开采用金属锡作催化剂，自催化生长GeSn微米条材料，缩短了传统GeSn生长方法所耗费的复杂生长周期，提供了一种新型微米条结构的GeSn合金材料，其在硅基光电子和短波红外探测领域方面存在潜在应用。
(2)相比于同组分的GeSn薄膜材料，利用本公开中的定向异质外延方法所制备的GeSn微米条材料无穿通位错产生，具有晶体质量优势。
(3)(111)面组成的硅凹槽限定了GeSn条材料的生长位置，实现Sn自催化GeSn微米条材料在硅衬底上的定向生长，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示意性示出了本公开实施例的定向异质外延方法的流程图；
图2示出了本公开实施例中刻蚀有硅凹槽的图形化硅衬底的截面示意图；
图3示出了本公开实施例中四甲基氢氧化铵水溶液(TMAH)腐蚀出的硅凹槽截面扫描电子显微镜(SEM)表征图；
图4示出了本公开另一实施例中TMAH腐蚀出的硅凹槽截面扫描电子显微镜(SEM)表征图；
图5示出了本公开实施例中Sn自催化GeSn微米条的扫描电子显微镜(SEM)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。
图1示意性示出了本公开实施例的定向异质外延方法的流程图。
如图1所示，本公开提供了一种定向异质外延方法，该方法包括：
在步骤S1，在硅衬底上进行刻蚀，形成硅刻蚀窗口；其中，硅衬底的晶向为(100)。
在步骤S2，对硅刻蚀窗口进行硅的各向异性湿法腐蚀，以形成硅凹槽。
在步骤S3，对刻蚀后的硅衬底进行清洗和高温脱氧处理。
在步骤S4，利用分子束外延法在硅凹槽内沉积Sn原子。
在步骤S5，退火处理，以使Sn团聚成球。
在步骤S6，沉积Ge原子，在硅凹槽内定向得到锡自催化生长的GeSn微米条。
本公开提供的定向异质外延方法，通过刻蚀形成(111)面组成的硅凹槽，并在该硅凹槽内实现了Sn自催化GeSn微米条的定向异质外延，不仅缩短了传统GeSn薄膜外延方法生长较厚缓冲层所耗费的生长周期，而且利用本公开中的方法所制备的GeSn微米条材料无穿通位错产生，具有晶体质量优势，有望实现低维GeSn合金材料的大规模器件的制备和应用。
在本公开的一些实施例中，在上述步骤S1中，在硅衬底上进行刻蚀，形成硅刻蚀窗口还包括步骤S11～S13。其中：
在步骤S11，在硅衬底上形成掩膜层。
其中，例如可以采用热氧或等离子体增强化学气相沉积方法在Si(100)衬底上生长二氧化硅，以形成掩膜层。其中，上述掩膜层的厚度例如可以为50～300nm，该掩膜层的厚度范围不仅可以在后续清洗硅衬底的过程中保护硅衬底免于清洗损伤，还有利于刻蚀加工，降低刻蚀难度。
在步骤S12，利用光刻技术在掩膜层上形成图形化的光刻胶。
具体地，光刻过程包括对热氧硅(100)衬底进行丙酮和乙醇有机超声清洗、吹干、等离子体表面清洗、烘粘结剂、匀光刻胶、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜、打底膜等一系列加工过程，最终形成光刻胶图形。在本公开实施例中，上述光刻过程与现有技术中的方法相同，在此不再赘述。
在步骤S13，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，以形成硅刻蚀窗口。
其中，对光刻后的硅衬底进行反应离子刻蚀(RIE)，去除所述图形化光刻胶之外区域的氧化硅层，露出下层的Si衬底，形成硅刻蚀窗口。
在本公开的一些实施例中，在上述步骤S2中，对硅刻蚀窗口进行硅的各向异性湿法腐蚀，以形成硅凹槽，具体过程包括步骤S21～S22，其中：
在步骤S21，对硅衬底进行去胶清洗处理。
其中，对硅衬底进行清洗过程包括：依次在丙酮溶液和乙醇溶液中超声例如10～15min，再使用去离子水冲洗多次，以确保光刻胶完全去除干净。
在步骤S22，对衬底进行去胶清洗处理后，对裸露的硅刻蚀窗口进行TMAH各向异性湿法腐蚀，以形成硅凹槽。
具体地，可以采用TMAH进行硅的各向异性湿法腐蚀，TMAH腐蚀可以通过水浴加热方式控制湿法腐蚀的温度，以保证腐蚀速度的稳定。
图2～4分别示出了本公开实施例中刻蚀有硅凹槽的图形化硅衬底的截面示意图及TMAH腐蚀出的不同硅凹槽截面的SEM表征图。
如图2所示，通过改变刻蚀时间和刻蚀温度可以控制硅(100)衬底200的刻蚀形状和刻蚀尺寸。例如，通过改变刻蚀时间和刻蚀温度可以将硅(100)衬底200刻蚀为U型凹槽201或者倒三角形凹槽202，其中，根据实际需要，U型凹槽201或者倒三角形凹槽202的刻蚀深度和刻蚀宽度也可以进行调控，例如图2中示出的U型凹槽201和U型凹槽203。
请一并参考图2～图4，下面将结合具体的实施例来对本公开中可以通过改变刻蚀时间和刻蚀温度以控制硅凹槽的形状和尺寸进行具体说明。
如图2～图4所示，例如，在70℃水浴中控制刻蚀速率例如为3.4nm/s时，可以获得如图2中所示的硅凹槽截面形状201，其中硅凹槽截面形状201对应的SEM扫描结果如图3所示，图3中的硅凹槽由2个(111)面和1个(100)面组成。又例如，在80℃水浴中控制刻蚀速率例如为6.3nm/s时，可以获得如图2中所示的硅凹槽截面形状202，其呈现倒三角形。该倒三角形硅凹槽截面形状202对应的SEM扫描结果如图4所示，图4中的硅凹槽由2个(111)面组成。通过图3和图4可知，图3和图4所示的硅凹槽可以限定GeSn条材料的生长位置，进而实现Sn自催化GeSn微米条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。
在本公开实施例中，由于硅不同晶面的悬挂键密度和原子面密度在TMAH各向异性腐蚀中起主要作用，而Si(111)面的原子面密度、悬挂键密度大，故此晶面的腐蚀速度慢，最终腐蚀侧壁为(111)面。
可以理解，图2～图4所示出的硅凹槽截面形状以及上述刻蚀硅凹槽过程中的温度和刻蚀速率仅仅是示例性的，以帮助本领域技术人员理解本公开的技术内容，但并不意味着上述实施例限制了本公开的保护范围。
在本公开的一些实施例中，在上述步骤S3中，对刻蚀后的硅衬底进行清洗和高温脱氧处理，具体还包括步骤S31～S33。其中：
在步骤S31，具体地，对刻蚀后的硅衬底进行改良RCA清洗。该RCA清洗包括：(1)采用浓硫酸-双氧水混合液加热煮沸，以去除有机物；(2)采用HF∶H2O＝1∶20的HF溶液处理，以去除表面自然氧化层；(3)采用双氧水、盐酸、氨水混合液加热煮沸重新氧化，以使硅衬底的表面形成Si-O键。
在步骤S32，将清洗并甩干后的硅衬底送入分子束外延系统(MBE)预处理室，进行除水汽处理，以除去吸附在衬底表面的气体分子。其中，除水汽处理的温度范围例如可以是300～350℃，处理时间例如为1～12小时。
在步骤S33，高温脱氧处理过程具体包括：将硅衬底逐步升温至例如800～1000℃，并保持10～30min，以打破硅衬底表面的Si-O键，露出原子级洁净的新鲜表面。
在一些实施例中，在上述步骤S4，利用分子束外延法在硅凹槽内沉积Sn原子，具体包括如下操作：
经高温脱氧处理后，使硅衬底自然降温到设定生长温度，例如使硅衬底的温度低于Sn的熔点(即231.9℃)，随后采用分子束外延法在例如图3或图4中的硅凹槽内沉积Sn原子，并可以通过控制Sn源炉温度、生长时间等来调节Sn催化剂的沉积量。其中，当Sn源炉温度越高或者生长时间越长时，Sn沉积速度越快，沉积量越多。
在本实施例中，采用分子束外延法在硅凹槽内沉积Sn原子具体是在超高真空的条件下进行物理气相沉积，这样可以避免杂质污染衬底，提高晶体的生长质量。在本公开实施例中，超高真空条件具体为：真空度维持在10-7～10-8Pa范围。
在一些实施例中，在上述步骤S5中，退火处理的温度可以为250～500℃，退火时间例如可以为20min。其中，当退火温度高于Sn原子的熔点(231.9℃)时，此时沉积在硅凹槽表面的Sn原子呈熔融状态，可以通过控制退火温度和退火时间来调节Sn催化剂的尺寸。其中，退火温度越高或退火时间越长，熔融的Sn球具备的能量越大，更多地团聚成球。
在一些实施例中，在上述步骤S6，沉积Ge原子，在硅凹槽内定向得到锡自催化生长的GeSn微米条，具体包括如下操作：
在本公开实施例中，沉积Ge原子的温度不宜过高或过低。如果温度过高，则Sn在Ge中掺入浓度过低，甚至完全分凝在材料表面；如果温度过低则无法提供足够的动能，使外延材料为非晶结构。因此，沉积Ge原子的温度与退火处理的温度保持一致，例如选取250～500℃温度范围将Ge原子沉积在硅凹槽内，沉积时间例如为40min，随后在硅凹槽内完成Sn自催化GeSn微米条的选区生长。
图5示出了本公开实施例中Sn自催化GeSn微米条的扫描电子显微镜(SEM)表征图。如图5所示，采用本公开中的定向异质外延方法制备得到的Sn自催化GeSn微米条可以被限制在硅凹槽内生长，而且GeSn微米条材料无穿通位错产生，具有晶体质量优势。可见，采用本公开中的方法可以实现Sn自催化GeSn微米条材料在硅衬底上的定位生长，而且相较于传统的GeSn生长方法，本公开中GeSn微米条材料的生长周期更短，这为制备低维GeSn材料的大规模器件阵列提供了可能。
本公开的另一方面还提供了一种硅基锗锡合金材料，该硅基锗锡合金材料包括：
硅衬底，其中，硅衬底的晶向为(100)；
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凹槽，硅凹槽的两侧面的晶向为(111)；
锡自催化生长的GeSn微米条，采用如上述的定向异质外延方法制备得到，形成于上述硅凹槽内。
在本公开实施例中，提供了一种新型微米条结构的硅基GeSn合金材料，其在硅基光电子和短波红外探测领域方面存在潜在应用。
综上所述，本公开提供了一种定向异质外延方法和硅基锗锡合金材料。上述方法通过刻蚀形成(111)面组成的硅凹槽，并在该硅凹槽内实现了Sn自催化GeSn微米条的定向异质外延，不仅缩短了传统GeSn薄膜外延方法生长较厚缓冲层所耗费的生长周期，而且利用本公开中的方法所制备的GeSn微米条材料无穿通位错产生，具有晶体质量优势，有望实现低维GeSn合金材料的大规模器件的制备和应用。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种定向异质外延方法，其特征在于，包括：
S1，在硅衬底上进行刻蚀，形成硅刻蚀窗口；其中，所述硅衬底的晶向为(100)；
S2，对所述硅刻蚀窗口进行硅的各向异性湿法腐蚀，以形成硅凹槽；
S3，对刻蚀后的硅衬底进行清洗和高温脱氧处理；
S4，利用分子束外延法在所述硅凹槽内沉积Sn原子；
S5，退火处理，以使Sn团聚成球；
S6，沉积Ge原子，在所述硅凹槽内定向得到锡自催化生长的GeSn微米条。
2.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，所述硅凹槽的截面形状为槽型或倒三角形。
3.如权利要求2所述的定向异质外延方法，其特征在于，所述硅凹槽两侧面的晶向为(111)。
4.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，在步骤S6中，沉积Ge原子的温度与所述退火处理的温度保持一致。
5.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，在步骤S5中，所述退火处理的温度为250～500℃。
6.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，在步骤S4中，在所述硅凹槽内沉积Sn原子时，所述硅衬底的温度低于Sn的熔点。
7.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，在步骤S1中，所述在硅衬底上进行刻蚀，形成硅刻蚀窗口，包括：
S11，在硅衬底上形成掩膜层；
S12，利用光刻技术在所述掩膜层上形成图形化的光刻胶；
S13，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，以形成硅刻蚀窗口。
8.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，在步骤S3中，所述对刻蚀后的硅衬底进行清洗包括改良RCA清洗和除水汽处理；其中：
所述改良RCA清洗包括：采用浓硫酸双氧水混合液加热煮沸清洗；利用HF∶H2O＝1∶20的HF溶液处理，去除氧化层；以及采用双氧水、盐酸、氨水混合液加热煮沸，重新氧化；
所述除水汽处理的温度为300～350℃，时间为1～12小时。
9.如权利要求1所述的定向异质外延方法，其特征在于，在步骤S3中，所述高温脱氧处理的温度为800～1000℃，时间为10～30分钟。
10.一种硅基锗锡合金材料，其特征在于，包括：
硅衬底，其中，所述硅衬底的晶向为(100)；
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凹槽，所述硅凹槽的两侧面的晶向为(111)；
锡自催化生长的GeSn微米条，采用如权利要求1至9中任一项所述的定向异质外延方法制备得到，形成于所述硅凹槽内。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110408385.5A CN113113512A (zh) | 2021-04-15 | 2021-04-15 | 定向异质外延方法及硅基锗锡合金材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110408385.5A CN113113512A (zh) | 2021-04-15 | 2021-04-15 | 定向异质外延方法及硅基锗锡合金材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113113512A true CN113113512A (zh) | 2021-07-13 |
Family
ID=76717565
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110408385.5A Pending CN113113512A (zh) | 2021-04-15 | 2021-04-15 | 定向异质外延方法及硅基锗锡合金材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113113512A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114122182A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-03-01 | 中国科学院半导体研究所 | 一种红外焦平面阵列及其制备方法 |
| CN115376910A (zh) * | 2022-09-06 | 2022-11-22 | 兰州大学 | 一种制备平行斜刻凹槽图形化硅衬底的方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104377279A (zh) * | 2014-10-09 | 2015-02-25 | 中国科学院半导体研究所 | 大失配体系硅基无位错异质外延方法 |
| CN110777436A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-02-11 | 中国科学院半导体研究所 | 硅基iv族合金材料及其外延方法 |
| CN111312807A (zh) * | 2020-03-05 | 2020-06-19 | 中国科学院半导体研究所 | 硅基iv族合金条及其制备方法 |
| CN111430221A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-07-17 | 中国科学院半导体研究所 | 锡自催化生长的锗锡合金硅基材料及定向异质外延方法 |
| CN111584344A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-25 | 中国科学院半导体研究所 | 一种GeSn和SiGeSn合金材料及其外延方法 |
| CN111628410A (zh) * | 2020-06-08 | 2020-09-04 | 江苏华兴激光科技有限公司 | 一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料及制备方法 |
-
2021
- 2021-04-15 CN CN202110408385.5A patent/CN113113512A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104377279A (zh) * | 2014-10-09 | 2015-02-25 | 中国科学院半导体研究所 | 大失配体系硅基无位错异质外延方法 |
| CN110777436A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-02-11 | 中国科学院半导体研究所 | 硅基iv族合金材料及其外延方法 |
| CN111312807A (zh) * | 2020-03-05 | 2020-06-19 | 中国科学院半导体研究所 | 硅基iv族合金条及其制备方法 |
| CN111430221A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-07-17 | 中国科学院半导体研究所 | 锡自催化生长的锗锡合金硅基材料及定向异质外延方法 |
| CN111584344A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-25 | 中国科学院半导体研究所 | 一种GeSn和SiGeSn合金材料及其外延方法 |
| CN111628410A (zh) * | 2020-06-08 | 2020-09-04 | 江苏华兴激光科技有限公司 | 一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料及制备方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114122182A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-03-01 | 中国科学院半导体研究所 | 一种红外焦平面阵列及其制备方法 |
| CN114122182B (zh) * | 2021-11-08 | 2022-11-11 | 中国科学院半导体研究所 | 一种红外焦平面阵列及其制备方法 |
| CN115376910A (zh) * | 2022-09-06 | 2022-11-22 | 兰州大学 | 一种制备平行斜刻凹槽图形化硅衬底的方法 |
| CN115376910B (zh) * | 2022-09-06 | 2023-06-13 | 兰州大学 | 一种制备平行斜刻凹槽图形化硅衬底的方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI382456B (zh) | 鬆弛矽化鍺層的磊晶成長 | |
| WO2018086380A1 (zh) | 一种大尺寸iii-v异质衬底的制备方法 | |
| US20080191317A1 (en) | Self-aligned epitaxial growth of semiconductor nanowires | |
| US20090291523A1 (en) | Method of Manufacturing High Quality ZnO Monocrystal Film on Silicon(111) Substrate | |
| CN113113512A (zh) | 定向异质外延方法及硅基锗锡合金材料 | |
| EP1908097A2 (en) | Method for controlling dislocation positions in silicon germanium buffer layers | |
| CN104347401A (zh) | 一种绝缘栅双极性晶体管的制造方法 | |
| JP2009149481A (ja) | 半導体基板の製造方法 | |
| US8906487B2 (en) | Base material with single-crystal silicon carbide film, method of producing single-crystal silicon carbide film, and method of producing base material with single-crystal silicon carbide film | |
| US11232950B2 (en) | Structure of epitaxy on heterogeneous substrate and method for fabricating the same | |
| CN111430221B (zh) | 锡自催化生长的锗锡合金硅基材料及定向异质外延方法 | |
| CN110808533A (zh) | 一种高速dfb芯片中含铝材料的高温icp刻蚀方法 | |
| WO2022158148A1 (ja) | エピタキシャルウェーハの製造方法 | |
| KR101164113B1 (ko) | 다직경 실리콘 와이어 구조체의 제조방법 | |
| CN101469448B (zh) | 在蓝宝石上生长大尺寸高质量氧化锌单晶厚膜的方法 | |
| CN104499054B (zh) | 硅基高晶体质量InAsSb平面纳米线的生长方法 | |
| CN114990692B (zh) | 一种纳米图案化硅衬底、半导体薄膜及其制备方法 | |
| CN107978662B (zh) | 一种氮化镓纳米孔洞的制备方法 | |
| JP5544805B2 (ja) | 半導体基板の製造方法 | |
| CN109767972B (zh) | 在Si衬底上生长GaAs纳米线的方法 | |
| CN111435694A (zh) | GaN外延片及其制备方法 | |
| CN110060921B (zh) | 厚度不受限制的NiGe单晶薄膜及其制备方法和应用 | |
| JPS5968949A (ja) | 半導体装置の製造方法 | |
| JPH0410739B2 (zh) | ||
| TW202338170A (zh) | 一種薄膜生成於矽基板之製備方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210713 |