TWI556285B - 在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法 - Google Patents

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Description

在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法
本發明是有關於一種單晶鍺薄膜的製造方法，且特別是有關於一種利用電子迴旋共振化學氣相沉積法在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法。
在目前的產業界中，已是市場主流之矽晶太陽能電池具有最高可達24.7%的光電轉換效率。但若是想要更可有效率的利用太陽頻譜，則多接面太陽能電池的設計具有最高可達44.7%的光電轉換效率。然而以三五族化合物半導體材料為主之多接面太陽能電池目前並無法快速發展，原因在於多接面太陽能電池所使用之鍺基板或砷化鎵基板的面積小、價格高且熱傳導性差，造成多接面太陽能電池無法普及化。
雖然目前已漸漸發展出，將鍺磊晶成長於矽基板(Ge on Si)上的技術，以取代傳統高成本之鍺基板，並改善熱傳導性。但目前將鍺磊晶成長於矽基板的技術中，大部分是需要在高溫下進行製程(例如600~800℃)，並常常合併高溫退火處理(例如900℃)。然而，高溫製程容易造成矽基板與鍺材料因熱膨脹係數不同所造成的熱應力缺陷，導致元件良率降低。並且，如此高溫且複雜的製程過程，並不容易與現有矽半導體製程技術進行整合。
因此，提出一種低溫製程以將鍺磊晶成長於矽基板上，係為 發展本案的主要精神。
本發明提出一種在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法，以提升元件良率，降低製程成本，並利於系統整合。
為達上述優點或其他優點，本發明提出一種在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法，包括：提供矽基板；將矽基板置入真空腔體；將矽基板加熱至具有一溫度，其中上述溫度小於300℃；以及於上述真空腔體中，利用電子迴旋共振化學氣相沉積法形成單晶鍺薄膜於上述矽基板，包括：利用微波源將通入上述真空腔體之反應氣體進行解離，以沉積單晶鍺薄膜於上述矽基板，其中上述反應氣體至少包括鍺甲烷(GeH4)與氫氣(H2)。
綜上所述，本發明係利用電子迴旋共振化學氣相沉積法，在低於300℃的製程溫度下有效解離反應氣體，以磊晶成長單晶鍺薄膜於矽基板上，並製備而得具有表面粗糙度小於3奈米之單晶鍺薄膜。值得一提的是，本發明之單晶鍺薄膜的製程溫度全程低於300℃，且無需任何退火製程。因此本發明之Ge on Si的低溫製程除了可克服矽與鍺材料之不同的熱膨脹係數所造成的熱應力缺陷之外，還可改善傳統高溫製程所造成的種種元件的限制。因此本發明之Ge on Si的低溫製程方法能有利於現有矽半導體製程系統的整合。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
110‧‧‧矽基板
112‧‧‧原生氧化層
120‧‧‧單晶鍺薄膜
Cb‧‧‧真空腔體
Ht‧‧‧加熱板
T1‧‧‧溫度
Rg1、Rg2‧‧‧反應氣體
Mw‧‧‧微波源
S401、S403、S405、S407‧‧‧步驟
圖1A~1C係根據本發明之一實施例所繪示之在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法流程示意圖。
圖2係為利用本發明之製程方法所製作之單晶鍺薄膜於利用X射線繞射分析儀進行測定後的X光繞射圖譜。
圖3為單晶鍺與三五族材料的晶格常數-能隙圖。
圖4係根據本發明之一實施例所繪示之在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法步驟流程圖。
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。
圖1A~1C係根據本發明之一實施例所繪示之在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法流程示意圖。請先參照圖1A。本發明之在矽基板上磊晶成長鍺薄膜(Ge on Si)的方法包括以下步驟：首先，提供矽基板110。上述矽基板110具有晶向，上述晶向例如是(100)方向或是沿(100)方向傾斜6度。此外，由於矽基板110上通常會具有原生氧化層112，因此在沈積單晶鍺薄膜之前，還包括利用氫氟酸溶液移除矽基板110上之原生氧化層112。上述之利用氫氟酸溶液移除原生氧化層112的步驟，例如是將矽基板110浸泡於濃度為1~10%的氫氟酸溶液中約5秒至2分鐘左右，即可清除矽基板110上之原生氧化層112。
請同時參照圖1A與圖1B。於清除矽基板110上之原生氧化層112之後，將矽基板110置入真空腔體Cb。對真空腔體Cb進行抽真空的製程，並利用配置於真空腔體Cb之加熱板Ht將矽基板110加熱至具有溫度T1，其中上述溫度T1小於300℃。於一較佳實施例中，上述溫度T1例如可以是介於150℃至200℃之間。本發明係以在溫度T1為180℃下製作之單晶鍺薄膜來進行後續製程與檢測結果的說明，但本發明不以此為限。此外，值得一提的是，將矽基板110加熱至具有溫度T1之後，例如可以等待數分鐘(例如約5~10分鐘)的熱平衡時間，使具有溫度T1之矽基板 110維持熱平衡之後，再進行沈積單晶鍺薄膜的製程。
請參照圖1C。接下來，當矽基板110具有溫度T1之後，則於真空腔體Cb中，利用電子迴旋共振化學氣相沉積法(electron cyclotron resonance chemical vapor deposition，簡稱ECR-CVD)形成單晶鍺薄膜120於矽基板110上，且於此過程中，真空腔體Cb的真空度約小於或等於10-6托(Torr)。上述之利用電子迴旋共振化學氣相沉積法形成單晶鍺薄膜120於矽基板110上的步驟包括：利用與真空腔體Cb電性連接之微波源Mw將通入真空腔體Cb之反應氣體Rg1、Rg2進行解離，以沉積單晶鍺薄膜120於矽基板110上。如此即完成單晶鍺薄膜的製程。上述的微波源Mw例如是頻率為2.54GHz的微波源，但本發明不以此為限。上述反應氣體Rg1例如包括鍺甲烷(GeH4)，反應氣體Rg2包括氫氣(H2)，且上述反應氣體中之氫氣與鍺甲烷的氣體濃度比值約介於1~10之間。
此外，上述反應氣體Rg1例如可同時包含有鍺甲烷與氬氣(Ar)。其中氬氣係用以輔助單晶鍺薄膜120於磊晶過程中的速率穩定性。此外，當氬氣存在的情況下，氫氣與鍺甲烷的氣體濃度比值範圍較為寬廣，因此更能因應各種製程條件而調整出所需的氣體濃度比值。而在氬氣存在的情況下，反應氣體中之氫氣(H2)與鍺甲烷(GeH4)的氣體濃度比值約介於1~140之間。
值得注意的是，一般的鋼瓶大多會同時包含有氦氣(He)與鍺甲烷氣體，其中氦氣係用來稀釋鋼瓶中的鍺甲烷氣體。但氦氣在單晶鍺薄膜的磊晶過程中並無任何作用。因此通入真空腔體Cb的反應氣體Rg1中可包含氦氣，亦可無包含氦氣。
值得一提的是，本發明之單晶鍺薄膜的製程溫度全程低於300℃，且無需任何退火製程。因此本發明之Ge on Si的低溫製程除了可克服矽與鍺材料之不同的熱膨脹係數所造成的熱應力缺陷之外，還可改善傳統高溫製程所造成的種種元件的限制，並降低製程成本。因此本發明之Ge on Si的低溫製程方法能有利於現有矽半導體製程系統的整合。
圖2係為利用本發明之製程方法所製作之單晶鍺薄膜於利用X射線繞射分析儀進行測定後的X光繞射圖譜。利用X射線繞射分析儀(X-Ray Diffractometer，簡稱XRD)來測定磊晶成長於矽基板110上之單晶鍺薄膜120而得到如圖2之X光繞射圖譜。由圖2中可看出，單晶鍺薄膜120的的半高寬(Full width at half maximum，簡稱FWHM)約為683弧秒(arcsec)。一般製程所製造出的單晶鍺薄膜的半高寬大多落在400~2000弧秒之間，但若FWHM能小於1000弧秒，則代表單晶鍺薄膜具有相對良好的晶格品質。因此，利用本發明之製程方法所製做出之具有半高寬為683弧秒的單晶鍺薄膜120的確是具有相對較為良好的晶格品質。
值得一提的是，由於電子迴旋共振化學氣相沉積法具有低離子轟擊效應的優點，因此本發明利用電子迴旋共振化學氣相沉積法磊晶成長而得的單晶鍺薄膜具有小於3奈米的表面粗糙度。於一較佳實施例中，本發明之利用電子迴旋共振化學氣相沉積法磊晶成長而得的單晶鍺薄膜的表面粗糙度還可降低至0.2奈米左右。因此，相較於傳統之製程方法所製做出之鍺薄膜的表面粗糙度(約為3奈米)，則本發明利用ECR-CVD所製作之單晶鍺薄膜的表面粗糙度相對較為平整。平整的單晶鍺薄膜表面可降低介面缺陷問題，有利於元件的後續製程，並有利於元件良率的提升。
圖3為單晶鍺與三五族材料的晶格常數-能隙圖。此外，可視製程需求，將三五族化合物材料的元件形成於本發明之單晶鍺薄膜上。特別是可將與鍺的晶格常數近似的三五族材料形成於單晶鍺薄膜上。如圖3所示，與鍺的晶格常數(約為5.65)相近的三五族材料有砷化鎵(GaAs)、銻化磷鎵(GaP0.68Sb0.32)、磷化銦鎵(Ga0.5In0.5P)與砷化鎵鋁(AlxGa1-xAs，x=0~1)等。
圖4係根據本發明之一實施例所繪示之在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法步驟流程圖。請合併參照圖1A~1C與圖4。在本實施 例中，首先提供矽基板110(步驟S401)。在進行後續製程前，還包括利用氫氟酸溶液移除矽基板110上之原生氧化層112。接下來，則將矽基板110置入真空腔體Cb中(步驟S403)。將矽基板110加熱至具有溫度T1，其中上述溫度T1小於300℃(步驟S405)。此外，利用加熱板Ht將矽基板110加熱的過程中，亦同時對真空腔體Cb進行抽真空的製程。接下來，則於真空腔體Cb中，利用電子迴旋共振化學氣相沉積法形成單晶鍺薄膜120於矽基板110上，包括：利用微波源Mw將通入真空腔體Cb之反應氣體Rg1、Rg2進行解離，以沉積單晶鍺薄膜120於矽基板110上，其中反應氣體Rg1包括鍺甲烷，反應氣體Rg2包括氫氣(步驟S407)。此外，上述反應氣體Rg1例如還包含氬氣。而在氬氣存在的情況下，反應氣體中之氫氣與鍺甲烷的氣體濃度比值範圍較為寬廣，約介於1~140之間。在氬氣不存在的情況下，反應氣體中之氫氣與鍺甲烷的氣體濃度比值約介於1~10之間。此外，本發明之單晶鍺薄膜具有小於3奈米之表面粗糙度。於一較佳實施例中，本發明之單晶鍺薄膜的表面粗糙度可降低至0.2奈米左右。其他相同的細節於前述數個段落中皆有提及，於此不再贅述。
綜上所述，本發明係利用電子迴旋共振化學氣相沉積法，在低於300℃的製程溫度下有效解離反應氣體，以磊晶成長單晶鍺薄膜於矽基板上，並製備而得具有表面粗糙度小於3奈米之單晶鍺薄膜。並且，本發明之製備單晶鍺薄膜的製程溫度全程低於300℃，除了可克服矽與鍺材料之不同的熱膨脹係數所造成的熱應力缺陷以提升元件良率之外，還可改善傳統高溫製程所造成的種種元件的限制。因此本發明之Ge on Si的低溫製程方法能有利於現有矽半導體製程系統的整合。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S401、S403、S405、S407‧‧‧步驟

Claims (7)

  1. 一種在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法，包括：提供一矽基板；將該矽基板置入一真空腔體；將該矽基板加熱至具有一溫度，其中該溫度小於300℃；以及於該真空腔體中，利用一電子迴旋共振化學氣相沉積法形成一單晶鍺薄膜於該矽基板，包括：利用一微波源將通入該真空腔體之一反應氣體進行解離，以沉積該單晶鍺薄膜於該矽基板，其中該反應氣體至少包括鍺甲烷(GeH4)與氫氣(H2)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法，其中該反應氣體中之H2與GeH4的一氣體濃度比值介於1~10之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法，其中該反應氣體還包括氬氣(Ar)。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法，其中該反應氣體中之H2與GeH4的一氣體濃度比值介於1~140之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法，其中該溫度介於150℃至200℃之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法，其中該單晶鍺薄膜具有一表面粗糙度小於3奈米。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之在矽基板上磊晶成長鍺薄膜的方法，其中在將該矽基板置入該真空腔體之前，還包括利用一氫氟酸溶液移除該矽基板上之一原生氧化層。
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