專利名稱：周期應(yīng)力調(diào)制低溫緩沖層硅基鍺薄膜制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體低維結(jié)構(gòu)薄膜材料的制備方法，特別是使用磁控濺射技術(shù)，基于低溫生長緩沖層后高溫生長薄膜的低溫緩沖層工藝，在應(yīng)力場調(diào)制的低溫緩沖層上制備結(jié)晶性較好、表面粗糙度的較小薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
由于Si/Ge晶體之間4. 2%的晶格適配，在Si襯底上外延制備Ge薄膜亟待解決的問題就是通過制備技術(shù)來抑制或減少有此產(chǎn)生的位錯。有效提高Ge外延薄膜的質(zhì)量，是提高材料遷移率獲得更大輻射符合系數(shù)，滿足光電技術(shù)發(fā)展的要求的保證。因此在20世紀80年代開始，人們就運用各種技術(shù)提高在Si基上外延Ge薄膜的質(zhì)量。
提高外延Ge薄膜的主要方法包括組分漸變的Ge緩沖層技術(shù)、選區(qū)外延技術(shù)、SiGe緩沖層技術(shù)和低溫緩沖層技術(shù)等。漸變Ge組分緩沖層技術(shù)是通過外延緩沖層中Ge組分的線性增加，來達到抑制位錯的穿越的目的(中國發(fā)明專利CN 101013668A)。這種技術(shù)的缺點是SixGei_x緩沖層厚度需在Imm左右，緩沖層厚度過厚會影響器件的集成化。選區(qū)外延技術(shù)是利用微電子技術(shù)，獲得圖形化襯底后，再選擇性外延生長純Ge薄膜。是通過圖形化的臺階來阻止位錯的傳播的方式，達到減少缺陷的目的(Yiying Wu and PeidongYang， Direct observation of vapor-liquid-solid nanowire growth, J. Am. Chem.Soc. 2001，123,3165-3166)。SiGe弛豫緩沖層技術(shù)是低溫下生長Si緩沖層作為應(yīng)力釋放激活元，然后再在上面生長SiGe合金層。意圖通過退火，將位錯限制于低溫Si緩沖層中。該方法的缺點是在SiGe合金層生長的過程中，生長溫度的提高會限制低溫Si弛豫層的效果，無法將缺陷限制在低溫 Si 層中。(K. K. Linder, F. C. Zhang, J. -S. Rieh and P.Bhattacharya,D. Houghton,Reduction of dislocation density in mismatched SiGe/Siusing a low—temperature Si buffer layer, American Institute of Physics. 1997,70，3224)。相比較而言，低溫緩沖層技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，而且在相同薄膜厚度(Imm)條件下，低溫緩沖層技術(shù)也能獲得較小的表面粗糙度(〈2nm)，符合后續(xù)器件加工對表面粗糙度的要求。低溫緩沖層技術(shù)也被稱為兩步法，即第一步低溫下(200-400°C)生長一定厚度(30-90nm)的Ge緩沖層；第二步高溫下(500-850°C )生長Ge薄膜。這個技術(shù)中關(guān)鍵在于利用低溫下Ge原子受限于小的熱動能，遷移率較低，得到較多缺陷的Ge緩沖層。而緩沖層的作用是完成Si/Ge之間的應(yīng)力弛豫，并保障高溫Ge薄膜生長中位錯的湮滅(H. -C.Luan, D. R. Lim, K. K. Lee, et al. High-quality Ge epilayers on Si with lowthreading-dislocation densities [J]. Appl. Phys. Lett.，1999，，75 (19):2909-2911 ;Colace L, Masini G, Galluzi F, etal. Ge/Si(001)photodetector for Near infraredlight [J], Solid State Phenomena，1997，54 :55-58.)。因此，低溫緩沖層技術(shù)中，緩沖層對Si/Ge材料晶格適配調(diào)制效果的好壞對高溫Ge薄膜的生長質(zhì)量起到?jīng)Q定性的影響。另外，真空條件下制備的樣品，如果薄膜內(nèi)缺陷和位錯較多的話，會導致室溫下氧化的現(xiàn)象。而薄膜樣品的氧化會導致所制備材料的光電性能不穩(wěn)定。因此，提高所制備Ge薄膜材料的穩(wěn)定性和光電性能是當前研究的重點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有的低溫緩沖層技術(shù)在硅基上外延低溫Ge緩沖層技術(shù)中存在的緩沖層中缺陷多，所制備Ge外延薄膜位錯明顯，無法獲得高質(zhì)量的Ge外延薄膜的問題。提供一種成本低、厚度薄能有效提高高溫Ge薄膜的質(zhì)量的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是在首先在Si/Ge界面之間覆蓋一層本征Si緩沖層，然后在低溫Ge緩沖層中植入不同密度大小的Ge納米點，完成對低溫Ge緩沖層的周期性應(yīng)力調(diào)制和結(jié)晶核的埋插。達到通過低溫緩沖層實現(xiàn)對晶格適配的弛豫的同時，以納米晶形成的形核中心為種子制備高質(zhì)量外延Ge薄膜，實現(xiàn)通過直流濺射設(shè)備制備出低位錯密度致密、表面相對平整的薄膜。所述直流磁控濺射所用靶材是純度為5NGe圓形靶，工作氣體(濺射氣體)為高純的 Ar氣(純度99. 999 %)。Si襯底為B+重摻雜材料，單面拋光Si片。電阻率為O. 001 Ω ·πι O. 005 Ω ·πι;材料沉積腔室為設(shè)備真空腔，腔體配置退火系統(tǒng)。在濺射時，工作室濺射壓強O. 5Pa 2Pa，低溫Ge緩沖層(厚度范圍在3(T90nm)溫度范圍200°C 400°C，濺射功率為50W 100W，在硅基底材料上生長厚度為Imm的Ge薄膜，然后原位退火(退火溫度范圍600。。 800。。)。所述的硅襯底清洗方法為改良的RAC清洗方法，具體步驟如下
1)用多種有機溶劑超聲清洗基片15min，達到去除有機物和無機物雜質(zhì)目的；
2)將祛除表面有機無機物雜質(zhì)的基片，根據(jù)需要進行祛除硅片表面的粒子(I號液，ΝΗ30Η+Η202+Η20 )、祛除硅片表面的金屬雜質(zhì)(II號液，HCL+H202+H20 )和祛除硅片表面的表面雜質(zhì)顆粒(III號液，H2S04+H202和濃HNO3溶液)的處理。本發(fā)明包括以下步驟
I)在“Si襯底”或“絕緣體上Si襯底(SOI)”上，用直流磁控濺射技術(shù)或者離子束濺射技術(shù)沉積一層本征Si緩沖層。2)在本征Si緩沖層上制備密度在IO9以上的Ge納米點(直徑在3(Tl00nm)。3)在納米點上濺射沉積低溫Ge緩沖層，將納米點埋于低溫緩沖層內(nèi)。4)高溫條件下，在低溫Ge緩沖層上濺射沉積高溫Ge薄膜，退火。5)自然降溫至室溫后進行性能檢測。其中所有敘述步驟均是在“超高真空直流磁控濺射”系統(tǒng)(UHVDCMS)中進行。其中在Si基片上生長的Si緩沖層，其生長厚度約200nm，生長溫度在600°C以上。其中在Si緩沖層上生長的不同密度的Ge納米點，密度在I X 109/cm2以上，生長溫度在600°C以上，獲得的點的高寬比范圍為O. f O. 5。其中在Si緩沖層上生長的低溫Ge緩沖層，生長溫度范圍是20(T40(TC，厚度范圍30nnT90nm。其中高溫生長的Ge薄膜頂層，生長厚度范圍為70(T800nm，生長溫度600以上，退火時間20分鐘以上。本發(fā)明的有益效果是在低溫緩沖層技術(shù)基礎(chǔ)上，提出利用直流MS技術(shù)制備性能更穩(wěn)定的Si基Ge薄膜的方法。本方法在提高薄膜性質(zhì)的同時，也獲得一種可與CMOS工藝相兼容，且符合工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)要求的高質(zhì)量Ge薄膜的制備方法。本發(fā)明上述實施例所用設(shè)備為經(jīng)過改造的FJL560 III型超高真空多靶磁控與離子束聯(lián)合濺射設(shè)備。設(shè)備經(jīng)過改造后，在真空腔中增加退火系統(tǒng)，保證材料可以進行原位退火。所用的靶材為5N(99. 999%以上)的高純Ge圓形靶，濺射氣體為5N(99. 999%以上)的高純氬氣，基底為Si (100) N型(B重摻雜)材料，Si片單面拋光，電阻率為0.001 Ω ·πι O. 005 Ω · m。


圖I為本發(fā)明的工藝流程示意圖。圖2為本發(fā)明實例I中步驟3所制備Ge納米點的AFM檢測結(jié)果圖。圖3為本發(fā)明實例2中步驟3所制備Ge納米點的AFM檢測結(jié)果圖。
圖4為本發(fā)明實施例I薄膜AFM檢測結(jié)果圖。圖5為本發(fā)明實施例2薄膜AFM檢測結(jié)果圖。圖6為本發(fā)明分別對應(yīng)實施例I、實施例2、實施例3和實施例4薄膜Raman圖譜。
具體實施例方式 以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。實施例I :
在通過改良RAC清洗工藝處理過的Si基底上，濺射功率為100w，襯底溫度為700°C下生長約200nm厚Si緩沖層，溫度降低至350°C生長IOnm厚Ge薄膜。再以穩(wěn)定緩慢速度升至650°C，原位退火30min，自然降溫至室溫，獲得形成如圖2所示Ge納米點。Ge納米點的平均高寬比為O. 51，密度為3. IXlOVcm20然后再將表面覆蓋Ge納米點的基片升溫至350°C生長厚度為60nmGe緩沖層。然后再升溫至650°C高溫生長厚度為770nm的Ge薄膜。薄膜的表面粗糙度RMS為18. 73nm。晶體中有被氧化現(xiàn)象，且有非晶峰。實施例2:
與實施例I類似，其區(qū)別在于Ge納米點密度為2. 28 X IO1Vcm2火，高寬比為O. 2^0. 3。實施例3:
與實施例I類似，其區(qū)別在于高溫退火溫度為750°C。實施例4:
與實施例2類似，其區(qū)別在于高溫退火溫度為650°C。實施例5:
與實施例I類似，其區(qū)別在于高溫退火溫度為660°C。實施例6:
與實施例2類似，其區(qū)別在于高溫退火溫度為600°C。實施例7:
與實施例I類似，其區(qū)別在于高溫退火時間為20min。實施例8:
與實施例2類似，其區(qū)別在于高溫退火時間為40min。實施例9:與實施例I類似，其區(qū)別在于高溫退火時間為60min。實施例10:
與實施例I類似，其區(qū)別在于低溫Ge緩沖層生長厚度為30nm。實施例11:
與實施例2類似，其區(qū)別在于 低溫Ge緩沖層生長厚度為90nm。實施例12:
與實施例8類似，其區(qū)別在于高溫Ge薄膜生長厚度為970nm。實施例13:
與實施例9類似，其區(qū)別在于高溫Ge薄膜生長厚度為970nm。實施例14:
與實施例I類似，其區(qū)別在于Ge納米點密度為I. 51 X IOuVcm2,平均高寬比為O. 2^0. 3。實施例15:
與實施例I類似，其區(qū)別在于Ge納米點密度為7. 5 X IO9 /cm2,平均高寬比為O. 4^0. 45。實施例16:
與實施例I類似，其區(qū)別在于生長功率為50W。
權(quán)利要求
1.一種利用磁控濺射技術(shù)制備硅基鍺薄膜的方法，其特征在于襯底為硅單晶片、玻璃、藍寶石或石英基片；采用直流磁控濺射技術(shù)，工作室保持高真空環(huán)境，使用氬氣作為工作氣體； 首先在工作室濺射壓強為O. 5Pa 2Pa，濺射功率為50W 100W，在厚度約200nm的本征硅緩沖層的硅基底材料上，在高于650°C生長一層密度在IX 109/cm2以上的Ge納米點； 其次降低襯底溫度到200°C飛00°C，在Ge納米點上覆蓋一層厚度為30nnT90nm的Ge緩沖層，通過埋置納米點完成對低溫緩沖層的應(yīng)力調(diào)制； 最后原位升溫至600°C 800°C，生長7000nm以上厚度的Ge薄膜，并經(jīng)過退火后，降溫至室溫，獲得制備好的硅基鍺薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用磁控濺射技術(shù)制備硅基鍺薄膜的方法，其特征在于所述直流磁控濺射所用的靶材為5N的高純Ge圓形靶，濺射氣體為5N的高純氬氣，基底為B重摻雜的單面拋光單晶Si片，電阻率為O. OOl Ω · m O. 005 Ω · m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用磁控濺射技術(shù)制備硅基鍺薄膜的方法，其特征在于所述原位退火是在工作室真空腔中配置退火系統(tǒng)，退火時間控制在￡ 20 min0
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用磁控濺射技術(shù)制備硅基鍺薄膜的方法，其特征在于預(yù)先對娃基底材料表面處理，方法如下 1)用甲苯、丙酮、無水乙醇有機溶劑超聲清洗基片15min，達到去除有機物和無機物雜質(zhì)目的； 2)將完成步驟I)的基片，根據(jù)需要進行硅片表面粒子祛除，所用溶液為用NH3OH、H2O2和H2O組成的I號液； 3)將完成步驟I)和2)的基片，根據(jù)需要完成硅片表面的金屬雜質(zhì)祛除，所用溶液為HCL、H2O2和H2O組成的II號液； 4)將完成步驟1)、2)和3)的基片，根據(jù)需要完硅片表面的表面雜質(zhì)顆粒祛除，所用溶液為H2S04、H2O2和濃HNO3組成的溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用磁控濺射技術(shù)制備硅基鍺薄膜的方法，其特征在于在由濺射時的低溫升至原位退火高溫過程中，升溫速率為O. 3°C /S O. 5°C /S。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的利用磁控濺射技術(shù)制備硅基鍺薄膜的方法，其特征在于原位退火后采用分區(qū)段降溫至室溫，降溫速率為O. 250C /S。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體低維結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，特別是使用磁控濺射技術(shù)，首先制備Si緩沖層，然后在Si緩沖層上制備Ge納米點，再在納米點上覆蓋一層低溫Ge緩沖層。通過工藝實現(xiàn)在低溫制備的Ge緩沖層中買入Ge納米點作為薄膜的形核中心的同時也對緩沖層應(yīng)力進行調(diào)制。獲得高質(zhì)量的Ge薄膜的制備方法。本發(fā)明采用直流磁控濺射技術(shù)，工作室保持高真空環(huán)境，使用氬氣作為工作氣體，在工作室濺射壓強0.5Pa～2Pa，生長溫度200~800℃，濺射功率為50~100W的條件下，在已經(jīng)制備了納米結(jié)構(gòu)的硅基底材料上低溫下(200~400℃)覆蓋厚度范圍在30~90nm的Ge緩沖層，然后再在600～800℃生長Ge薄膜，制備完成后，降溫至室溫后獲得Ge薄膜。本發(fā)明具有生產(chǎn)成本低、簡易高效、易于產(chǎn)業(yè)化制備具有更高晶體質(zhì)量的Ge薄膜。
文檔編號C30B23/02GK102877035SQ20121037537
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月8日
發(fā)明者靳映霞, 楊宇, 李亮, 關(guān)中杰 申請人:云南大學