[發(fā)明專利]一種SiGe弛豫襯底材料及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200610165551.9
• 申請日: 2006-12-21
• 公開（公告）號: CN101207093A
• 公開（公告）日: 2008-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙雷;左玉華;王啟明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號: H01L23/00
• 分類號: H01L23/00;H01L29/12;H01L21/20;H01S5/00
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 周國城

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種SiGe弛豫襯底材料及其制備方法。

背景技術(shù)

SiGe/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為電子和光子器件應(yīng)用中的重要材料，尤其是利用弛豫的高Ge含量SiGe層可以制作高電子遷移率器件，量子級聯(lián)激光器等。如何在Si襯底上獲得具有低位錯密度和表面粗糙度的弛豫SiGe層成為研究的關(guān)鍵。

Si上外延Ge是異質(zhì)失配外延。Si和Ge的晶格常數(shù)分別為0.5431nm和0.5658nm，晶格失配率高達(dá)4.2％。SiGe合金中的Ge含量越高，其與Si之間的晶格失配率就越高。

SiGe合金在Si襯底上外延生長時，異質(zhì)外延SiGe薄膜首先是在Si襯底上贗晶生長，即其在水平方向上具有與Si襯底相同的晶格常數(shù)，這就導(dǎo)致SiGe外延層中積累了壓應(yīng)力，并且這種應(yīng)變積累隨薄膜厚度的增加而增加，當(dāng)厚度增加到一定程度時，共格的薄膜將處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，向應(yīng)變能降低的方向演化，發(fā)生應(yīng)變弛豫，這個厚度稱為臨界厚度。

顯然，SiGe層中的Ge組分越高，與Si之間的晶格失配越大，應(yīng)力積累越明顯，臨界厚度就越小。

當(dāng)SiGe合金發(fā)生弛豫時，一般通過兩種形式釋放應(yīng)力：產(chǎn)生失配位錯和形成表面起伏。當(dāng)發(fā)生的是產(chǎn)生失配位錯的弛豫過程時，產(chǎn)生的失配位錯有兩類基本的構(gòu)成，刃型位錯和螺旋位錯。刃型位錯的Burgers矢量與位錯線垂直，而螺旋位錯的Burgers矢量與位錯線平行，任意角度的位錯都可以分解成刃型位錯和螺旋位錯。只有Burgers矢量垂直于位錯線并在外延界面內(nèi)的刃型位錯分量才能釋放晶格失配。根據(jù)位錯趨向于具有小的Burgers矢量以使能量最小的原理，在SiGe合金中，最常見的位錯是位錯線沿[110]和[-110]方向的60°位錯。

當(dāng)發(fā)生表面起伏弛豫時，形成表面波紋，或者島狀起伏。這種起伏來源于局域應(yīng)變能梯度驅(qū)動下的表面原子的擴(kuò)散。假設(shè)一個單軸應(yīng)變的固體表面存在一個小的起伏，在起伏的谷的位置，局部應(yīng)變能增加，它驅(qū)使材料沿表面從谷向峰擴(kuò)散，谷由于物質(zhì)減少而加深，而應(yīng)力則進(jìn)一步增加，從而起伏變大。但在這一過程中，表面積是隨起伏的增加而增加的，因此表面能也會增加，從而阻止起伏的進(jìn)一步加大。這種競爭結(jié)果決定了材料表面的最終起伏程度。表面位錯密度和表面粗糙度過大，都會嚴(yán)重影響器件質(zhì)量。

解決這一問題的有效辦法是在Si襯底上外延弛豫襯底。生長弛豫襯底的目的是使失配應(yīng)力在弛豫襯底中釋放，而弛豫襯底的表面具有與其上要外延的SiGe層相匹配的晶格常數(shù)。

因此，對弛豫襯底層的要求很高，既要求其能盡可能快的發(fā)生塑性弛豫從而釋放應(yīng)力，又要求這種弛豫過程中產(chǎn)生的位錯等缺陷不能影響它的表面質(zhì)量，從而保證弛豫襯底表面具有完美的晶格結(jié)構(gòu)。

如上所述，在SiGe/Si層中發(fā)生塑性弛豫，主要是通過在{111}滑移面內(nèi)引入60°位錯來實現(xiàn)的。螺旋位錯位于失配位錯的兩端，并在{111}面內(nèi)滑移，頂端在材料表面形成位錯坑。各種弛豫襯底制備方法都是建立在如何在釋放應(yīng)力的過程中使表面位錯坑減少的基礎(chǔ)上的。

首先是利用恒定組分的應(yīng)力層作為位錯過濾層，利用失配應(yīng)力使螺旋位錯發(fā)生偏折[Appl.Phys.Lett.，1986，49(17)：1101-1103]，這種方法在SiGe體系中的效果并不明顯。另外的方法是采用低溫Si層，Si層在低溫下生長，處于非平衡態(tài)，其中含有大量點位錯，飽和的點缺陷成為失配位錯源，[Thin?Solid?Films，1998，336：319-322]，這種方法不能保證晶格質(zhì)量。

除此之外，目前最常用的方法是生長組分漸變緩沖層，即在一定的厚度內(nèi)將Ge組分從0逐漸過渡到所需要的組分[J.Appl.Phys.，1997，81(7)：3108-3116]。采用組分漸變緩沖層，可以使螺旋位錯密度可以降低到10^5-6/cm²，在商業(yè)應(yīng)用中，已經(jīng)利用這種組分漸變緩沖層來制作器件。然而，由于組分漸變速率(％Ge/μm)越高，表面的平面內(nèi)剩余殘余應(yīng)力越大，而且表面粗糙度也會隨著最終Ge組分和漸變速率的增加而增加。

為了得到可以接受的低表面粗糙度和低螺旋位錯密度，通常要使Ge組分的漸變速率在～10％/μm以下，這就使得要獲得最終Ge組分很高的弛豫襯底，需要相當(dāng)大的厚度，消耗大量時間，從而提高了成本。