[發明專利]一種張應變Ge薄膜的制備方法及層疊結構

有效

• 申請號: 201110324589.7
• 申請日: 2011-10-24
• 公開（公告）號: CN103065932A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 張苗;劉林杰;狄增峰;高曉強;陳達;薛忠營;姜海濤;卞建濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L21/20
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術領域

本發明涉及硅基光電集成領域，特別是涉及一種張應變Ge薄膜的制備方法及層疊結構。

背景技術

隨著信息產業的發展，信息數據將海量增加，對信息計算、傳輸等技術在今后的發展也提出了更高的要求和挑戰。其主要的解決途徑之一就是將現有成熟的微電子和光電子結合，實現硅基光電集成，這將成為信息產業發展的重要方向之一。近十年來，由于重大的工業意義，硅基光電集成關鍵材料和器件的研究引起了國際科學界(如美國MIT、哈佛大學)和工業界(如Intel，ST)的嚴重關注，僅Intel公司對硅基光電子的研發就投入數十億美元巨資。一旦突破，不僅可以實現芯片光互連、光電集成以及將來的光計算，而且在光通訊、光顯示等領域具有重大的潛在應用前景，對我國的信息產業的發展具有重大意義。

光子集成回路(Photon?Integrated?Circuit，PIC)和光電子集成回路(Optic?Electronics?Integrated?Circuit，OEIC)不僅可以在大容量、高保密的光纖通信中應用，而且能在光學遙感、傳感，光互聯、光計算、光數據存儲及光電顯示等領域發揮重要作用。因而，硅基光電集成技術近年來發展迅速，具有優異性能的材料是這一發展的主要推動力。近年來，隨著半導體器件尺寸的縮小，傳統的體硅材料正接近其物理極限，具有高電子和空穴遷移率的應變Ge由于可以用作溝道材料從而改善這一問題而被廣泛關注。

Ge的遷移率隨張應變的增大而提高，為了得到高應變的Ge薄膜，目前采用的主要方法例如利用Si和Ge的熱膨脹系數的差異來達到張應變，但是這種方法得到的Ge薄膜中張應力較小；還有一種方法就是在GaAs上先生長組分遞增的In_xGa_1-xAs緩沖層，然后在In_xGa_1-xAs上外延Ge薄膜，由于In_xGa_1-xAs晶格常數較大，從而得到具有張應變的Ge薄膜，但是，該種方法由于要生長厚度大的緩沖層增加了成本，限制了應變Ge薄膜的進一步應用。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種張應變Ge薄膜的制備方法及層疊結構，以達到用低成本制備出具有張應變、高遷移率Ge薄膜，并能減小In_xGa_1-xAs緩沖層的厚度、降低其穿透位錯密度的目的。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種張應變Ge薄膜的制備方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步驟：1)提供一GaAs襯底，在所述GaAs襯底上分別外延出In_xGa_1-xAs層和頂層Ge薄膜，所述In_xGa_1-xAs層中In組分x為0＜x≤1，并使所述In_xGa_1-xAs層的厚度不超過其生長在所述GaAs襯底上的臨界厚度，使所述頂層Ge薄膜的厚度不超過其生長在所述In_xGa_1-xAs層上的臨界厚度，以制備出包含Ge薄膜的樣品；2)對所述樣品進行氦離子或氫離子注入，并使氦離子或氫離子的峰值分布在所述In_xGa_1-xAs層與GaAs襯底相結合的界面下10nm～1000nm；3)對所述樣品進行快速熱退火，退火后得到弛豫的In_xGa_1-xAs層和張應變Ge薄膜。

在本發明張應變Ge薄膜的制備方法的步驟1)中，系通過分子束外延工藝或金屬有機化合物化學氣相沉淀工藝在所述GaAs襯底上分別外延出In_xGa_1-xAs層和頂層Ge薄膜。所述In_xGa_1-xAs層厚度小于1nm～1um。

在本發明張應變Ge薄膜的制備方法的步驟2)中，注入氦離子或氫離子的能量為10KeV～150KeV。當注入離子為氦離子時，注入氦離子的劑量為1E14cm^-2～1E16cm^-2；當注入離子為氫離子時，注入氫離子的劑量為1E14cm^-2～4E16cm^-2。

在本發明張應變Ge薄膜的制備方法的步驟3)中，于所述步驟3)中，所述退火的升溫時間小于30s，退火溫度700℃～1100℃，退火時間為30s～600s。