[發(fā)明專利]一種Ge/Si襯底及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010338509.2
• 申請日: 2020-04-26
• 公開（公告）號: CN113555457B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘆紅;魏煉;苗藝;李晨;陳延峰
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: H01L31/028
• 分類號: H01L31/028;H01L31/0352;H01L31/18;H01L21/02
• 代理公司: 北京嘉和天工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11269
• 代理人: 繆策;嚴(yán)慎

本發(fā)明提供一種Ge/Si襯底，其包括依次層疊設(shè)置的Si襯底、Si緩沖層和Ge薄膜，所述Ge薄膜通過外延法生長在所述Si緩沖層上，其中所述Ge薄膜的空穴遷移率大于1000cmsupgt;2/supgt;/Vs。本發(fā)明提供的Ge/Si襯底中，Ge薄膜表面平整，單晶質(zhì)量高，晶格可以完全弛豫，空穴載流子遷移率大于1000cmsupgt;2/supgt;/Vs，最高可達1300cmsupgt;2/supgt;/V·s，可以極大的推動Si基Ge光子技術(shù)的發(fā)展，另外本發(fā)明的Ge/Si襯底可以代替鍺襯底，用于材料的外延生長及后續(xù)的器件集成和加工。本發(fā)明還提供了Ge/Si襯底的制備方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有高遷移率的Ge/Si襯底及其制備方法，更具體的說，涉及到Si襯底上直接外延高質(zhì)量Ge生長條件的優(yōu)化和對Ge/Si界面及薄膜內(nèi)缺陷的調(diào)控，包括襯底的處理、緩沖層的生長、Ge生長溫度的優(yōu)化以及原位退火過程。

背景技術(shù)

硅(Si)和鍺(Ge)是最為常見的半導(dǎo)體材料，也是重要的電子元器件材料。Ge/Si材料可以作為硅基高速電子器件研究的新材料，它是硅基長波長光電探測器的首選材料。

另外，鍺與GaAs材料晶格匹配，Ge/Si襯底可以作為硅基GaAs等材料的虛擬襯底，在硅基光電集成、硅基高效太陽能電池研制等方面有重要應(yīng)用前景。

但是由于鍺和硅的晶格失配度在4％以上，Ge/Si襯底技術(shù)實現(xiàn)難度大。從Si襯底上直接外延所獲Ge外延層的主要技術(shù)指標(biāo)來看，存在以下問題：

1)Ge外延層表面粗糙度大，不利于后續(xù)Ge緩沖層上的III-V族異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長；

2)Ge外延層位錯密度高，在光電器件的應(yīng)用中，使得器件性能發(fā)生退化。

雖然目前關(guān)于位錯密度和粗糙度的改善取得了很大的進展，但是獲得的Ge薄膜空穴遷移率與Ge體塊相差非常大，而遷移率是衡量一個材料質(zhì)量好壞的關(guān)鍵指標(biāo)，其數(shù)值直接體現(xiàn)了材料的純度和單晶度等性能。早在1989年Kataoka等人對Si上不同溫度外延的Ge薄膜進行電學(xué)研究，他們發(fā)現(xiàn)Ge薄膜的遷移率都不超高400cm²/Vs，同時發(fā)現(xiàn)退火后Ge薄膜遷移率反而降低到了100cm²/Vs，他們認為原因是退火在提高晶體質(zhì)量的同時會產(chǎn)生一些島狀形貌增加載流子濃度。另外Zhou等人證明低溫Ge層在較高的生長溫度時(350℃)獲得的Ge薄膜的空穴遷移率會更高一些(550cm²/Vs)。Chen等人在Si上外延的Ge薄膜的空穴遷移率為280cm²/Vs，當(dāng)在中間插入低溫的Si_0.75Ge_0.25/Si超晶格緩沖層時可以將外延Ge薄膜的空穴遷移率提高到450cm²/Vs。所以對Ge/Si襯底遷移率的提高是一個亟待解決的問題。

同時鍺襯底價格比較昂貴。因此，開發(fā)并優(yōu)化硅襯底上制備高質(zhì)量Ge外延層工藝具有重要的實用價值。

在目前硅襯底上外延鍺，有三種常見的方法：1.先在硅片上生長低鍺含量的鍺硅合金，再不斷提高鍺含量的逐層生長模式；2.利用選擇性區(qū)域生長(selective?areagrowth，SAG)的技術(shù)。該技術(shù)需要先對襯底進行構(gòu)圖，然后再進行外延橫向生長；3.“兩步法生長”，即首先在低溫(300-400℃)生長一層薄的Ge籽晶層(30-100nm)，以限制Ge原子的遷移，從而防止Ge的三維島狀成核；然后在高溫(600-850℃)生長厚的Ge膜，以實現(xiàn)更高的生長速率和更好的Ge結(jié)晶度。前兩種方法由于成本和工藝復(fù)雜性都不適合廣泛的應(yīng)用。第三種方法是目前常見的方法，但是獲得的Ge/Si襯底遷移率并不高，同時位錯密度和表面粗糙度依然需要進一步改善。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種具有高遷移率的Ge/Si襯底及其制備方法。這種制備方法制備工藝更簡單，成本更低。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：