[发明专利]一种弛豫SiGe虚拟衬底及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，涉及一种高质量的弛豫高锗含量的SiGe虚拟衬底及其制备方法。 

背景技术

在半导体产业中，Si材料作为占据统治地位的半导体器件已经发展了近半个世纪。随着科学技术的发展以及人们对微电子器件性能的追求，使得半导体器件的特征尺寸不断缩小，单个晶体管尺寸逐渐达到了物理和技术的双重极限，以传统Si作为沟道材料的CMOS器件的性能已经无法满足半导体器件性能不断提升的要求。人们正在加紧寻找新型方法和材料，以保持微电子器件快速增长的步伐。现已公知，在CMOS器件中引入应变的Si或Ge可以显著提高器件的性能，因为处于应变状态下的Si和Ge的载流子迁移率可显著提高。应变Si和应变Ge被认为是最有前途的沟道材料。由于Ge和Si之间存在较大的品格失配(4.2％)，不能直接将Ge外延生长在Si晶圆上或者直接将Si外延生长在Ge晶圆上引入应变用作沟道材料，他们之间的品格失配使得外延层非常薄时就会发生弛豫，产生缺陷和位错，严重降低载流子的迁移率。因此，就需要开发新的技术，在Si衬底上得到高质量、适于沟道材料用的缓冲层。虚拟衬底的开发被认为是一种非常有前景的研究项目。虚拟衬底一般是通过各种方法在Si衬底上获得一层高质量的、与所需沟道材料性质差别较小的膜层，做为新材料的衬底，在其上制备高质量的沟道材料层。如果引入应变的Si作为沟道材料，就需要高质量低锗含量的SiGe虚拟衬底；如果引入应变的Ge作为沟道材料，就需要高质量高锗含量的SiGe虚拟衬底。传统的制备虚拟衬底的方法主要是通过外延组份渐变的SiGe层得到虚拟衬底，这在低锗含量的SiGe虚拟衬底上是可行的，但是如果制备高锗含量的虚拟衬底，就需要十分厚的SiGe组份渐变层。如通过SiGe组份渐变层制备的Si_1-xGe_x(0.7≤x≤0.9)虚拟衬底厚度多在5μm以上，有的甚至10μm，导致加工时间长，成本较高，而且较厚的SiGe组份渐变层使虚拟衬底表面具有严重的交叉影线(cross hatch)，使得表面粗 糙度较大，需要化学机械抛光(CMP)才能得到比较平坦的表面，增加了工艺的复杂性。因此，获得高质量的高锗含量的薄SiGe虚拟衬底仍是Si基半导体材料制备领域的一个具有实际应用的研究热点。 

发明内容

本发明的目的是提供一种弛豫高锗含量的SiGe虚拟衬底及其制备方法，以克服现有技术中所制备的高锗含量SiGe虚拟衬底的厚度大、表面粗糙、工艺复杂等缺点。本发明提供的一种以反向渐变SiGe组份中Ge含量的方式，制备了高质量的SiGe虚拟衬底，该虚拟衬底具有高Ge含量、完全弛豫、位错密度低、厚度薄、表面平整等特性。 

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下： 

一种弛豫SiGe虚拟衬底，所述SiGe虚拟衬底包括Si衬底、在Si衬底上由内而外依次外延生长的Ge晶籽层、Ge缓冲层、组份渐变的SiGe缓冲层和组分恒定的SiGe层，所述Ge晶籽层和所述Ge缓冲层组成Ge弛豫缓冲层。 

所述Si衬底上各外延生长层均为完全应变弛豫的缓冲层。 

所述弛豫高锗含量的SiGe虚拟衬底中的位错和缺陷主要集中在组份渐变的SiGe缓冲层中，组分恒定的SiGe层中具有较低的位错和缺陷密度(＜10⁶cm^-2)。 

所述弛豫SiGe虚拟衬底中锗的摩尔百分含量为Ge％≥70％，为高锗含量的SiGe虚拟衬底。 

所述弛豫SiGe虚拟衬底的平均粗糙度为1.3-1.9nm，低于现有技术工艺水平的要求(＜2.0nm)。通过刻蚀所述弛豫高锗含量的SiGe虚拟衬底后的位错密度在10⁶cm^-2的量级，满足半导体器件加工工艺对衬底的要求。 

所述SiGe虚拟衬底中Si衬底采用Si晶圆；所述Si晶圆片为标准尺寸的工业化晶片，该Si晶圆片的尺寸大小选自4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等尺寸规格。 

所述SiGe虚拟衬底中Ge晶籽层和Ge缓冲层组成完全驰豫的Ge驰豫缓冲层；所述 Ge晶籽层的厚度为50-100nm，所述Ge缓冲层的厚度为300-600nm，所述整个Ge驰豫缓冲层的厚度为350-700nm。 

所述组份渐变的SiGe缓冲层和组分恒定的SiGe层中组分为Si和Ge，其各自含量为摩尔百分含量。