[发明专利]周期应力调制低温缓冲层硅基锗薄膜制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体低维结构薄膜材料的制备方法，特别是使用磁控溅射技术，基于低温生长缓冲层后高温生长薄膜的低温缓冲层工艺，在应力场调制的低温缓冲层上制备结晶性较好、表面粗糙度的较小薄膜的制备方法。

背景技术

由于Si/Ge晶体之间4.2%的晶格适配，在Si衬底上外延制备Ge薄膜亟待解决的问题就是通过制备技术来抑制或减少有此产生的位错。有效提高Ge外延薄膜的质量，是提高材料迁移率获得更大辐射符合系数，满足光电技术发展的要求的保证。因此在20世纪80年代开始，人们就运用各种技术提高在Si基上外延Ge薄膜的质量。

提高外延Ge薄膜的主要方法包括：组分渐变的Ge缓冲层技术、选区外延技术、SiGe缓冲层技术和低温缓冲层技术等。渐变Ge组分缓冲层技术是通过外延缓冲层中Ge组分的线性增加，来达到抑制位错的穿越的目的（中国发明专利CN 101013668A）。这种技术的缺点是Si_xGe_1-x缓冲层厚度需在1mm左右，缓冲层厚度过厚会影响器件的集成化。选区外延技术是利用微电子技术，获得图形化衬底后，再选择性外延生长纯Ge薄膜。是通过图形化的台阶来阻止位错的传播的方式，达到减少缺陷的目的（Yiying Wu and Peidong Yang，Direct observation of vapor-liquid-solid nanowire growth，J. Am. Chem. Soc. 2001，123，3165-3166）。SiGe弛豫缓冲层技术是低温下生长Si缓冲层作为应力释放激活元，然后再在上面生长SiGe合金层。意图通过退火，将位错限制于低温Si缓冲层中。该方法的缺点是在SiGe合金层生长的过程中，生长温度的提高会限制低温Si弛豫层的效果，无法将缺陷限制在低温Si层中。（K. K. Linder，F. C. Zhang，J.-S. Rieh and P. Bhattacharya，D. Houghton，Reduction of dislocation density in mismatched SiGe/Si using a low-temperature Si buffer layer， American Institute of Physics. 1997，70，3224）。

相比较而言，低温缓冲层技术是应用最广泛的技术，而且在相同薄膜厚度（1mm）条件下，低温缓冲层技术也能获得较小的表面粗糙度（< 2nm），符合后续器件加工对表面粗糙度的要求。低温缓冲层技术也被称为两步法，即第一步低温下（200-400℃）生长一定厚度（30-90nm）的Ge缓冲层；第二步高温下（500-850℃）生长Ge薄膜。这个技术中关键在于利用低温下Ge原子受限于小的热动能，迁移率较低，得到较多缺陷的Ge缓冲层。而缓冲层的作用是完成Si/Ge之间的应力弛豫，并保障高温Ge薄膜生长中位错的湮灭（H.-C. Luan, D.R. Lim, K. K. Lee, et al. High-quality Ge epilayers on Si with low threading-dislocation densities [J].Appl. Phys. Lett.，1999，,75(19):2909-2911；Colace L，Masini G，Galluzi F，etal. Ge/Si(001)photodetector for Near infrared light[J].Solid State Phenomena，1997，54：55-58.）。因此，低温缓冲层技术中，缓冲层对Si/Ge材料晶格适配调制效果的好坏对高温Ge薄膜的生长质量起到决定性的影响。另外，真空条件下制备的样品，如果薄膜内缺陷和位错较多的话，会导致室温下氧化的现象。而薄膜样品的氧化会导致所制备材料的光电性能不稳定。因此，提高所制备Ge薄膜材料的稳定性和光电性能是当前研究的重点。

发明内容                                                                                                              

本发明的目的在于针对已有的低温缓冲层技术在硅基上外延低温Ge缓冲层技术中存在的缓冲层中缺陷多，所制备Ge外延薄膜位错明显，无法获得高质量的Ge外延薄膜的问题。提供一种成本低、厚度薄能有效提高高温Ge薄膜的质量的方法。