[发明专利]硅基纳米阵列图形化衬底及硅基外延层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种图形化衬底的制备方法，特别是涉及一种硅基纳米阵列图形化衬底及硅基外延层的制备方法。

背景技术

随着半导体器件尺寸的缩小，传统的体硅材料正接近其物理极限，Ge以及III-V族材料由于其高迁移率而受到广泛关注.但是Ge以及III-V族的体材料价格昂贵，尺寸较小，且不能与硅基工艺兼容。在硅基上外延时，由于锗以及III-V族材料与硅材料的晶格常数或热膨胀系数的不匹配，外延制备的锗以及III-V族材料缺陷密度较高，外延厚度厚，导致高成本的情况下得到了低的器件性能。

为了抑制位错的产生及滑移，得到低位错密度、高晶体质量的外延层，人们提出和发展一系列的图形化衬底技术。这种技术的主要思想是通过各种手段在衬底表面预制图形，有意识地改变外延层表面演化的动力学路径。从图形上来分，目前这种图形化衬底技术主要包括两类：一是几何图形化，也就也就是使衬底表面具有几何周期性结构来影响和控制量子点的生长。衬底表面的这种几何图形一般可以是晶体生长过程中形成的周期性台阶结构，也可以通过传统的光刻或选择性沉积生长得到。试验表明把衬底表面预制成合适的几何图形，可在一定程度上改善量子点的均匀性和密度。例如G.Jin等在文献（Controlled arrangement of self-organized Ge islands on patterned Si(001)substrates,Appl.Phys.Lett.1999,75:2752）中通过选择性沉积Si得到具有周期性分布的平台结构，然后在这种图形化的Si衬底上沉积Ge原子。在长条状的平台上发现Ge量子点会形成尺寸均匀，排列有序的一维结构，在方形平台上，Ge量子点会优先在平台的四个角点形核长大，并形成有序结构。二是应变图形化，也就是在衬底表面预制周期性的应变分布来影响和控制量子点的生长。

然后，上述传统的图形化衬底的制备由于需要光刻以及刻蚀工艺，在增加了工艺复杂性的同时，也大大增加了生产成本。

鉴于此，如何提出一种图形化衬底的制备方法，并在利用该方法制备的图形化衬底上制备出高质量的外延层，以克服传统制备方法中工艺复杂以及成本高的问题，成为亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅基纳米阵列图形化衬底及硅基外延层的制备方法，用于解决现有技术中工艺复杂以及成本高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅基纳米阵列图形化衬底的制备方法，所述制备方法至少包括：

1）提供一硅衬底，在所述硅衬底上沉积一层金属薄膜；

2）将所述步骤1）中形成的结构放入HF溶液中进行化学催化腐蚀以形成硅纳米点阵；

3）将所述步骤2）中形成的结构放入腐蚀溶液中一定时间以去除附着在该纳米点阵上的金属颗粒；

4)利用热氧化工艺对所述硅纳米点阵以及硅纳米点阵所在的硅衬底表面进行氧化，以形成氧化硅纳米点阵、或者被氧化硅层包裹的硅纳米点阵；

5）将所述步骤4）中形成的结构放入HF腐蚀溶液中一定时间对热氧化生成的氧化硅进行腐蚀，以形成硅基纳米阵列图形化衬底。

可选地，所述步骤1）还包括：

1-1）提供一硅衬底，在所述硅衬底上沉积一层金属薄膜；

1-2）在真空、氮气气氛、或氩气气氛下，且在200℃～500℃温度下退火，以在所述硅衬底表面形成均匀分布的金属纳米颗粒阵列。

可选地，所述步骤1）中金属薄膜的材质为银、金或铂。

可选地，所述步骤1）中金属薄膜的材质为银时，所述步骤3）中采用的腐蚀溶液为浓硝酸；所述步骤1）金属薄膜的材质为金或铂时，所述步骤3）中采用的腐蚀溶液为王水。

可选地，在所述步骤2）和步骤5）中的腐蚀溶液中加入氟化铵以稳定腐蚀速度。

可选地，所述步骤2）中化学催化腐蚀的工艺条件为采用5mol/L的HF溶液，在20℃～80℃温度下腐蚀1min～50min,得到高度小于20μm的硅纳米阵列。

可选地，所述步骤4）的热氧化工艺条件为在1000℃的温度下，热氧化150min。所述步骤5）中的硅基纳米阵列图形化衬底包括：将所述硅衬底表面的氧化硅层完全去除，同时在所述硅衬底上形成氧化硅纳米点阵、或者被氧化硅层包裹的硅纳米点阵。

此外，本发明还提供一种硅基外延层的制备方法，至少包括：

1）利用本发明上述制备方法制作出硅基纳米阵列图形化衬底；