[发明专利]一种外延生长低位错密度的硅基锗的方法

说明书

本发明公开了一种外延生长低位错密度的硅基锗的方法，利用减压化学气相沉积系统外延生长，生长气源为高纯乙锗烷和氢气，P型Si衬底经过标准RCA清洗后传入真空进样室，开始生长时，硅片再传入生长室，缓慢加热衬底并在氢气中保持一段时间，去除硅片上的氧原子污染物形成清洁的生长表面，去氧后降低衬底温度到合适的值即可开始生长。本发明的有益效果是生长的Si基Ge材料具有良好的结晶质量。

技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，涉及一种低位错密度的硅基锗材料的外延生长方法。

背景技术

锗(Ge)和硅(Si)同属于Ⅳ族半导体材料，Ge的电子和空穴迁移率分别是Si的2倍和4倍，Ge的禁带宽度比Si小，室温下约为0.67eV,在等比例降低电源电压、降低功耗方面具有更大的潜力；更重要的是，Ge器件工艺与标准Si工艺兼容，使Ge材料成为未来制备高性能MOS器件的重要备选材料之一。此外，Ge比Si具有更好的光电性质，如在1.3～1.5um通信波段具有高的吸收系数，可以用于制作红外光电探测器；由于Ge的直接带底与间接带底相差很小，仅约136meV，是准直接带隙材料，基于能带改性工程有望成为发光器件的增益介质；Ge与GaAs的晶格失配度仅0.07％，因此Ge也可以作为Si衬底上外延生长Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的过渡层。所以硅基Ge材料是近年最重要的硅基异质外延材料之一。然而，在Si衬底上外延生长Ge材料的最大挑战是Si和Ge之间较大的晶格失配度，容易引起高表面粗糙度和高位错密度。粗糙的表面将增加器件制作的工艺难度；高位错密度将增加器件漏电流，降低器件的性能。因此，降低表面粗糙度和减少位错密度成为外延生长高质量Si基Ge材料的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种外延生长低位错密度的硅基锗的方法，本发明的有益效果是采用低温生长高温退火的两步法，在Si(100)衬底上外延出厚度约为1.5μm的纯Ge层。采用X射线双晶衍射、扫描电子显微镜、原子力显微镜表征了其结构。测试结果显示最优化条件下，外延Ge的X射线双晶衍射曲线半高宽为283arc sec，表面均方根粗糙度为0.57nm(扫描范围5μm×5μm)，化学腐蚀位错坑法得到位错密度约为8.25×10⁶cm^-2(20μm×20μm)。表明生长的Si基Ge材料具有良好的结晶质量，能在Si基光电子器件中得到应用。发明所用的外延生长方法具有生产成本低、可控性好、可连续生产、易于产业化生产等优点。

本发明所采用的技术方案是利用减压化学气相沉积系统外延生长，生长气源为高纯乙锗烷和氢气，P型Si衬底经过标准半导体硅圆清洗工艺(标准RCA工艺)清洗后传入真空进样室，开始生长时，硅片再传入生长室，缓慢加热衬底并在氢气中保持一段时间，去除硅片上的氧原子等污染物形成清洁的生长表面，去氧后降低衬底温度到合适的值即可开始生长。

进一步，生长的过程为先生长锗层，再将温度升高进行氢气气氛中的高温退火。

进一步，采用150mmP型Si衬底，电阻率为4-10Ω·cm，经过标准RCA清洗后传入真空进样室，开始生长时，硅片再传入生长室，缓慢加热衬底到1000℃保持并在氢气中保持2分钟，去除硅片上的氧原子等污染物形成清洁的生长表面，在此过程中真空保持在10⁴Pa。

进一步，生长的过程为先在400℃下生长锗层，再以6.5℃/分钟的升温速率，将温度升高到650℃或850℃进行氢气气氛中的高温退火。

附图说明

图1是样品的SEM图；

图2为样品的位错密度1.38 x 10⁷cm^-2；

图3为样品的位错密度1.25 x 10⁷cm^-2；

图4为样品的位错密度8.25 x 10⁶cm^-2；