SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料及其制备方法。该制备方法包括：选取Si衬底；生长第一Ge层；生长第二Ge层；在第二Ge层表面涂抹光刻胶，采用光刻工艺曝光光刻胶，保留第二Ge层表面中心位置处的光刻胶；刻蚀一定厚度的第二Ge层形成Ge台阶；在第二Ge层表面生长SiGe层；对Ge台阶进行离子注入形成N型Ge台阶形成SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料。基于低温‑高温两步生长法制备Ge材料，并利用选择性外延SiGe引入张应力，制备的准直接带隙Ge晶体质量高，且载流子复合效率高，能够应用于光子器件，在制备工艺上优势明显。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料及其制备方法。

背景技术

Si基微电子技术的发展是20世纪最引人注目的高新技术成就之一。根据Moore定律：集成电路可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，同时性能也将提升一倍。然而随着集成电路特征线宽的进一步减小，微电子技术的发展遇到了诸多限制和挑战。与此同时，随着信息技术向数字化、网络化的迅速发展，超大容量信息传输、超快实时信息处理和超高密度信息存储已成为信息技术追求的目标，而单纯采用微电子器件已无法完全满足这些要求。Si基光电子学有望打破微电子学所面临的诸多局限并扩展其性能，在光互连、光计算和光通信领域展现出巨大的商业应用前景，引起了世界范围内学术界和产业界的特别关注。

Si基光电子学的研究内容主要包括光发射、光传输、光调制、光探测、光耦合与封装等，其最终目标是实现Si基光子器件集成。近几十年来，Si基光电子学的研究得到了广泛开展，一些关键器件如光波导、光调制器、光探测器等已经取得重大突破。然而，Si基发光器件的发展却相对缓慢，其最主要的原因是Si属于间接带隙材料，发光效率比直接带隙化合物半导体小5～6个数量级，实现高效发光器件面临着巨大的挑战。同为IV族元素的Ge，Ge虽然与Si同属于间接带材料，但其室温下直接带带隙为0.8eV，仅比间接带隙大0.136eV，相比于Si更加容易实现带隙的转变，而且Ge材料在制备光器件方面比Si更具优势。因此，有关Ge光器件的研究已经成为了当前国内外研究的热点和重点。

要实现更高效发光率，需要实现Ge直接带隙发光，但直接带隙Ge的制作比较困难，例如典型的GeSn合金化方法，硅基GeSn合金的材料生长存在着许多困难，例如:Sn非常不稳定、Sn非常容易发生分凝、GeSn与Si之间的晶格失配较大。目前，更为常见的方法为实现Ge的准直接带隙发光。准直接带隙Ge材料能够极大地提高辐射复合几率，将发光波长调制在光通信和光互连波段(1.55μm)，具有准直接带特性的Ge材料有望成为增益介质，实现光激射。国内外准直接带隙Ge改性实现方法主要是施加低强度张应力配合掺杂的方法。即在Si衬底上高温外延Ge薄膜，利用Si与Ge之间的热失配引入张应力，并对Ge外延层进行N型重掺杂。但是，Si与Ge较大的晶格失配导致Ge材料内位错较高，晶体质量不好。若单纯采用这种方法，使用这种工艺对样品进行退火时工艺要求高，实现难度较大。

发明内容

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料及其制备方法。

具体地，本发明一个实施例提出的一种SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料的制备方法，包括：

S101、选取掺杂浓度为1×10¹⁶～5×10¹⁶cm^-3的N型Si衬底；

S102、在275℃～325℃下在所述单晶Si衬底上外延生长厚度为50nm第一Ge层；

S103、在500℃～600℃下，在所述第一Ge层上生长厚度为900～950nm的第二Ge层；

S104、在750℃～850℃下，在H₂气氛中退火10～15分钟；

S105、使用稀氢氟酸和去离子水循环清洗所述第二Ge层；

S106、在所述第二Ge层表面涂抹光刻胶，采用光刻工艺曝光光刻胶，保留所述第二Ge层表面中心位置处边长为20nm的光刻胶；

S107、在CF₄和SF₆气体环境中，采用感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀一定厚度的所述第二Ge层，去除光刻胶形成Ge台阶；

S108、在所述第二Ge层表面淀积Si₃N₄材料；

S109、采用刻蚀工艺刻蚀Si₃N₄材料保留所述Ge台阶上表面的Si₃N₄材料；

S110、在500～600℃下，以硅烷、锗烷为气源，在所述第二Ge层表面上淀积厚度为20nm的SiGe层，其中，Ge组分取值范围为0.65～0.85，Si组分取值范围为0.15～0.35；

S111、去除所述Ge台阶上表面的Si₃N₄材料；

S112、在整个衬底表面涂抹光刻胶，利用光刻工艺曝光光刻胶，保留所述SiGe层表面的光刻胶；

S113、采用离子注入工艺在所述Ge台阶表面注入AsH₃离子，形成掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3的N型Ge台阶；

S114、去除光刻胶，最终形成所述SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料。

本发明另一个实施例提出的一种SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料，包括：Si衬底层、第一Ge层、第二Ge层及SiGe层；其中，所述SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料由上述实施例所述的方法制备形成。

本发明另一个实施例提出的一种所述SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料的制备方法，包括：

选取Si衬底；

在第一温度下，所述Ge衬底表面生长第一Ge层；

在第二温度下，在所述第一Ge层表面生长第二Ge层；

在所述第二Ge层表面涂抹光刻胶，采用光刻工艺曝光光刻胶，保留所述第二Ge层表面中心位置处的光刻胶；

刻蚀一定厚度的所述第二Ge层形成Ge台阶；

在所述第二Ge层表面生长SiGe层；

对所述Ge台阶进行离子注入形成N型Ge台阶，以最终形成所述SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料。

在发明的一个实施例中，所述第一温度小于所述第二温度。

在发明的一个实施例中，所述第一温度的范围为275℃～325℃；所述第二温度的范围为500℃～600℃。

在发明的一个实施例中，在所述第二Ge层表面涂抹光刻胶，采用光刻工艺曝光光刻胶，保留所述第二Ge层表面中心位置处的光刻胶，包括：

在所述第二Ge层表面涂抹光刻胶；

利用掩膜版，采用光刻工艺曝光光刻胶，保留在所述第二Ge层表面中心位置处呈矩形区域的光刻胶。

在本发明的一个实施例中，刻蚀一定厚度的所述第二Ge层形成Ge台阶，包括：

利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述所述第二Ge层，刻蚀厚度小于所述第二Ge层的厚度；

去除所述第二Ge层表面中心位置处的光刻胶，在所述第二Ge层中心位置处形成所述Ge台阶。

在本发明的一个实施例中，在所述第二Ge层表面生长SiGe层，包括：

在500～600℃下，以硅烷、锗烷为气源，SiH₄体积流量为2～3mL/min,GeH₄体积流量为4～6mL/min，生长时间为1h，在所述第二Ge层表面上淀g取值范围为0.15～0.3。

在本发明的一个实施例中，对所述Ge台阶进行离子注入形成N型Ge台阶，包括：

采用离子注入工艺在所述Ge台阶表面注入AsH₃离子，形成掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3的N型Ge台阶。

本发明另一个实施例提出的一种一种SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料，Si衬底层、第一Ge层、第二Ge层及SiGe层；其中，所述SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料由上述实施例所述的方法制备形成。

上述实施例，利用Ge周围选择性外延SiGe引入低强度的张应力并配合N型重掺杂的方式将获得较高质量的准直接带隙Ge材料，同时使用低温-高温两步生长法来制备Ge外延层，而低温-高温两步生长法以Si材料为衬底，避免了直接使用昂贵的Ge材料作为衬底，节省了生产成本，其中，该方法先低温外延一薄层Ge，抑制由于大的晶格失配引起的岛状生长，再高温生长主体Ge外延层，与传统渐变缓冲层生长方法相比，该方法减小了渐变层厚度，并且使得Ge外延层表面粗糙度显著降低。具体优点如下：

1、本发明基于低温-高温两步生长法制备Ge材料，并利用选择性外延SiGe引入张应力，制备的准直接带隙Ge晶体质量高；

2、本发明工艺步骤简单，实现难度低；

3、本发明以Si为衬底采用低温-高温两步生长法来制备Ge材料，避免了直接使用昂贵的Ge作为衬底，生产成本低。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料的工艺流程图；

图2为本发明实施例提供的一种选择性外延锗硅的截面示意图；

图3a-图3k为本发明实施例提供的一种SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料的工艺示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料的工艺流程图。该方法包括如下步骤：

步骤a、选取Si衬底；

步骤b、在第一温度下，所述Ge衬底表面生长第一Ge层；

步骤c、在第二温度下，在所述第一Ge层表面生长第二Ge层；

步骤d、在所述第二Ge层表面涂抹光刻胶，采用光刻工艺曝光光刻胶，保留所述第二Ge层表面中心位置处的光刻胶；

步骤e、刻蚀一定厚度的所述第二Ge层形成Ge台阶；

步骤f、在所述第二Ge层表面生长SiGe层；

步骤g、对所述Ge台阶进行离子注入形成N型Ge台阶，以最终形成所述SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料。

其中，步骤b和步骤c中，所述第一温度小于所述第二温度。进一步地，所述第一温度的范围为275℃～325℃；所述第二温度的范围为500℃～600℃。

可选地，步骤d具体可以包括：

步骤d1、在所述第二Ge层表面涂抹光刻胶；

步骤d2、利用掩膜版，采用光刻工艺曝光光刻胶，保留在所述第二Ge层表面中心位置处呈矩形区域的光刻胶。

可选地，步骤e具体包括：

步骤e1、利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述所述第二Ge层，刻蚀厚度小于所述第二Ge层的厚度；

步骤e2、去除所述第二Ge层表面中心位置处的光刻胶，在所述第二Ge层中心位置处形成所述Ge台阶。

可选地，步骤f包括：

在500～600℃下，以硅烷、锗烷为气源，SiH₄体积流量为2～3mL/min,GeH₄体积流量为4～6mL/min，生长时间为1h，在所述第二Ge层表面上淀积厚度为20nm的SiGe层，其中，Ge组分取值范围为0.65～0.85，Si组分取值范围为0.15～0.3。

可选地，步骤g，包括：

采用离子注入工艺在所述Ge台阶表面注入AsH₃离子，形成掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3的N型Ge台阶。

本发明的工作原理及有益效果具体为：

请参见图2，由于Ge的晶格常数比SiGe材料要大，所以SiGe材料将被迫适应Ge材料的晶格常数，因此SiGe横向晶格将受到张应力。由于半导体材料总长度保持不变，随着SiGe横向晶格的缩小，导致中心区域的Ge材料将受到低强度的张应力；而在N型重掺杂下，锗的费米能级逐渐上升，使大量的载流子填充到直接带隙的Γ能谷中，从而实现填充能带以补偿部分能带阶差的作用。

除此之外，本发明使用低温-高温两步生长法来制备Ge外延层。而低温-高温两步生长法以Si材料为衬底，避免了直接使用昂贵的Ge材料作为衬底，节省了生产成本。该方法先低温外延一薄层Ge，抑制由于大的晶格失配引起的岛状生长。再高温生长主体Ge外延层。与传统渐变缓冲层生长方法相比，该方法减小了渐变层厚度，并且使得Ge外延层表面粗糙度显著降低。

另外，本发明制得的准直接带隙Ge半导体载流子复合效率高，能够应用于光子器件，在制备工艺上也有明显的优势。

实施例二

请参见图3a-图3k，图3a-图3k为本发明实施例提供的一种SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料的工艺示意图，在上述实施例的基础上，本实施例将较为详细地对本发明的工艺流程进行介绍。该方法包括：

S101、衬底选取。如图3a所示，选取单晶硅(001)为衬底201，初始掺杂类型为n型，浓度为10¹⁵cm^-3。

S102、两步法生长锗外延层：

S1021、利用化学气相沉淀(CVD)的方法，在衬底上，以低、高温两部法生长n型Ge(001)薄膜，掺杂浓度为1～5×10¹⁶cm^-3；

S1022、如图3b所示,在275～325℃下生长一层50nm厚的“低温”Ge((LT-Ge)薄膜202。大部分弹性应力的弛豫发生在小于10纳米的低温Ge层，但为避免晶体质量损失需要厚度较大(大于27纳米)的低温Ge层。因此本发明将LT-Ge层设定为50nm。低的生长温度同时抑制了三维Ge岛的形成和位错形成的弛豫应力；

S1023、如图3c所示，在500～600℃的生长温度下，淀积900～950nm的Ge(HT-Ge)层203；

S1024、为提高晶格质量，在H₂气氛中750～850℃退火(在一个固定的温度或循环)不超过10–15分钟。

S1025、使用稀氢氟酸(HF(DHF)：水＝1:5)和去离子(DI)的水循环清洗Ge。

S103、涂胶并选择区域曝光。如图3d所示，在中心保留边长为20nm的光刻胶区域204，四周的光刻胶被刻蚀掉；

S104、刻蚀Ge材料。如图3e所示，在CF₄和SF₆气体环境中，采用感应耦合等离子体(ICP)方法刻蚀。中心区域由于光刻胶的抗刻蚀性，中心的Ge材料得以保留；

S105、淀积Si₃N₄。如图3f所示，在Ge材料上淀积一层Si₃N₄205；

S106、如图3g所示，在中间区域的Ge材料上，以Si₃N₄205为掩膜，预留窗口。保留中间区域的Ge材料上的Si₃N₄205，其余区域的Si₃N₄被刻蚀；

S107、选择性外延生长。如图3h所示，在500～600℃下，以硅烷、锗烷为气源，在暴露出的Ge衬底上淀积一层20nm厚的SiGe层206，其中Ge组分取值范围为0.65～0.85，Si组分取值范围为0.15～0.35。其中，SiH₄体积流量为2～3mL/min,GeH₄体积流量为4～6mL/min，生长时间为1h；

S108、如图3i所示，去除Si₃N₄；

S109、涂胶并选择曝光区域，如图3j所示，刻蚀掉HT-Ge层上的光刻胶，留下SiGe层上的光刻胶区域207；

S110、进行离子注入，对Ge材料区域以AsH₃作为杂质材料进行n型重掺杂。掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3；

S111、如图3k所示，去掉光刻胶。

实施例三

本发明实施例提供的一种SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料，包括：Si衬底层、第一Ge层、第二Ge层及SiGe层；其中，所述SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料由上述实施例所述的方法制备形成。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明SiGe选择外延致Ge准直接带隙半导体材料的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。