含惰性气体原子的晶格损伤层的重结晶方法

摘要

本发明公开了一种含惰性气体原子的晶格损伤层的重结晶方法，包括：制备一种表面具有晶格损伤的晶体材料，其中，晶体材料的晶格损伤层含有惰性气体原子；利用脉冲激光对晶格损伤层进行辐照使晶格损伤层熔融；通过液相外延生长，获得晶格损伤层的重结晶。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，并特别涉及一种含惰性气体原子的晶格损伤层的重结晶方法。

背景技术

晶格损伤层的再结晶是半导体技术中的一个关键工艺步骤，杂质的存在会影响再结晶过程。在诸多杂质中，稀有气体能够以不同形式和不同含量存在非晶材料中。例如，通过注入氩原子对基体材料表面进行预非晶处理，以此形成含有一定浓度氩原子的表面预非晶层；利用智能切割技术(Smart cut

传统高温炉式退火和快速热退火作为成熟的半导体退火工艺已被广泛用于晶体损伤层的重结晶中，采用此类退火技术对包含惰性气体原子的损伤层进行再结晶也有报道。但相关结果表明，传统炉式退火和快速热退火作用下晶体材料损伤层的重生长基于固相外延结晶机制，受惰性气体原子的影响，损伤层的重生长质量较差，退火结晶后仍然含有数量众多的位错环和微孪晶。进一步研究表明，惰性气体原子浓度越高，固相外延结晶质量越差。当损伤层惰性气体原子浓度大于0.3％时，损伤层的固相外延结晶甚至会提前终止，从而形成不完全的表面结晶层，而已结晶部分也以多晶结构为主，进一步提高退火温度或延长退火时间并不能使其向单晶转换也不能使残余非晶部分重新结晶。因此，在常规热退火作用下含有惰性气体原子的损伤层难以通过固相外延生长获得高质量重结晶层，从而限制了相关技术的推广与应用。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种含惰性气体原子的晶格损伤层的重结晶方法，以解决因惰性原子注入、刻蚀及溅射等工艺形成的晶格损伤层而无法用传统热退火技术彻底修复的问题，进而实现含惰性气体原子的晶格损伤层的高质量重结晶。

为实现上述目的，本发明提供了一种含惰性气体原子的晶格损伤层的重结晶方法，包括：制备一种表面具有晶格损伤的晶体材料，其中，晶体材料的晶格损伤层含有惰性气体原子；利用脉冲激光对晶格损伤层进行辐照使晶格损伤层熔融；通过液相外延生长，获得晶格损伤层的重结晶。

根据本发明的实施例，其中，制备一种表面具有晶格损伤的晶体材料，包括：在晶体基底材料表面沉积保护层；向沉积有保护层的晶体基底材料表面注入惰性气体原子，形成晶体基底材料的表面预设深度的晶格损伤层；刻蚀保护层，得到表面具有晶格损伤的晶体基底材料。

根据本发明的实施例，其中，保护层的厚度为5～20nm；

根据本发明的实施例，其中，注入惰性气体原子的注入剂量为≥1×10

根据本发明的实施例，其中，脉冲激光的熔融深度大于晶格损伤层深度。

根据本发明的实施例，其中，液相外延生长以晶格损伤层下方的单晶基体为籽晶层。

根据本发明的实施例，其中，晶体材料包括：四族元素半导体材料或化合物半导体材料。

根据本发明的实施例，其中，惰性气体原子包括以下之一：氦、氖、氩、氪、氙。

根据本发明的实施例，其中，晶格损伤层类型包括：含缺陷的单晶结构或非晶结构。

根据本发明的实施例，其中，脉冲激光的能量密度高于晶体材料的熔融阈值，脉冲激光的能量密度低于晶体材料的表面烧蚀阈值。

基于上述方案可知，本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

(1)通过采用脉冲激光对含有惰性气体原子的晶体表面损伤层进行辐照，通过快速的液相外延生长替代传统热退火作用下的固相外延生长，以此避免惰性气体原子对结晶过程中基体原子重排的影响，最终实现表面损伤层的高质量重结晶。

(2)脉冲激光退火结晶速率高，相比固相外延结晶能够比较彻底的消除缺陷，脉冲激光退火周期短，不需要高真空或惰性气体保护，同时可在较低的基体温度下进行，基体变形小。

(3)脉冲激光退火能够进行三维定域退火，便于准确定位处理，在三维集成技术中需要严格控制退火热预算及退火深度时具有优越性，同时还可广泛用于惰性原子注入、刻蚀及溅射等工艺形成的基体材料表面非晶层的修复。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例的含惰性气体原子的晶格损伤层的重结晶方法的流程图；

图2示意性示出了根据本发明实施例的含惰性气体原子的晶格损伤层的重结晶方法的结构示意图；

图3示意性示出了根据本发明实施例的所采用的晶体材料及在惰性原子注入与脉冲激光退火后的拉曼光谱测试结果；

图4示意性示出了根据本发明实施例的惰性原子注入在基底锗材料表面形成的非晶锗层高分辨率透射电镜表征结果；

图5示意性示出了根据本发明实施例中经脉冲激光辐照后的晶格损伤层的高分辨率透射电镜表征结果。

【附图标记说明】：

200晶体材料；

201晶格损伤层；

202脉冲激光。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

离子注入、干法刻蚀、表面溅射等工艺处理通常会在半导体材料表面形成一层晶格损伤层，为了修复损伤层、恢复晶格结构往往需要对其进行热退火处理。传统的热退火技术基于固相外延结晶机制，需要把整个样品置于真空炉中，在一定温度下保温退火数秒至数十分钟，这种方法被证实是不能够完全消除样品缺陷结构，此外还存在基体材料分解、掺杂物质析出或污染表面等诸多不足。

在固相外延结晶过程中，损伤层内部的惰性气体原子在热作用下会不断聚集形成气泡结构，这些气泡在晶格损伤层中的迁移率低，气泡的生长主要通过俘获周围具有较高扩散系数的离散的惰性气体原子。同时，由于热退火过程中基体与表面损伤层同步受热，冷却时结晶界面的温度梯度小，因而晶速率低(～10

基于此，本发明提出采用脉冲激光退火诱导的液相外延结晶方法对含有惰性气体原子的损伤层进行结晶。由于高能激光辐照下损伤层发生相变，冷却结晶过程中基质原子可通过大范围迁移在固液界面中找到能量较低的晶格成键位，满足高质量重结晶的需要。同时，由于固液界面具有较高的温度梯度(受益于纳秒级的脉宽)，其结晶速率远高于固相外延结晶(～3m/s)。因此，即使惰性原子在液相层中形成气泡结构，由于固液相中显著的溶解度差异，气泡也会被快速移动的固液界面推向表面，无法累积缺陷。因此，在液相外延结晶过程中惰性气体原子对基质原子重排的影响可以忽略。此外，脉冲激光退火周期短，纳秒时间尺度即可结束，因而相比固相外延结晶能够比较彻底的消除缺陷，实现含有惰性原子的损伤层的高质量结晶。

图1示意性示出了根据本发明实施例的含惰性气体原子的晶格损伤层的重结晶方法的流程图。图2示意性示出了根据本发明实施例的含惰性气体原子的晶格损伤层的重结晶方法的结构示意图。

如图1所示，该方法包括步骤S101～S103。

步骤S101，制备一种表面具有晶格损伤的晶体材料200，晶体材料200的晶格损伤层201含有惰性气体原子。如图2(a)所示。

步骤S102，利用脉冲激光202对晶格损伤层201进行辐照使晶格损伤层201熔融。如图2(b)所示。

根据本发明的实施例，脉冲激光200可以为纳秒脉冲激光，可以包括但不限于：XeCl准分子脉冲激光。

根据本发明的实施例，XeCl准分子脉冲激光器的激光波长为308nm，脉冲周期可以为28ns，脉冲激光能量密度可以为650mJ/cm

步骤S103，通过液相外延生长，获得晶格损伤层201的重结晶。如图2(c)所示。

根据本发明的实施例，脉冲激光退火技术对晶格损伤层的重结晶基于液相外延结晶机制，完全不同于传统热退火作用下的固相外延结晶。当脉宽大于1ps的脉冲激光辐照晶体表面时主要发生热作用，激光能量密度高于晶体材料的熔化阈值则晶体材料表面会熔融，融化前沿自上而下以高速(10m/s)穿透到一定深度，该深度取决于激光能量密度及材料种类。当辐照结束之后，表面液相层释放热量冷却发生凝固结晶，熔化前沿自下而上返回表面，整个过程被称为液相外延再生。

根据本发明的实施例，脉冲激光对晶格损伤层进行辐照之后，熔融液相层通过向晶体材料200释放热量而发生自下而上的液相外延生长，结晶过程以晶格损伤层201下的晶体材料200的单晶基体为籽晶层，当结晶前沿抵达晶体材料200表面时，液相外延生长结束。

根据本发明的实施例，通过采用脉冲激光对含有惰性气体原子的晶体表面损伤层进行辐照，通过快速的液相外延生长替代传统热退火作用下的固相外延生长，以此避免惰性气体原子对结晶过程中基体原子重排的影响，最终实现晶格损伤层的高质量重结晶。

根据本发明的实施例，制备一种表面具有晶格损伤的晶体材料，可以包括：在晶体基底材料表面沉积保护层；向沉积有保护层的晶体基底材料表面注入惰性气体原子，形成晶体基底材料的表面预设深度的晶格损伤层；刻蚀保护层，得到表面具有晶格损伤的晶体基底材料。

根据本发明的实施例，在晶体基底材料表面沉积保护层之前，还可以采用超声工艺清洗晶体基底材料表面的杂质及自然氧化物，清洗顺序和时间可以依次为丙酮5min-乙醇5min-去离子水5min，超声结束后可以用氮气枪吹干。

根据本发明的实施例，在晶体基底材料表面沉积保护层的方法包括但不限于：等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)。

根据本发明的实施例，PECVD的工艺参数可以包括：功率可以为60W，工作气压可以为600mTor，沉积时间可以为2min，工作气体SiH

根据本发明的实施例，保护层的材料可以包括但不限于：二氧化硅和氮化硅，保护层的厚度可以为5～20nm，优选为10nm。

根据本发明的实施例，采用沉积方法制备的保护层均具有均匀、致密及连续的特点，表面保护层可有效避免后续离子注入引起的表面溅射效应，降低离子注入对晶体基底材料的表面粗化效应。

根据本发明的实施例，向沉积有保护层的晶体基底材料表面注入惰性气体原子的方法包括但不限于：等离子体浸没式离子注入技术(PIII)、束流式离子注入。

根据本发明的实施例，PIII的工艺参数可以包括：放电功率为500W，工作室内的惰性气体压力为10

根据本发明的实施例，注入惰性气体原子的注入剂量可以为≥1×10

根据本发明实施例，通过在对晶体锗的表面进行非晶化处理时采用惰性气体原子，该惰性气体原子与晶体锗材料的晶格碰撞可使晶体锗表面形成预定深度晶格损伤层，以避免在非晶化过程中的杂质影响及引入额外的电子缺陷态。

根据本发明的实施例，根据本发明的实施例，刻蚀晶体基底材料表面的保护层，将具有晶格损伤层的晶体基底材料置于HF溶液中30s，HF的浓度可以为1％～5％，优选为3％。以刻蚀掉保护层，显露出损伤层，再用酒精和去离子水分别超声清洗3分钟，去除残留的HF溶液，最后用氮气枪吹干，得到表面具有晶格损伤的晶体材料。

根据本发明的实施例，脉冲激光的熔融深度大于晶格损伤层深度。利用脉冲激光对晶格损伤层进行辐照处理，通过辐照使晶体材料表层融化，融化深度大于晶格损伤层深度而能进入晶体基底材料区即可。

根据本发明的实施例，熔化深度应略大于损伤层深度而进入晶体基底材料区，这样晶体基底材料中良好的基体可作为液相外延结晶的籽晶，进而实现高质量液相外延生长。

根据本发明的实施例，液相外延生长以晶格损伤层下方的单晶基体为籽晶层，自下而上进行液相外延生长，当结晶前沿抵达晶体材料表面时液相外延生长结束。

根据本发明的实施例，晶体材料包括：四族元素半导体材料或化合物半导体材料。晶体材料的结构包括但不限于：块体结构和薄膜结构。本发明的实施例中以晶体锗基底为例，大小为2英寸，电阻为0.01-0.1Ω·cm，晶相为<110>。

根据本发明的实施例，惰性气体原子包括以下之一：氦、氖、氩、氪、氙。本发明的实施例以注入氩原子为例。

根据本发明的实施例，晶格损伤层的类型包括但不限于：含缺陷的单晶结构或非晶结构。

根据本发明的实施例，脉冲激光的能量密度高于晶体材料的熔融阈值，脉冲激光的能量密度低于晶体材料的表面烧蚀阈值。对于不同结构和深度的晶格损伤层，获得高质量结晶时所需的纳秒脉冲激光退火参数也将不同。

根据本发明的实施例，晶体材料非晶化程度越彻底，材料吸收系数越强，所需激光能量密度越低。表面损伤层越深，对激光的热穿透要求越高，所需激光能量密度就越高。

根据本发明的实施例，如果脉冲激光能量密度过低，熔化前沿不能深入到晶格损伤层下方的晶体基底材料区，那么液相层在冷却过程中由于缺少固定晶向的籽晶而随机成核，最终形成晶粒尺寸不等的多晶结构。如果脉冲激光能量过高，则会增大基体表面被烧蚀风险，因此在确保彻底结晶基础上应谨慎选择退火能量密度，一般只要融化深度大于晶格损伤层深度而能进入晶体基底材料即可。根据本发明的实施例，为了快速判断脉冲激光辐照后晶格损伤层是否获得高质量重结晶，可在激光辐照后对注入面进行拉曼(Raman)光谱测试。对于晶体锗材料，其Raman峰位(TO声子模)约为301cm

根据本发明的实施例，为了避免晶体材料衬底Raman峰的干扰，测试时应选择合适的Raman激发光波长，使激发光穿透深度控制在重结晶层以内，以防衬底单晶Raman信号对重生长层Raman信号的影响，从而降低Raman结果的可信度。

图3示意性示出了根据本发明实施例的所采用的晶体材料及在惰性原子注入与脉冲激光退火后的拉曼光谱测试结果。

根据本发明的实施例，Raman测试所采用的激发光波长可以为325nm，其在非晶锗中的有效穿透深度不超过10nm。

如图3所示，离子注入前的高纯晶体锗材料的Raman峰位为301.4cm

根据本发明的实施例，为进一步确认离子注入及脉冲激光退火后的晶体质量信息，采用高分辨率透射电子显微镜对晶体的剖面形貌结构进行了表征，结果如图4及图5所示。

图4示意性示出了根据本发明实施例的惰性原子注入在基底锗材料表面形成的非晶锗层高分辨率透射电镜表征结果。

根据本发明的实施例，在本实施例所采用的离子注入条件下，晶体锗材料表面约10nm厚的锗层已彻底非晶化，即表面非晶锗层，表明晶体锗材料表面形成有晶格损伤层；非晶锗层下方的单晶衬底层晶格排布良好，两者之间具有清晰、显著的非晶/单晶界面层。

图5示意性示出了根据本发明实施例中经脉冲激光辐照后的晶格损伤层的高分辨率透射电镜表征结果。

根据本发明的实施例，采用本实施例中优化的脉冲激光参数对该非晶锗层进行辐照处理，晶体基底材料表面的单晶/多晶界面消失，且表面10nm范围内的非晶锗层的晶格排布得到有效恢复，原子尺度上也看不到残留晶格缺陷，这表明晶格损伤层结构得到了恢复，意味着惰性原子注入形成的锗损伤层实现了高质量外延结晶。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。再者，单词"包含"不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。