專利名稱：一種基于中間刻槽工序的無裂紋異質(zhì)外延生長技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子領(lǐng)域中的一種異質(zhì)外延生長工藝，特別涉及硅基 光電子集成技術(shù)中的異質(zhì)外延生長方法，即在硅襯底上實現(xiàn)無裂紋、高 質(zhì)量的異質(zhì)外延生長。
背景技術(shù)：
當(dāng)今世界正在演繹著一場光電子器件由分立轉(zhuǎn)向集成的重大轉(zhuǎn)折。 由于受到材料、結(jié)構(gòu)和工藝等方面的種種制約和束縛，要取得長足的進(jìn) 展，光電子集成(OEIC)必須解決一系列重要的基礎(chǔ)科學(xué)問題。在一種材料襯底上生長各種不同的材料體系(即材料兼容)，集各 種材料的優(yōu)異性能為一體，是實現(xiàn)光電子集成的理想途徑。例如硅 (Si)晶體是最常用、最便宜的微電子材料；但是由于Si是間接帶隙材料，無法用做光電子材料，特別是用于發(fā)光材料。而m-v族化合物半導(dǎo) 體材料，如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、氮化鎵(GaN)等，是最常用的光電子材料。如果能實現(xiàn)硅材料與m-v族材料的集成，將二者結(jié)合起來在一塊半導(dǎo)體芯片上，既做出微電子集成電路，又做出光電子 器件，可望推進(jìn)光電子集成技術(shù)的發(fā)展。然而目前材料兼容所面臨的最大問題是不同的晶體材料間通常存在 著晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的差異，即，存在晶格失配和熱失配，因此很 難實現(xiàn)兩者間高質(zhì)量的異質(zhì)外延生長。舉例來說，由于下述原因?qū)е?GaAs/Si間異質(zhì)外延生長的困難(1)晶格失配，GaAs/Si晶格常數(shù)失配 度達(dá)4.1% (晶格失配度定義為外延材料晶格常數(shù)和襯底晶格常數(shù)的 差除以襯底晶格常數(shù))，會導(dǎo)致外延層中高的缺陷密度(大于 108/cm2) ; (2)熱失配(熱膨脹系數(shù)失配度- (外延材料熱膨脹系數(shù)-襯循環(huán)熱退火、快速熱 退火、應(yīng)變超晶格、緩沖層等方法來減少。其中的熱退火是利用熱應(yīng)力 使得缺陷遷移、合并以及消除；也就是說，熱應(yīng)力對于降低缺陷密度、 提高外延層的晶體質(zhì)量有著積極的作用，并且缺陷密度會隨著GaAs外 延層厚度的增加(伴隨著熱應(yīng)力的增加)而降低。其次，由于外延生長過程中的溫度大約為600。C 700。C，當(dāng)生長過 程結(jié)束冷卻到室溫時，熱失配會引起約0.2%的熱應(yīng)變。所產(chǎn)生的熱應(yīng) 力隨著外延層厚度的增加而增大，當(dāng)生長厚度超過臨界厚度(臨界厚度 定義為外延層出現(xiàn)裂紋的最小生長厚度，經(jīng)多次實驗觀察所得。對于 在Si上生長GaAs材料，臨界厚度約4拜)時，過大的熱應(yīng)力會使得外 延層中出現(xiàn)裂紋(cmck)。由于裂紋只能釋放裂紋邊緣處(約兩倍膜 厚)的熱應(yīng)力，因此裂紋通常在整個外延層中呈密集的陣列分布。對于 5微米厚的外延層，熱失配裂紋密度約為100cm'1 ;隨著膜厚增加到 6.77pm，裂紋密度增加到600cm'1。在實際應(yīng)用中，對于某些光電子器件，通常需要生長很厚的外延層 (例如十幾微米厚)。因此，如何在Si襯底上生長厚的無裂紋、高質(zhì)量 的異質(zhì)外延層，是目前所面臨的問題。為了避免出現(xiàn)熱失配裂紋，國際上目前通常采用以下幾種方法來釋 放熱應(yīng)力，如選區(qū)外延(SAG)，生長前刻槽外延(pre-pattern)和 生長后刻槽(post-pattern)。1. 采用選區(qū)外延的方法，需要用SK)2等材料作為掩模。而在生長 AlGaAs材料或采用兩步法生長時，Si02上通常會沉積多晶材料 層，多晶材料層會與窗口區(qū)的外延層聯(lián)結(jié)在一起，無法達(dá)到釋放 應(yīng)力的目的；2. 采用生長后刻槽的方法，即在生長完成并降溫之后，對外延層進(jìn) 行刻槽用以釋放熱應(yīng)力，這種方案無法避免裂紋的產(chǎn)生；3.而生長前刻槽外延，是先對Si襯底上進(jìn)行刻槽(形成隔離開的 臺面)，然后接著外延生長GaAs層，這樣確實能釋放臺面邊緣 處的熱應(yīng)力。但是由于過早釋放熱應(yīng)力導(dǎo)致在臺面邊緣處產(chǎn)生許 多額外的穿透位錯(threading dislocations )、堆棧位錯 (stacking faults)和微雙晶(microtwins)等缺陷，臺面中部的 位錯密度也更高(主要為60°位錯)；采用熱退火來提高晶體質(zhì) 量的效果也會大打折扣；而且臺面邊緣處的額外(111)面的生 長，會導(dǎo)致外延層表面不平。采用這種方法，當(dāng)GaAs外延層厚 度為6.77pm時，對于較大面積的臺面(S461nmx266pm)，熱 失配裂紋仍然無法避免。因此，該方法存在較大的局限性。 綜上所述，以上方法在解決熱失配問題上，都不理想。有鑒于此， 探索新的工藝，緩解和釋放外延層的熱應(yīng)力，同時能降低缺陷密度、提 高外延層的晶體質(zhì)量，是本發(fā)明的動機(jī)所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的旨在解決上述問題，找出一種新的外延方案，實現(xiàn)熱失配 度較大的兩種材料間無裂紋、高質(zhì)量的外延生長。本發(fā)明提供一種異質(zhì)外延生長工藝，其中外延層材料生長階段包括 預(yù)生長階段和二次生長階段，且所述兩個生長階段之間為刻槽工序，其 中襯底材料與外延層材料之間熱膨脹系數(shù)失配度大于10%。在所述外延層預(yù)生長階段中，外延層生長厚度范圍在0.5微米至出現(xiàn) 熱失配裂紋的臨界厚度之間。所述外延層材料預(yù)生長階段設(shè)有熱退火工藝以顯著提高晶體質(zhì)量。所述預(yù)生長階段結(jié)束后，進(jìn)行刻槽工序，從而外延層材料表面形成 互相隔離的臺面。所述臺面形狀為菱形、圓形、橢圓形、矩形、正方 形、三角形、多邊形或其它任意形狀，所述臺面的面積不大于 10mmxi0mm，所述復(fù)數(shù)個臺面之間的隔離寬度不小于IO nm。頁所述外延層材料的二次生長階段是在刻槽工藝所形成的臺面上繼續(xù)生長無裂紋的外延層，且所述生長厚度大于4微米。 所述襯底材料為硅晶體。所述外延層材料選自砷化鎵(GaAs)、砷化鋁鎵(Ga(Al)As)、磷 化鎵(GaP)等m-V族半導(dǎo)體材料，或鍺硅(SiGe)等IV族豐導(dǎo)體材料。國際上目前采用生長前刻槽(pre-pattern)或生長后刻槽(post-pattern) 技術(shù)來釋放熱應(yīng)力。對于pre-pattem技術(shù)，在臺面邊緣處的熱 應(yīng)力在生長初期就釋放了，無法利用熱應(yīng)力有效的降低外延層中的缺陷 密度。對于post-pattern技術(shù)，是在外延層全部外延生長結(jié)束并降溫以后 (通常由600°C~700°C降低至室溫)，再進(jìn)行刻槽；因此當(dāng)外延層較厚 時，降溫過程就會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。這兩種方法無法兼顧高晶體質(zhì)量和 無裂紋生長。本發(fā)明的中間刻槽(mid-pattern)技術(shù)，由于刻槽前的預(yù)生長層能 充分利用熱應(yīng)力來降低外延層中的缺陷密度、從而提高預(yù)生長層的晶體 質(zhì)量，為后續(xù)的高質(zhì)量外延生長提供良好的基底。同時中間刻槽工序能 釋放后續(xù)生長過程中的熱應(yīng)力，同時實現(xiàn)高質(zhì)量和無裂紋生長。通過適 當(dāng)選擇臺面面積和刻槽寬度，使得熱應(yīng)力在第一次外延時有效推動位錯 結(jié)合和減少，然后在后續(xù)的外延生長過程中得到有效釋放；從而得到高 質(zhì)量、無裂紋的大面積外延層。


附圖，其被結(jié)合入并成為本說明書的一部分，示范了本發(fā)明的實施 例，并與前述的綜述和下面的詳細(xì)描述一起解釋本發(fā)明的原理。 圖la、 lb、 lc、 ld為基于本發(fā)明的異質(zhì)外延生長工藝示意圖； 圖2a為Ga(Al)As/Si外延片刻槽處的截面SEM圖像； 圖2b為Ga(Al)As/Si外延片臺面處的外延層的截面SEM圖像 (右)；圖3Ga(Al)As/Si外延片表面的光學(xué)顯微圖；圖4a為未采用本發(fā)明異質(zhì)外延生長方法的Ga(Al)As/Si外延片的表 面的光學(xué)顯微圖像，圖4b為該外延片截面的TEM圖像。
具體實施例方式為使得本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容更加清晰，通過下述優(yōu)選且非限制性 的實施例對本發(fā)明進(jìn)一步描述。其中的外延生長技術(shù)包括金屬有機(jī)物化 學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或液相外延(LPE)等 常用技術(shù)。例1首先，利用常用的低溫緩沖層和熱退火技術(shù)，在Si襯底上一次外延 生長出表面光滑、平坦的2.3miii厚的GaAs外延層，如圖1 (a)所示。 此時，由于該厚度的外延層中的熱應(yīng)力大小適中，有助于缺陷的遷移、 合并和消失；循環(huán)熱退火能有效的降低缺陷密度，獲得高質(zhì)量的GaAs 外延層。其次，中間刻槽工序?qū)ιL出的GaAs/Si進(jìn)行光刻和刻蝕工藝， 形成800^imx700Min大小的矩形周期臺面，隔離寬度為50拜，如圖1(b)和(c)所示。刻槽工藝中，采用H2S04/H202/H20溶液腐蝕隔離 處GaAs;接著用腐蝕出的GaAs臺面作掩模，用KOH溶液對隔離處露 出的Si襯底進(jìn)行腐蝕刻槽。腐蝕深度約25pm，由于腐蝕的各向異性， 槽呈V字型；此外，這種腐蝕深度，能有效防止后續(xù)生長的薄膜相連， 從而能有效地釋放熱應(yīng)力。最后，將刻槽的GaAs/Si襯底清洗完畢，放入反應(yīng)室迸行后續(xù)的外 延生長，結(jié)合循環(huán)熱退火生長了 13pm厚的GaAs系外延層，如圖1(d)所示。由于在較高的熱退火溫度下，缺陷的遷移使得臺面上積累 的熱應(yīng)變在刻槽處得到部分釋放，從而緩解熱應(yīng)力、避免了熱失配裂紋 產(chǎn)生。同時，適中的熱應(yīng)力有助于缺陷的減少以獲得高質(zhì)量的GaAs外 延層。例2與前述方法相似，在襯底上預(yù)生長4拜厚的外延層，在Si襯底上 生長了 15.3拜厚的GaAs/AlGaAs外延層，微觀測試、分析表明臺面 處的外延層表面平整，沒有裂紋產(chǎn)生。通過掃描電子顯微鏡(SEM)分 析Ga(Al)As/Si外延片的截面，如圖2所示。左圖是所刻蝕的V形槽， 右圖可以看出所生長的GaAs/AlGaAs外延層平整。Ga(Al)As/Si外延片 表面的光學(xué)顯微圖，如圖3所示。由圖3可知，外延層的表面平坦，沒 有裂紋出現(xiàn)相比較，沒有使用本發(fā)明所提供的異質(zhì)外延生長工藝，同樣在Si襯 底上生長了 15.3^im厚的GaAs/AlGaAs外延層。其表面的光學(xué)顯微圖， 如圖4 (a)所示。其中熱失配裂紋呈平行交錯，裂紋密度達(dá)到IO^iiT1 量級。其截面的透射電子顯微鏡(TEM)圖像如圖4 (b)所示，可以 看到裂紋幾乎貫穿整個外延層，無法達(dá)到器件制作的要求。例3與前述方法相似，在襯底上預(yù)生長0.5-4pm厚的外延層，通過中間 刻槽工藝在Si襯底上分別生長了 10-15pm厚的表面平整沒有裂紋的 GaP和SiGe外延層，所述臺面分別為圓形和橢圓形。綜上所述，本發(fā)明所提供的異質(zhì)外延生長工藝能更大面積、更大厚 度的條件下，高質(zhì)量、無裂紋的外延生長。以上所述是本發(fā)明應(yīng)用的技術(shù)原理和具體實例，依本發(fā)明的構(gòu)想所 做的等效變換，只要其所運(yùn)用的方案仍未超出說明書和附圖所涵蓋的精 神時，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此說明。
權(quán)利要求
1.一種異質(zhì)外延生長工藝，其特征在于外延層材料生長階段包括預(yù)生長階段和二次生長階段，且所述兩個生長階段之間為刻槽工序，其中襯底材料與外延層材料之間熱膨脹系數(shù)失配度大于10％。
2. 如權(quán)利要求1所述的異質(zhì)外延生長工藝，其特征在于在所述外延 層預(yù)生長階段中，外延層生長厚度范圍在0.5微米至出現(xiàn)熱失配裂紋的臨 界厚度之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的異質(zhì)外延生長工藝，其特征在于所述外延層 材料預(yù)生長階段設(shè)有熱退火工藝。
4. 如權(quán)利要求1所述的異質(zhì)外延生長工藝，其特征在于預(yù)生長階段 結(jié)束后，進(jìn)行刻槽工序，從而外延層材料表面形成互相隔離的臺面。
5. 如權(quán)利要求4所述的異質(zhì)外延生長工藝，其特征在于所述臺面形 狀為菱形、圓形、橢圓形、矩形、正方形、三角形、多邊形，所述臺面 的面積不大于10mmxlOmm，所述復(fù)數(shù)個臺面之間的隔離寬度不小于IO
6. 如權(quán)利要求1所述的異質(zhì)外延生長工藝，其特征在于所述外延層 材料的二次生長階段是在刻槽工藝所形成的臺面上繼續(xù)生長無裂紋的外 延層，且所述生長厚度大于4微米。
7. 如權(quán)利要求l-6中任一所述的異質(zhì)外延生長工藝，其特征在于所述襯底材料為硅晶體。
8. 如權(quán)利要求l-6中任一所述的異質(zhì)外延生長工藝，其特征在于所述外延層材料選自ni-v族半導(dǎo)體材料或iv族半導(dǎo)體材料。
9. 如權(quán)利要求8所述的異質(zhì)外延生長工藝，其特征在于外延層材料選自砷化鎵、砷化鋁鎵、磷化鎵、鍺硅。
全文摘要
本發(fā)明提供一種異質(zhì)外延生長工藝，外延層材料生長階段包括預(yù)生長階段和二次生長階段，且所述兩個生長階段之間為刻槽工序，其中襯底材料與外延層材料之間熱膨脹系數(shù)失配度大于10％。本發(fā)明成功解決了熱失配較大的材料間異質(zhì)外延的裂紋問題，特別為硅基半導(dǎo)體光電子集成中的材料兼容技術(shù)提供新的思路。實現(xiàn)無裂紋、高質(zhì)量的異質(zhì)外延生長方法。
文檔編號H01L21/00GK101615564SQ200810132429
公開日2009年12月30日 申請日期2008年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者任曉敏, 呂吉賀, 琦 王, 蔡世偉, 輝 黃, 黃永清 申請人:北京郵電大學(xué)