專利名稱：半導體材料薄層的形成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形成半導體材料薄層的方法。
背景技術(shù)：
由于Ge的相對稀缺性，使用塊狀Ge半導體襯底不可能容易滿足未來對Ge基技術(shù)的需求。這在較大襯底晶片直徑時尤為相關(guān)，對于該襯底晶片，每單位面積需要更厚的Ge 來提供足夠的機械強度。絕緣體上鍺(GeOI)晶片提供了一種可行的替代物。僅僅需要少量的Ge材料(一般在0.001% 之間)就可以制造相當?shù)木睆?，并且有助于在靜電學上和電子學上與提供的那些絕緣體上硅(SOI)相當。位于鍺薄表面層和襯底本體之間的氧化物蝕刻終止層的存在還可以是其他技術(shù)如聚光光伏中的一個關(guān)鍵使然特征。一種理想的GeOI襯底由牢固結(jié)合在氧化的硅晶片上的無缺陷Ge的薄均勻厚度層組成。然而，對于制造GeOI晶片，存在尚未解決的若干重大難題，這會導致成本高、材料品質(zhì)差。以下描述了制造GeOI襯底的三種已知方法。第一個已知的方法是使用自施主Ge晶片的層轉(zhuǎn)移。層轉(zhuǎn)移技術(shù)包括有公知的 Smartcut(RTM),其中出于形成分離平面的目的而使離子沉積在稍位于該施主Ge晶片的頂表面下方。使硅接收晶片的氧化表面與該施主晶片的頂表面結(jié)合。然后沿分離平面分離施主晶片和受主晶片，使得Ge的薄層保留在該氧化的硅上。受移Ge層的表面粗糙度要高于生產(chǎn)SOI晶片的類似技術(shù)獲得的表面粗糙度，因而需要額外的拋光來消除這種會引起Ge層厚度不均的額外的粗糙度。這樣使其難以生產(chǎn)出用于先進Ge CMOS應(yīng)用(如其中需要全耗盡和部分耗盡器件)的具有所需厚度均勻性的超薄Ge層。另外，Ge施主晶片的成本較高， 并且難以將Ge施主晶片的表面品質(zhì)恢復到能夠再使用的水平。第二個已知方法是在硅施主晶片上外延生長SiGe梯度體(grade)，并且在該SiGe 梯度體上外延生長Ge。然后將Ge層轉(zhuǎn)移到氧化的硅受主晶片上。該方法是用來生產(chǎn)直徑可達300mm的較大直徑GeOI和SiGeOI晶片的另一常用方法。然而，生長在SiGe梯度體上的純Ge膜的線位錯密度(TDD)為IO6CnT2 108cm_2的數(shù)量級。這種缺陷水平會使Ge層內(nèi)和在其上生長的任何后續(xù)層內(nèi)的性能顯著劣化。層轉(zhuǎn)移后保留在施主晶片上的外延層的表面粗糙度需要通過拋光在使用后進行恢復，以實現(xiàn)新生長的Ge層的自發(fā)結(jié)合。帶有中間 CMP(化學機械拋光)階段的Ge膜在全Si-Ge梯度體上的生長是緩慢且昂貴的。很難對從純Ge膜轉(zhuǎn)移到受主晶片上的受移SiGe梯度體的上層(Ge含量較高)進行選擇性蝕刻。第三種已知方法是以絕緣體上SiGe(SiGeOI)晶片開始，并使用Ge濃縮方法來獲得GeOI晶片。氧化SiGe的薄層，使得Ge沿著氧化前鋒推進，以在與隱埋絕緣氧化物層的邊界處形成純Ge。然后除去上覆材料。但是，有報道稱用這種方法制造的GeOI晶片有高水平的位錯缺陷。這些缺陷因原SiGeOI界面處的晶格常數(shù)與受移的SiGe相當而受到過程中應(yīng)變松弛的驅(qū)動。盡管存在可疑的品質(zhì)，但如今大部分直徑超過150mm的GeOI晶片仍采用這種方法生產(chǎn)。本發(fā)明試圖解決相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)中的這些和其他問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及形成GaAs或鍺材料的層，所述層隨后將轉(zhuǎn)移到受主襯底上。鍺材料可以例如是具有較小比例的硅的SiGe材料，該SiGe材料與GaAs基本晶格匹配。本發(fā)明提供了一種形成鍺材料或GaAs的薄膜或?qū)拥姆椒?。例如，通過使用離子注入/分離或諸如Smartcut (RTM)等相似技術(shù)將一種上述材料的層轉(zhuǎn)移到另一襯底上?？沙ジ街谑芤茖踊蚴Ｓ嗖牧仙系钠渌牧蠚堄辔?，以留下通過選擇性蝕刻使用GaAs/鍺材料界面作為蝕刻終止物而露出的原始表面。比如，通過在GaAs施主襯底上外延生長鍺材料，并進行鍺材料和部分殘余GaAs到受主襯底上的層轉(zhuǎn)移，本發(fā)明可以用來形成絕緣體上鍺型襯底。由于GaAs/鍺材料的邊界起到針對選擇性濕法蝕刻或類似方法的蝕刻終止物的作用，因而隨后可除去殘余GaAs。通過在Ge施主襯底上生長GaAs材料以及隨后的等價步驟，可使用等價方法來形成絕緣體上 GaAs型襯底。受移層中的鍺材料與殘余GaAs(反之亦然)之間的異質(zhì)界面提供了蝕刻終止物， 使得能夠使用對GaAs有選擇性的蝕刻劑來除去殘余GaAs，從而在受主襯底上僅留下鍺材料。鍺材料可以是鍺，或具有少量硅成分的SiGe，所述硅成分與使得該SiGe與GaAs施主襯底近似晶格匹配一致。本文中更一般而言，鍺材料可以是其中鍺的摩爾分數(shù)為至少0. 5、至少0. 7或可選地至少0. 9的材料。鍺材料可以與GaAs基本晶格匹配。鍺材料和GaAs優(yōu)選單體式地相互形成在一起，也就是單晶。鍺材料可以表現(xiàn)為多種組成，比如包含兩種不同的 SiGe組成之間的梯度體。該技術(shù)使得無缺陷鍺或SiGe的薄均勻?qū)幽軌蜣D(zhuǎn)移到替代性襯底上。用選擇性蝕刻替代通常用來除去分離/注入損傷并在受移層表面處恢復后續(xù)外延生長用微觀粗糙度的CMP階段，從而除去殘余GaAs。該鍺材料處的蝕刻終止物能夠?qū)崿F(xiàn)非常均勻的受移鍺材料薄層。相比于生長在SiGe梯度體上的鍺材料，松弛鍺材料在晶格匹配的GaAs上的生長將獲得極低的缺陷水平。GaAs施主晶片通常比相當?shù)逆N晶片廉價，而且如果使用了使施主襯底基本無損的層轉(zhuǎn)移技術(shù)，GaAs施主晶片還能夠再使用。多次循環(huán)的GaAs和鍺材料可以外延生長在GaAs施主襯底上，然后通過重復層轉(zhuǎn)移來后續(xù)除去，從而形成多個絕緣體上鍺型襯底。生產(chǎn)薄且均勻的絕緣體上鍺材料的能力對于GeOI基CMOS(其中使用了部分耗盡和全耗盡結(jié)構(gòu))尤為重要，但是該技術(shù)還可以應(yīng)用于多種其他應(yīng)用，比如光伏、光電子和與硅的 III/V 族集成(integration)。特別地，本發(fā)明提供一種進行第一材料的層轉(zhuǎn)移的方法，所述第一材料為GaAs或鍺材料，所述方法包括在第二材料的表面外延生長所述第一材料，所述第二材料為GaAs 或鍺材料的另一種，所述表面由施主襯底承載；進行所述第一材料與下述材料中的一種從所述施主襯底到受主襯底上的層轉(zhuǎn)移來自臨近附著于所述受移第一材料上的所述表面的殘余第二材料，和來自臨近附著于所述第二材料上的所述表面的殘余第一材料；以及除去附著的殘余材料，由此露出下層第一材料或第二材料(取決于所述殘余材料覆蓋了哪一個)。殘余材料是附著于受移第一材料上還是附著于剩余第二材料上取決于分離第一
6材料和第二材料所沿著的平面(如分離平面或分離層)，且特別取決于該平面是位于所述表面的上方還是下方。鍺材料可以是鍺，硅鍺SixGei_x或是諸如SiGeC等另一鍺材料，或者是這些組成物的某種組合。對于可接受SiGe和GaAs的晶格匹配，χ值應(yīng)當優(yōu)選低于0. 06，更優(yōu)選低于0. 04，還優(yōu)選為0. 01 0. 03。例如通過規(guī)定鍺材料的晶格常數(shù)在GaAs的晶格常數(shù)的士0. 08%之內(nèi)，可以使鍺材料與GaAs基本晶格匹配，以得到可接受的低水平缺陷結(jié)果，盡管下文討論了其他適宜的標準。本發(fā)明還可以用于形成諸如SiGe等鍺材料的薄層，其中至少部分鍺材料的摩爾分數(shù)顯著減少，例如為0. 5 1. 0或0. 7 1. 0之間。這可以通過將鍺材料梯度體生長為較低鍺摩爾分數(shù)的材料并進行包括部分或全部該梯度體的鍺材料的層轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)。本文所述的材料可以通過CVD或類似的技術(shù)生長，可以進行或不進行摻雜以促進 ρ-η結(jié)的形成。所述受主襯底可以包含絕緣體層，并且隨后第一材料的轉(zhuǎn)移層可以層轉(zhuǎn)移到絕緣體層上，從而在絕緣體襯底上形成第一材料。例如，受主襯底可以是硅襯底，且絕緣體層可包含硅的氧化物。需要時，也可以使用其他多種類型的受主襯底，包括半導體材料、絕緣體、 玻璃、金屬等?？墒褂帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員已知的多種方法來進行層轉(zhuǎn)移。例如，進行層轉(zhuǎn)移的步驟可包括注入離子以在所述表面下方的第二材料中初始化分離層，結(jié)合第一材料(與附加在第一材料頂部的任何另外的層)至受主襯底，以及沿分離層分離受主襯底和施主襯底， 以留下來自臨近附著于所述受移第一材料上的所述表面的殘余第二材料。如果所述分離層位于所述表面上方的第一材料內(nèi)，則殘余第一材料來自臨近附著于剩余第二材料上的所述表面。層轉(zhuǎn)移還可以通過磨掉施主襯底的本體來實現(xiàn)。附著的殘余材料可以采用一種或多種方法，包括磨光、拋光、蝕刻等來去除。然而， 所述去除優(yōu)選包括通過選擇性蝕刻來除去至少部分殘余材料，其中所述第一材料和第二材料的另一種不響應(yīng)所述選擇性蝕刻，并由此使剩余材料留有其原始生長表面。特別地，選擇性濕法蝕刻可以用來除去附著殘余材料的最終部分，以露出下層第一材料或第二材料。方便的是，施主襯底可以是GaAs襯底。這種情況下，第二材料的表面可以是GaAs 襯底的GaAs表面。但是，第二材料的表面可以替代為第二材料的外延生長層的表面，所述外延生長層可以生長在GaAs襯底的GaAs表面上，或者生長在不同的下層表面如在第一材料的外延生長層上。類似地，施主襯底可以是Ge襯底。這種情況下，第二材料的表面可以是Ge襯底的 Ge表面，但是，第二材料的表面可以替代為第二材料的外延生長層的表面，所述外延生長層可以生長在Ge襯底的Ge表面上，或者生長在不同的下層表面如在第一材料的外延生長層上。本發(fā)明的一個相關(guān)方面提供了生長所述第一材料和第二材料的重復交替層，使得能夠使用各自針對單獨受主襯底的重復性層轉(zhuǎn)移，和相應(yīng)的除去附著的殘余材料的多個步
馬聚ο當使用上述方法來在不磨掉襯底本體或主體的情況下自施主襯底進行層轉(zhuǎn)移時， 施主襯底可以隨后進行再利用來重復進行相同方法一次或多次，或用于其他方法或應(yīng)用。以其中殘余材料是留附在施主襯底的第一材料上的第二材料的方式使用上述方法使得原始GaAs表面，其中在所述表面上將形成要轉(zhuǎn)移的鍺層，能夠使用已提及的選擇性蝕刻技術(shù)來得到精確的恢復。如果層轉(zhuǎn)移后留在施主襯底上的表面是分離的第二材料，那么可以采用拋光或本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的類似技術(shù)的步驟來恢復施主襯底以用于進一步應(yīng)用或再利用。上述方法可以用來提供在其上形成其他結(jié)構(gòu)體的表面。在一個實例中，此類另外的結(jié)構(gòu)體包括一個或多個光伏結(jié)，該光伏結(jié)可以單體式地形成在受移第一材料上。在一些其他方面中，本發(fā)明提供一種制造鍺材料薄膜的方法，該方法包括在 GaAs施主襯底上外延生長鍺材料層；進行所述鍺材料層和殘余GaAs材料從施主襯底上到受主襯底上的層轉(zhuǎn)移；以及除去殘余GaAs材料以露出所述鍺材料層。本發(fā)明還提供了制造 GaAs材料薄膜的對應(yīng)方法，該方法包括在Ge施主襯底上外延生長GaAs材料層；進行所述 GaAs材料層和殘余鍺材料從施主襯底上到受主襯底上的層轉(zhuǎn)移；以及除去殘余鍺材料以露出所述GaAs材料層。襯底、殘余材料的去除和其他方面可如本文其他地方所述。所述鍺材料可以具有均勻的組成，或者組成可以例如通過在層生長中改變組成而在所述材料中不同。此類應(yīng)用之一提供了一種形成鍺材料薄層的方法，所述鍺材料與GaAs 材料晶格錯配。在施主襯底上生長SiGe梯度體，并在該梯度體上生長鍺材料頂層(其可有效地位于該梯度體或附加層的頂部)。然后所述頂層優(yōu)選與部分SiGe梯度體或全部SiGe 梯度體以及其上生長有該SiGe梯度體的GaAs材料殘余物一起層轉(zhuǎn)移到受主襯底上，并且需要時除去來自所述層下方的殘余材料，并在必要時在受主襯底上制備鍺材料的剩余表面以作進一步使用。鍺材料可以與該梯度體頂部晶格匹配。作為另一種選擇，其可以特意地是晶格錯配的，以在受主襯底上產(chǎn)生應(yīng)變鍺材料層。本發(fā)明還提供了形成下述器件的方法，所述方法包括如上所述的方法步驟，所述器件是光電器件、全耗盡型Ge基CMOS器件、或硅上III/V族器件。本發(fā)明還提供了上述方法的產(chǎn)品，所述產(chǎn)品包含承載按照上述任一方法形成的所述第一材料層的襯底。如此形成的特定終產(chǎn)品是GeOI和SiGeOI襯底，其對于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方法形成的尺寸近似的襯底而言可具有較少的缺陷密度。此類絕緣體上鍺或SiGe襯底可包含位于諸如二氧化硅等絕緣體上的鍺材料，該絕緣體可以形成在硅襯底上。本發(fā)明還可用來提供一種結(jié)構(gòu)體，在該結(jié)構(gòu)體上可如共同提交且共同未決的題為 "Photovoltaic Cell”的專利申請中所述構(gòu)建光伏器件，在此出于所有目的而將該申請的全部內(nèi)容以引用方式并入。本發(fā)明還提供了如此構(gòu)造的光伏器件，如太陽能電池。本發(fā)明還提供了使用上述方法形成的一種或多種光電器件、全耗盡型和部分耗盡型Ge基CMOS器件和硅上III/V族器件。例如在施主襯底和受主襯底為施主晶片和受主晶片時，本發(fā)明可以應(yīng)用于整個半導體晶片。


現(xiàn)將參考附圖，僅僅通過實例的方式描述本發(fā)明的實施方式，其中圖IA IE示意性示出了 SiGe層從GaAs施主襯底到受主襯底的層轉(zhuǎn)移，其中受移層上帶有部分殘余GaAs;圖2A和2B示出了圖1的部分階段，其中受主襯底上帶有絕緣體層；圖3圖示了這樣一種技術(shù)，其中生長多個交替層，然后使用連續(xù)層轉(zhuǎn)移步驟將其除去到多個受主襯底上；圖4圖示了應(yīng)用于外延生長的GaAs層上的SiGe層的技術(shù)；圖5A 5C示意性示出了 SiGe層自GaAs施主襯底上的層轉(zhuǎn)移，其中受移層留下部分殘余SiGe ；圖6A 6D示出了與圖1類似的方法，其中轉(zhuǎn)移GaAs層離開下層Ge層或SiGe層或Ge襯底；圖7示出了單結(jié)或多結(jié)太陽能或光伏電池，所述電池含有如前述附圖中所示的形成或生長在受移層上的結(jié)；圖8A 8B圖示了應(yīng)用于SiGe或其他鍺材料層的轉(zhuǎn)移的發(fā)明，所述SiGe或其他鍺材料層具有與GaAs晶格不匹配的組成，并生長在合適的SiGe梯度體上，且隨后轉(zhuǎn)移到受主襯底上；圖9A和9B與圖8A和8B類似，但是鍺材料層由于與SiGe梯度體頂部晶格錯配而特意產(chǎn)生應(yīng)變。
具體實施例方式現(xiàn)參見圖IA 1E，其示出了在襯底上形成鍺材料薄層的一系列階段。在圖IA中， 提供了 GaAs施主襯底10，并且已在該施主襯底上外延生長了鍺材料層12。本例中，所述鍺材料是硅鍺材料(SiGe)。圖IB中，例如通過使用離子束方法透過層12注入離子，而已在硅鍺層12下方的施主襯底的GaAs材料中初始化分離平面14。圖IC中，已使受主襯底與SiGe層12結(jié)合。可以使用退火步驟，以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知來自Smartcut(RTM)技術(shù)的方式來改善受主襯底與SiGe層的結(jié)合，還用來弱化分離平面。然后如圖ID所示分離施主襯底與受主襯底，使得該受主襯底承載SiGe層12和來自原始施主襯底的殘余GaAs材料層?？赏ㄟ^多種技術(shù)如磨光、拋光和蝕刻來除去殘余GaAs材料層，以如圖IE所示留下受主襯底上露出的外延生長的鍺材料層。優(yōu)選的是，通過蝕刻過程如濕法蝕刻過曾除去殘余GaAs材料的至少最終部分，其中鍺材料不響應(yīng)該蝕刻過程。剩余GaAs施主晶片10在經(jīng)過必要的再拋光或其他表面處理技術(shù)后可以再利用。將鍺材料的外延層從施主襯底轉(zhuǎn)移到受主襯底上的過程稱之為層轉(zhuǎn)移過程?？墒褂枚喾N不同技術(shù)來實現(xiàn)此種效果，可能需要多個步驟來實施這類技術(shù)，這些步驟可以在鍺材料層12的外延生長之前進行、之后進行，或在之前和之后均進行。例如，一種替代性的層轉(zhuǎn)移技術(shù)包括磨掉施主晶片的本體，而不是使用分離平面技術(shù)。然后仍可使用蝕刻過程來除去殘余的GaAs層?？墒褂枚喾N材料或結(jié)構(gòu)的受主襯底來接納鍺材料層12，例如金屬、半導體、絕緣體、玻璃和這些材料的組合。為了形成絕緣體上鍺材料襯底，帶有絕緣體層的受主襯底用作受主襯底20。該變型如圖2A所圖示，其可與圖IC做比較。在圖2A中，受主襯底承載絕緣體層22，并且該絕緣體層與鍺材料層12相結(jié)合，從而形成如圖2B所示的最終結(jié)構(gòu)體。鍺材料可以例如是鍺或SiGe。另一可能的鍺材料是SiGeC。如果所述材料為SiGe， 那么只要該材料保持與施主襯底的GaAs材料基本晶格匹配，則由SixGei_x中x表示的組成就可以改變。理想的晶格匹配發(fā)生在x = 0. 018左右，并且優(yōu)選χ的值為約0. 01 0. 03， 但是χ = 0 (鍺)到χ = 0. 04，甚至χ = 0. 06的值都可以提供給鍺材料以用于多種目的的合理的材料品質(zhì)。隨著硅比率增大，對于χ值每變化0.01，與GaAs的晶格錯配將增大約 0. 04%，并且鍺材料的晶體結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的缺陷數(shù)目也會增加。因此，鍺材料保持與GaAs適度晶格匹配的晶格參數(shù)的適當范圍可以與GaAs晶格參數(shù)的偏差為至多士. 16%，更優(yōu)選為至多士0. 08%，還更優(yōu)選在士0. 04%的范圍。鍺材料可以含有低水平的摻雜劑或其他雜質(zhì)。圖IA IE所圖示的過程通?？梢圆捎贸Ｒ?guī)類型半導體晶片實施。GaAs施主晶片的厚度為約ΙΟΟμπι ΙΟΟΟμπι，且通常較大的晶片具有較大的厚度。受主晶片可以是硅晶片，其上生長有氧化物層來提供絕緣體層22。取決于最終應(yīng)用，外延鍺材料層12的厚度通常是約Inm 2μπι。相比于某些光學或光伏應(yīng)用，某些CMOS電路應(yīng)用通常從薄層中獲益。 分離平面通常可以形成在GaAs表面下方約0. Iym 2μπι處，或者形成在層12表面下方但使得分離平面至少稍微位于GaAs材料中。如圖3所示，上述方法可以擴展至在施主襯底上有兩個以上鍺材料外延層，然后以相反的順序進行多個層轉(zhuǎn)移步驟以除去各個層12。每一對鍺材料層12被同樣外延生長的GaAs層26隔開。所需的分離層可以在生長步驟之間于部分或全部GaAs襯底和GaAs層內(nèi)進行初始化，但是有利的是在不從合適的反應(yīng)室中移除結(jié)構(gòu)體的情況下形成全部外延層， 然后在外延層完全形成之后再進行必要的離子注入或其他此類的分離平面初始化步驟。更一般地，如圖4所示，該技術(shù)可以用于上覆外延GaAs材料30的鍺材料外延層， 其中一個或多個另外的層28可以位于GaAs材料30和GaAs襯底之間。在該更一般的情況下，上述技術(shù)還可用來進行鍺材料層12的層轉(zhuǎn)移，所述層轉(zhuǎn)移比如包括，形成分離平面14， 完成到施主襯底的層轉(zhuǎn)移，并且選擇性蝕刻受主襯底上來自鍺材料層12的殘余GaAs。在圖5A中，GaAs材料30位于上述鍺材料外延層32 (例如如圖4所示)下。GaAs 材料30可以是GaAs襯底的頂部，或者可以是外延生長層。在上述技術(shù)的變型中，分離平面 34形成在鍺材料層32中。然后例如通過完成上面使用的層轉(zhuǎn)移技術(shù)，將鍺材料層的上部轉(zhuǎn)移到受主襯底20上。轉(zhuǎn)移到受主襯底上的鍺材料可以隨后進行拋光或者以其他方式制備以作使用，留在GaAs上的鍺材料層的下部可以通過多種技術(shù)除去，所述技術(shù)優(yōu)選包括使用 GaAs對其不響應(yīng)的選擇性蝕刻來除去該材料的至少最終部分。所得到的結(jié)構(gòu)體如圖5C所示。該變型使得GaAs材料30的蝕刻表面能夠以任何需要的方式進一步使用。圖5的技術(shù)可以應(yīng)用于圖4的結(jié)構(gòu)體的一個或多個重復層。上述技術(shù)可以用來形成GaAs薄膜。參見圖6A，GaAs層36外延生長在鍺材料38 上。可以在鍺材料中初始化分離平面34。如圖6B所示，使受主襯底20與GaAs層36結(jié)合， 然后使該受主襯底與鍺材料38分離，以由此實現(xiàn)GaAs層36到受主襯底上的層轉(zhuǎn)移。如圖 6C所示，還轉(zhuǎn)移了殘余量的鍺材料，而這些材料可以被除去。特別是，使用GaAs對其不響應(yīng)的選擇性蝕刻來除去殘余鍺材料的至少最終部分，以形成圖6D的結(jié)構(gòu)體，其中露出的GaAs
10薄層結(jié)合在受主襯底上。關(guān)于GaAs上生長的鍺材料現(xiàn)已存在的所述技術(shù)的某些變型包括 在GaAs而不是鍺材料中形成分離平面；和使用磨光來除去承載鍺材料表面的施主襯底的全部或本體。圖6A 6D所示的技術(shù)可以應(yīng)用于類似圖4所示的鍺材料和GaAs的交替外延層的層積體(stack)，以從單個施主襯底上進行連續(xù)的GaAs層的層轉(zhuǎn)移。所述技術(shù)還可以應(yīng)用于形成在鍺襯底上的GaAs層。根據(jù)本發(fā)明形成的GaAs或鍺材料的層可以用作光伏電池的一部分。圖7圖示了此類電池，其中作為金屬層或包含金屬層的受主襯底承載了鍺材料層，該鍺材料層上形成有鍺光伏結(jié)40或該鍺材料層是鍺光伏結(jié)40的一部分?？梢栽谒鲦N結(jié)上單體式地形成另外的光伏結(jié)，例如在形成GaAs結(jié)42后形成InGaP結(jié)44，以形成三結(jié)太陽能電池。通常，各個上層光伏結(jié)將具有高于各個下層結(jié)的帶隙能，使得較長波長的光能夠傳播到下層結(jié)以在更理想的帶隙處進行吸收和轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。出于簡潔性目的，圖7中并未示出電觸點、結(jié)層、 窗口層等類似物，但清楚的是，在必要時根據(jù)使用實踐和本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識可以包括上述元件。參見圖8A和8B，其圖示了這樣一種技術(shù)，憑借該技術(shù)，使用上文已描述的技術(shù)和材料可以形成與GaAs晶格不匹配的鍺材料層并將其轉(zhuǎn)移到替代性襯底上。與GaAs或Ga 基本晶格匹配的諸如SiGe等鍺材料的第一層52外延生長在通常是GaAs或Ge襯底的施主襯底50上。為了與GaAs基本晶格匹配以使缺陷最小化，SiGe應(yīng)當具有約0. 02的硅分數(shù)， 該硅分數(shù)更一般為0 約0. 04，但是也可以應(yīng)用本文在其他地方所述的其他標準。然后形成SiGe梯度體54，其中硅分數(shù)隨著該梯度體向上生長而增大，并使得該梯度體頂部的硅分數(shù)高于第一層52中的硅分數(shù)。接著生長硅分數(shù)與梯度體52頂部相匹配的第二 SiGe層56。然后使用層轉(zhuǎn)移技術(shù)來將第二 SiGe層56的材料轉(zhuǎn)移到接收襯底60上。這可以包括將包含部分殘余GaAs材料的整個鍺材料結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)移到接收襯底上，或者轉(zhuǎn)移第二 SiGe 層56和來自梯度體52的部分殘余SiGe材料。所述層轉(zhuǎn)移技術(shù)可以使用分離平面來除去所述材料的本體，或為此目的可以使用磨光技術(shù)，或可以使用其他層轉(zhuǎn)移技術(shù)。最后，可以除去層轉(zhuǎn)移過程中也攜帶的施主襯底或梯度體的任何殘余材料，并且可以對受移SiGe層的露出面進行拋光或在必要時進行其他方式的制備以進一步應(yīng)用。受主襯底可以采用上文其他實例中所述的多種形式。施主襯底可以具有不同的組成和晶格常數(shù)，但通常SiGe梯度體的底部應(yīng)當與襯底的晶格常數(shù)匹配。在圖8A和8B所示技術(shù)的一個變型中，可以如圖9A和9B所示，生長應(yīng)變鍺材料層 62來替換晶格匹配的鍺材料56。由此如圖9B所示將應(yīng)變鍺材料層62轉(zhuǎn)移到受主襯底上。 尤其是，層62可以進行壓縮應(yīng)變。應(yīng)變鍺材料可以例如是應(yīng)變SiGe或應(yīng)變Ge。當與非應(yīng)變等價物相比較時，壓縮應(yīng)變的鍺材料層可有利于提高載流子遷移率。與以硅襯底開始且逐漸增加Ge分數(shù)到所需水平的常規(guī)方法相比，在GaAs或Ge上 SiGe梯度體上方的SiGe的層轉(zhuǎn)移使得高Ge分數(shù)材料能夠低梯度地進行生產(chǎn)。結(jié)果，可以在位錯缺陷較少和無需中間CMP階段來減少塞積缺陷和恢復表面平坦度的情況下實現(xiàn)例如高于0.7的高Ge分數(shù)。盡管已經(jīng)描述了多種實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到在不脫離本發(fā)明范圍的情況下可以對這些實施例做出變型和改進。
權(quán)利要求
1.一種形成鍺材料薄膜的方法，所述方法包括在GaAs的表面上外延生長所述鍺材料，所述表面由施主襯底承載；進行所述鍺材料和下述材料之一從所述施主襯底到受主襯底上的層轉(zhuǎn)移來自鄰近附著于所述受移鍺材料上的所述表面的殘余GaAs，和來自鄰近附著于所述GaAs上的所述表面的殘余鍺材料；和除去附著的殘余材料。
2.如前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述鍺材料為鍺。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述鍺材料為硅鍺。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述硅鍺表示為SixGei_x，并使χ為0.Ol 0. 03。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述鍺材料包含從具有第一組成的SiGe到具有第二組成的SiGe的SiGe梯度體。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，所述方法還包括在除去所述附著的殘余材料后除去至少部分SiGe梯度體。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，所述第一組成與GaAs基本晶格匹配，所述第二組成具有高于所述第一材料的硅分數(shù)。
8.如權(quán)利要求5、6或7所述的方法，其中，所述鍺材料還包含應(yīng)變鍺層，所述應(yīng)變鍺層生長在具有第二組成的SiGe上，并與其晶格錯配。
9.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述鍺材料中的鍺摩爾分數(shù)是至少 0. 5，或者至少0. 7。
10.如權(quán)利要求1 4中任一項所述的方法，其中，所述鍺材料和GaAs基本晶格匹配。
11.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述受主襯底包含絕緣體層，并將所述鍺材料的轉(zhuǎn)移層層轉(zhuǎn)移到所述絕緣體層上，以形成絕緣體上鍺材料襯底。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述受主襯底是硅襯底，所述絕緣體層包含硅的氧化物。
13.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，進行層轉(zhuǎn)移的步驟包括磨掉至少部分施主襯底，以留下來自鄰近附著于所述受移鍺材料上的所述表面的殘余GaAs。
14.如權(quán)利要求1 12中任一項所述的方法，其中，進行層轉(zhuǎn)移的步驟包括，注入離子以在所述表面下方的GaAs中初始化分離層，結(jié)合所述鍺材料至所述受主襯底，并且沿所述分離層分離所述受主襯底與所述施主襯底，以留下來自鄰近附著于所述受移鍺材料上的所述表面的殘余GaAs。
15.如權(quán)利要求1 12中任一項所述的方法，其中，進行層轉(zhuǎn)移的步驟包括，注入離子以在所述表面上方的鍺材料中初始化分離層，結(jié)合所述鍺材料至所述受主襯底，并且沿所述分離層分離接收襯底與施主襯底，以留下來自鄰近附著于所述GaAs上的所述表面的殘余鍺材料。
16.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，除去附著的殘余材料的步驟包括使用鍺材料對其不響應(yīng)的選擇性蝕刻來除去至少部分殘余材料。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，使用選擇性濕法蝕刻來除去所述附著的殘余材料的最終部分，以露出下層鍺材料。
18.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述施主襯底是GaAs襯底。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述GaAs的表面是所述GaAs襯底的GaAs表面。
20.如權(quán)利要求1 18中任一項所述的方法，其中，所述GaAs的表面是GaAs外延生長層的表面。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，外延生長的鍺材料層在GaAs外延生長層上形成。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，所述方法包括外延生長多個所述GaAs和鍺材料的交替層，并在生長全部所述層后，進行各自針對單獨受主襯底的多個所述層轉(zhuǎn)移步驟，和相應(yīng)的多個所述除去附著的殘余材料的步驟。
23.一種方法，所述方法包括在施主襯底上生長SiGe梯度體，所述SiGe梯度體具有第一 SiGe組成到第二 SiGe組成；在所述SiGe梯度體上外延生長另一鍺材料層；以及進行至少部分所述鍺材料到受主襯底上的層轉(zhuǎn)移。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述另一鍺材料層具有與所述第二組成相匹配的組成。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述另一鍺材料層是與所述第二組成晶格錯配的應(yīng)變鍺材料。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述應(yīng)變鍺材料是壓縮應(yīng)變的。
27.如權(quán)利要求25或26所述的方法，其中，所述應(yīng)變鍺材料為應(yīng)變鍺。
28.如權(quán)利要求23 27中任一項所述的方法，其中，所述第一SiGe組成與所述施主襯底基本晶格匹配，所述第二 SiGe組成具有高于所述第一 SiGe組成的硅分數(shù)。
29.如權(quán)利要求23 28中任一項所述的方法，其中，所述層轉(zhuǎn)移包括所述SiGe梯度體和來自所述施主襯底的殘余材料的層轉(zhuǎn)移。
30.如權(quán)利要求23 29中任一項所述的方法，其中，所述另一鍺材料層是硅分數(shù)大于 χ = 0. 05 的 SixGe1^
31.如權(quán)利要求23 30中任一項所述的方法，其中，所述另一鍺材料層的鍺摩爾分數(shù)為大于0. 5 ；或大于0. 7。
32.如權(quán)利要求23 31中任一項所述的方法，其中，所述施主襯底為GaAs襯底。
33.一種形成光伏電池的方法，所述方法包括，進行權(quán)利要求1 32中任一項所述的步驟，并在至少部分受移鍺材料上單體式地形成一個或多個光伏結(jié)。
34.一種形成光電器件、全耗盡型或部分耗盡型鍺基CMOS器件或硅上III/V族器件的方法，所述方法包括權(quán)利要求1 33中任一項所述的步驟。
35.一種承載至少部分所述鍺材料的層的襯底，所述襯底根據(jù)權(quán)利要求1 32中任一項所述的方法形成。
36.根據(jù)權(quán)利要求1 32中任一項所述的方法形成的絕緣體上鍺材料襯底。
37.如權(quán)利要求36所述的襯底，其中，所述鍺材料位于硅上方的二氧化硅上。
38.如權(quán)利要求36或37所述的襯底，其中，所述鍺材料是下述材料中的至少一種鍺； 表示為SixGei_x的硅鍺，其中χ小于0. 05 ；和晶格常數(shù)在GaAs的晶格常數(shù)士0. 16%間的鍺材料。
39.一種太陽能電池，所述太陽能電池包含權(quán)利要求35 38中任一項所述的襯底。
40. 一種光電器件、全耗盡型或部分耗盡型鍺基CMOS器件或硅上III/V族器件，所述器件包含權(quán)利要求35 38中任一項所述的襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種形成GaAs或諸如SiGe等鍺材料的層的方法。鍺材料例如可以外延生長在GaAs表面上。使用層轉(zhuǎn)移將所述鍺材料和部分殘余GaAs轉(zhuǎn)移到受主襯底上。由于GaAs與鍺材料之間的邊界提供了蝕刻終止物，所以隨后可以使用選擇性蝕刻除去殘余GaAs。
文檔編號H01L21/762GK102388448SQ201080014929
公開日2012年3月21日 申請日期2010年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月19日
發(fā)明者R·C·哈珀 申請人:Iqe硅化合物有限公司