專利名稱：一種嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子與固體電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法。
背景技術(shù)：
制備更小尺寸、更高性能的器件一直是半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的目標(biāo)和方向，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，單純依靠Si材料已經(jīng)無法制備出足夠高速、低功耗的晶體管。從90nm工藝開始，應(yīng)變Si (sS1-strained silicon)技術(shù)在半導(dǎo)體領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)變Si的制備工藝，可以分為局部應(yīng)變和全局應(yīng)變。對(duì)于全局應(yīng)變Si,傳統(tǒng)方法一般米取首先在Si襯底上外延弛豫鍺化硅(SiGe)層，然后在該弛豫SiGe層上面外延應(yīng)變Si的方法。為了保證頂層應(yīng)變Si的質(zhì)量，弛豫SiGe層一般采用漸變緩沖的方法，即首先按照厚度每增加
Iμ m，SiGe層中Ge組分增加10%的速度，逐漸提高SiGe層中Ge的組分，直到SiGe層中Ge的組分達(dá)到預(yù)期的值；然后固定該Ge組分值，繼續(xù)外延一層厚度在I 2 μ m的SiGe層，此時(shí)最上層的SiGe層基本上達(dá)到100%弛豫，而且缺陷主要集中在下層的漸變緩沖層中 ’最后在弛豫SiGe層上外延應(yīng)變Si薄層，該層缺陷密度較低，而且面內(nèi)晶格常數(shù)(平行于外延薄膜的平面上的晶格間距)同弛豫SiGe層保持一致。由于弛豫SiGe的晶格常數(shù)大于普通Si，此時(shí)外延的Si的晶格常數(shù)也大于 普通的Si襯底，即保持張應(yīng)變。不過，采用漸變緩沖的傳統(tǒng)方法外延弛豫SiGe層時(shí)需要花費(fèi)大量的時(shí)間。如果外延厚度高達(dá)幾個(gè)微米的SiGe,使用化學(xué)氣相沉積(CVD, chemical vapor deposition)方法或者物理氣相沉積(PVD, physical vapor deposition)方法進(jìn)行外延時(shí),往往都需要幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間；使用分子束外延(MBE, molecular beam epitaxy)方法,甚至需要十幾到幾十個(gè)小時(shí)的時(shí)間；而且如此長(zhǎng)時(shí)間的不間斷外延，在設(shè)備腔壁上會(huì)沉積很厚的SiGe層，該SiGe層很難清除，對(duì)設(shè)備的安全使用也會(huì)產(chǎn)生不利的影響。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中制備應(yīng)變Si需要花費(fèi)大量時(shí)間外延SiGe層的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，該方法至少包括以下步驟:I)，提供一 Si襯底，首先在所述Si襯底上外延一 Ge組分為x的SipxGex層，其中，
O< X < I ;其次在所述SihGex層上外延一 Si層，形成SihGeySi雙層薄膜；然后多次重復(fù)外延所述SihGex/Si雙層薄膜，在所述Si襯底上制備出超晶格；形成包括至少一種所述超晶格的超晶格層組；2)，在所述超晶格層組上外延Ge組分為y的Si^Gey層，其中，O <y< 1，并使所述Sii_yGey層弛豫以形成弛豫Sii_yGey層，由所述超晶格層組和弛豫Si^yGey層構(gòu)成虛襯底；3)，在所述弛豫SipyGey層上外延一 Si層，以完成應(yīng)變Si的制備。
可選地，于所述步驟I)中的超晶格層組包括兩種超晶格時(shí)，包括以下步驟:1-1)，提供一 Si襯底，首先在所述Si襯底上外延一 Ge組分為x的Si^Gex層，其中，O < X < I，其次在所述Si^Gex層上外延一 Si層，形成SihGexZiSi雙層薄膜，然后多次重復(fù)外延所述SihGexZiSi雙層薄膜，在所述Si襯底上制備出第一種超晶格；1-2)，依據(jù)所述步驟1-1)中制備所述第一種超晶格的相同手段，在所述第一種超晶格上制備出Ge組分X取值互不相同的第二種超晶格，且同一種超晶格中Ge組分x取值相同，以形成由所述第一種超晶格和第二種超晶格組成的超晶格層組。可選地，于所述步驟I)中的超晶格層組包括兩種以上超晶格時(shí)，包括以下步驟:1-1)，提供一 Si襯底，首先在所述Si襯底上外延一 Ge組分為x的Si^Gex層，其中，O < X < I，其次在所述Si^Gex層上外延一 Si層，形成SihGexZiSi雙層薄膜，然后多次重復(fù)外延所述SihGexZiSi雙層薄膜，在所述Si襯底上制備出第一種超晶格；1-2)，依據(jù)所述步驟1-1)中制備所述第一種超晶格的相同手段，在所述第一種超晶格上依次制備出Ge組分X取值互不相同的第二種超晶格至第η種超晶格，且同一種超晶格中Ge組分X取值相同，以形成由所述第一種超晶格至第η種超晶格組成的超晶格層組，其中，η的范圍是3 10?？蛇x地，所述步驟I)至步驟3)中是采用化學(xué)氣相沉積方法、物理氣相沉積方法或者分子束外延方法進(jìn)行外延的?？蛇x地,在所述SihGeySi雙層薄膜中，所述SihGex層的厚度范圍是I IOOnm,所述Si層的厚度范圍是I IOOnm ;多次重復(fù)外延所述SihGe^Si雙層薄膜時(shí)，所述重復(fù)次數(shù)范圍是2 50次。 可選地，所述步驟2)還包括:在形成所述虛襯底后，將所述Si襯底和所述虛襯底在750 850°C溫度下退火I 10分鐘，使所述弛豫Si1Jey層進(jìn)一步弛豫。可選地，所述步驟2)還包括:在形成所述虛襯底后，將He離子以5X IO15 3 X IO16CnT2的劑量，以30 150keV的能量注入到所述虛襯底中，將所述Si襯底和所述虛襯底在800 900°C溫度下退火I 10分鐘，使所述弛豫Si^Gey層進(jìn)一步弛豫?？蛇x地，所述步驟3)還包括:在形成所述應(yīng)變Si后，將所述Si襯底、所述虛襯底和所述應(yīng)變Si在750 850°C溫度下退火I 10分鐘，進(jìn)一步弛豫所述弛豫SVyGey層以使所述應(yīng)變Si的張應(yīng)變進(jìn)一步增大?？蛇x地，所述步驟3)還包括:在形成所述應(yīng)變Si后，將He離子以5X IO15 3 X IO16CnT2的劑量，以30 150keV的能量注入到所述虛襯底中，將所述Si襯底、所述虛襯底和所述應(yīng)變Si在800 900°C溫度下退火I 10分鐘，進(jìn)一步弛豫所述弛豫SipyGey層以使所述應(yīng)變Si的張應(yīng)變進(jìn)一步增大?？蛇x地,所述步驟3)中的Si層的厚度范圍是3 50nm。如上所述，本發(fā)明嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，具有以下有益效果:使用本發(fā)明嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si時(shí)，只需要在Si襯底上外延厚度為一微米左右的虛襯底，而后再制備出應(yīng)變Si。相對(duì)于制備應(yīng)變Si的傳統(tǒng)方法需要在Si襯底上外延幾微米甚至十幾微米的緩沖層后再制備出弛豫SiGe層和應(yīng)變Si，本發(fā)明通過降低制備應(yīng)變Si所需的虛襯底厚度，大大節(jié)省了外延所需要的時(shí)間，不僅降低了外延所需要的成本，而且減少了由于外延設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不間斷進(jìn)行外延而造成的安全隱患。


圖1至圖3顯示為本發(fā)明嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法在實(shí)施例一中的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4和圖5顯示為本發(fā)明嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法在實(shí)施例二中的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6和圖7顯示 為本發(fā)明嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法在實(shí)施例三中的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8和圖9顯示為本發(fā)明嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法在實(shí)施例四中的結(jié)構(gòu)示意圖。元件標(biāo)號(hào)說明ISi 襯底2111SihGex 層、Sih1Gexl 層2112SihGex 層上的 Si 層、SihlGexl 層上的 Si 層211、212、213、214Sih1GexlZSi 雙層薄膜221、222、223、224Sih2Gex2/Si 雙層薄膜21 29超晶格3弛豫 SLyGey 層4應(yīng)變 Si5虛襯底
具體實(shí)施例方式以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。本發(fā)明提供一種嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，該方法首先在Si襯底上外延一 Ge組分為X的SihGex層，其次在所述SipxGex層上外延一 Si層，形成SihGe^Si雙層薄膜，然后多次重復(fù)外延所述SihGexZiSi雙層薄膜，在所述Si襯底上制備出超晶格，形成包括至少一種所述超晶格的超晶格層組，接著在所述超晶格層組上外延一 Ge組分為Y的Sii_yGey層并使所述Sii_yGey層弛豫以形成弛豫Si^yGey層，由所述超晶格層組和弛豫SipyGey層構(gòu)成虛襯底，最后在所述弛豫SipyGey層上外延一 Si層，以完成應(yīng)變Si的制備。請(qǐng)參閱圖1至圖9。需要說明的是，以下具體實(shí)例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。實(shí)施例一如圖1至圖3所示，本發(fā)明提供一種嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，該方法至少包括以下步驟:
如圖1所示，首先執(zhí)行步驟I)，提供一 Si襯底1，采用化學(xué)氣相沉積方法、物理氣相沉積方法或者分子束外延方法，首先在所述Si襯底I上外延一 Ge組分為X的厚度為Tsice 的 SihGex 層 2111，其中，I 彡 TsieeS IOOnm,O < x < 1，具體地，x = 0.25 為優(yōu)選值;其次在所述SihGex層2111外延一厚度為Tsi的Si層2112，其中，I ( Tsi ( IOOnm,以形成Si1^xGeysi雙層薄膜211，然后多次重復(fù)外延(即本實(shí)施例一中以m為周期進(jìn)行周期外延)所述SihGexZiSi雙層薄膜211，其中周期m的范圍是2彡m彡50，且m為正整數(shù)，以在所述Si襯底I上制備出超晶格21,形成包括一種所述超晶格21的超晶格層組。需要特別說明的是，為了便于理解，在本實(shí)施例一中，具體的實(shí)施過程以所述周期m = 4為例進(jìn)行簡(jiǎn)化說明，但并非將所述周期m局限于本實(shí)施例一中的m = 4，m也可以取值為5，10等等。因此，在本實(shí)施例一中，如圖1所示，所述超晶格層組只包含一種超晶格，即所述超晶格21，所述Si^GeySi雙層薄膜(以下簡(jiǎn)稱“雙層薄膜”)211、212、213和214組成所述超晶格21。在本實(shí)施例一中，所述雙層薄膜211中，T1siee = IOnm, T1si = IOnm ;所述雙層薄膜
212中，T11sice = IOnm, T11si = IOnm ;所述雙層薄膜 213 中，T111sice = IOnm, T111si = IOnm ;所述雙層薄膜214中，Tivsiee = 10nm,TivSi = IOnm ;需要特殊說明的是，“周期外延”時(shí)，各個(gè)雙層薄膜中所述SihGex的Ge組分x保持一致，各個(gè)所述雙層薄膜中所述SipxGex層的厚度取值相等，所述Si層的厚度取值也相等，但是所述SihGex層與所述Si層的厚度取值并沒有相關(guān)性，既可以相等也可以不相等，具體地，在本實(shí)施例一中，周期Hi = AWJisife = Tiisife=Tiiisice = Tivsice7Tisi = Tiisi = Tiiisi = Tivsi，但 Tisiee 與 Tisi 的取值既可以相等也可以互不相等。接著執(zhí)行步驟2)。如圖2所示，在步驟2)中，采用化學(xué)氣相沉積方法、物理氣相沉積方法或者分子束外延方法，在所述超晶格層組上外延Ge組分為y厚度為Ty的SipyGey層3，其中，0<y<l，200 < Ty < IOOOnm,具體地，y = 0.25為優(yōu)選值，Ty = 500nm為優(yōu)選值，并使所述Si^yGey層3產(chǎn)生弛豫以形成弛豫Sii_yGey層3，由所述超晶格層組(即所述超晶格21)和弛豫S^Gey層3組成虛襯底5。需要說明的是，雖然在本實(shí)施例一中的所述Si1Jex層2111的Ge組分x和所述SipyGey層3的Ge組分y取值相等(x = y = 0.25),但是Ge組分x和y的取值并沒有相關(guān)性，既可以相等也可以不相等。需要特殊說明的是，由于現(xiàn)在研究和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在Si襯底上外延一固定Ge組分a的SiGe薄膜的時(shí)候,所述外延SiGe薄膜存在一個(gè)臨界厚度h。,當(dāng)所述外延SiGe薄膜厚度小于所述臨界厚度h。的時(shí)候，所述外延SiGe薄膜是完全應(yīng)變的；當(dāng)所述外延SiGe薄膜厚度大于所述臨界厚度h。的時(shí)候，所述外延SiGe薄膜是弛豫的。其中，所述臨界厚度h。隨所述外延SiGe薄膜中Ge的組分a的增加而降低,具體地,所述臨界厚度h。與Ge組分a的關(guān)系為 h。^ 0.0234/(1+0.04a)2Xln (he/4)(請(qǐng)參閱文獻(xiàn)“People R and Bean J C.[J]Appl.Phys.Lett.，1985，47 (3):322 324.”)。在本實(shí)施例一中，所述 SLyGey 層 3 的 Ge組分y = 0.25，厚度為200 < Ty < IOOOnm,具體地，Ty = 500nm時(shí)，所述SLyGey層3已經(jīng)超過臨界厚度，則所述Sii_yGey層3 會(huì)發(fā)生弛豫，即生成所述弛豫Sii_yGey層3。另外，由于位于所述弛豫SipyGey層3下面的所述超晶格層組(即所述超晶格21)可以有效抑制缺陷，使得大部分缺陷集中在所述超晶格層組(即所述超晶格21)中，因此，所述弛豫Sii_yGey層3可以保持較好的晶體質(zhì)量。在本實(shí)施例一中，所述步驟2)還包括:在形成所述虛襯底5后，將所述Si襯底I和所述虛襯底5在750 850°C溫度下退火I 10分鐘，使所述弛豫SVyGey層3進(jìn)一步弛豫，其中，優(yōu)選溫度為800°C，優(yōu)選時(shí)間為5分鐘。在其他的實(shí)施方式中，所述步驟2)還包括:在形成所述虛襯底5后，將He離子以5 X IO15 3 X IO16CnT2的劑量，以30 150keV的能量注入到所述虛襯底5中，將所述Si襯底I和所述虛襯底5在800 900°C溫度下退火I 10分鐘，使所述弛豫Si^Gey層3進(jìn)一步弛豫，其中，優(yōu)選溫度為850°C，優(yōu)選時(shí)間為2分鐘，He離子優(yōu)選劑量為IX 1016cm_2，由于優(yōu)選的注入能量依據(jù)Ty的不同而不一樣，針對(duì)優(yōu)選值Ty = 500nm的情況，優(yōu)選注入能量為80kev。接著進(jìn)行步驟3)。如圖3所示，在步驟3)中，在所述弛豫SipyGey層3上外延一厚度為TJ^Si層4，其中，3≤Tz≤50nm，優(yōu)選值Tz = 20nm,由于所述Si^yGey層3是弛豫的，最后外延的所述Si層4保持張應(yīng)變，即所述Si層4成為應(yīng)變Si層4，以完成應(yīng)變Si的制備。在本實(shí)施例一中，所述步驟3)還包括:在形成所述應(yīng)變Si層4后，將所述Si襯底
1、所述虛襯底5和所述應(yīng)變Si層4在750 850°C溫度下退火I 10分鐘，其中，優(yōu)選溫度為800°C，優(yōu)選時(shí)間為5分鐘，進(jìn)一步弛豫所述弛豫SipyGey層3以使所述應(yīng)變Si層4的張應(yīng)變進(jìn)一步增大。在其他的實(shí)施方式中，所述步驟3)還包括:在形成所述應(yīng)變Si層4后，將He離子以5 X IO15 3 X IO16CnT2的劑量，以30 150keV的能量注入到所述虛襯底5中，將所述Si襯底1、所述虛襯底5和所述應(yīng)變Si層4在800 900°C溫度下退火I 10分鐘，進(jìn)一步弛豫所述弛豫SipyGey層3以使所述應(yīng)變Si層4的張應(yīng)變進(jìn)一步增大，其中，優(yōu)選溫度為850°C，優(yōu)選時(shí)間為2分鐘，He離子優(yōu)選劑量為lX1016cm_2，由于優(yōu)選的注入能量依據(jù)Ty的不同而不一樣，針對(duì)優(yōu)選值Ty = 500nm的情況,優(yōu)選注入能量為80kev。相對(duì)于傳統(tǒng)方法需要外延幾微米甚至十幾微米的緩沖層而后再制備出弛豫SiGe層和應(yīng)變Si，使用本發(fā)明嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si時(shí)，只需在Si襯底上外延厚度為一微米左右的虛襯底，而后再制備出應(yīng)變Si。本發(fā)明通過降低制備應(yīng)變Si所需的虛襯底厚度，可以大大節(jié)省外延時(shí)間，降低成本。實(shí)施例二實(shí)施例二與實(shí)施例一采用基本相同的技術(shù)方案，不同之處在于二者制備的超晶格層組包括的超晶格不同。在實(shí)施例一中，所述超晶格層組只包括一種超晶格(即所述超晶格21),而在本實(shí)施例_■中，超晶格層組包括兩種超晶格(即超晶格21和超晶格22)。請(qǐng)參閱圖4至圖5，本發(fā)明提供一種嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，該方法至少包括以下步驟:如圖4所示，首先執(zhí)行步驟I)中的步驟1-1)，提供一 Si襯底1，采用化學(xué)氣相沉積方法、物理氣相沉積方法或者分子束外延方法，首先在所述Si襯底I上外延一 Ge組分為 Xl 厚度為 Tsieel 的 Si^1Gexl 層 2111，其中，I 彡 TSiGel ( IOOnm,O < xl < 1，具體地，Xl = 0.20為優(yōu)選值，其次在所述Si^1Gexl層2111上外延一厚度為Tsil的Si層2112，其中，I彡Tsil ( IOOnm,以形成SiyGe^Si雙層薄膜211，然后多次重復(fù)外延(即本實(shí)施例二中以ml為周期進(jìn)行周期外延)所述Sih1GeJSi雙層薄膜211，其中周期ml的范圍是2^ ml ^ 50，且ml為正整數(shù)，以在所述Si襯底上制備出第一種超晶格21。需要特別說明的是，為了便于理解，在本實(shí)施例二中，具體的實(shí)施過程以所述周期ml = 4為例進(jìn)行簡(jiǎn)化說明,但并非將所述周期ml局限于本實(shí)施例二中的ml = 4, ml也可以取值為5，10等等。因此，在本實(shí)施例二中，如圖4所示，所述超晶格層組21是由所述Sih1GexlZiSi 雙層薄膜 211、212、213 和 214 組成。在本實(shí)施例二中,所述Sih1GexlZSi 雙層薄膜 211 中，T1sicel = IOnm, T1sil = IOnm ；所述 SVxiGexl/Si 雙層薄膜 212 中,T11sicel = IOnm, T11sil = IOnm ;所述 S“_xlGexl/Si 雙層薄膜
213中，Tiiisicel = IOnm, Tiiisil = IOnm ;所述 SUeJSi 雙層薄膜 214 中，Tivsicel = IOnm,Tivsil = IOnm;需要特殊說明的是，“周期外延”時(shí)，各個(gè)所述Sih1GexlZiSi雙層薄膜中所述Sih1Gexl的Ge組分xl保持一致，各個(gè)所述Si^Ge^Si雙層薄膜中所述Sih1Gexl層的厚度取值相等，所述Si層的厚度取值也相等，但是所述Sih1Gexl層與所述Si層的厚度取值并沒有相關(guān)性，既可以相等也可以不相等，具體地，在本實(shí)施例二中，周期ml = 4時(shí)，Tisicel =T11SiGel = T111siGel = T^siGel T1gil = T11gn = Tlll5n = T1、i,但 T1sicel 與 T1fjn 的取值既可以相等也可以互不相等。接著執(zhí)行步驟1-2)。如圖4所示，在步驟1-2)中，依據(jù)所述步驟1-1)中制備所述第一種超晶格21的相同手段，在所述第一種超晶格21上制備出Ge組分為x2的第二種超晶格22，其中，
I( Tsice2 ( lOOnm, I ( Tsi2 ( IOOnm,多次重復(fù)外延(即本實(shí)施例二中以m2為周期進(jìn)行周期外延)，周期m2的范圍是2彡m2 ( 50，且m2為正整數(shù)，O < x2 < I,以形成由所述第一種超晶格21和第二種超晶格22組成的超晶格層組，具體地，x2 = 0.25為優(yōu)選值，周期ml=m2 = 4。

在本實(shí)施例二中，對(duì)于所述第二種超晶格22，Sih2Gex2ZiSi雙層薄膜221中，Tisice2=IOnm7T1si2 = IOnm ;Si^x2Gex2ZSi 雙層薄膜 222 中，T11sice2 = IOnm7T11si2 = IOnm !Sih2Gex2/Si 雙層薄膜 223 中，Tmsice2 = IOnm, Tiiisi2 = IOnm ；Si1^x2Gex2ZSi 雙層薄膜 224 中，Tivsice2 =IOnm, Tivsi2 = IOnm ;需要特殊說明的是，“周期外延”時(shí)，各個(gè)所述Si^Ge^Si雙層薄膜中Sih2Gex2的Ge組分x2保持一致，各個(gè)所述Si^2Gex2ZiSi雙層薄膜中所述Sipx2Gex2層的厚度取值相等，Si層的厚度取值也相等，但是所述Sih2Gex2與所述Si層的厚度取值并沒有相關(guān)性，即在本實(shí)施例二中，周期 m2 = 4 時(shí)，Tisiee2 = Tiisice2 = Tiiisice2 = Tivsice2, Tisi2 = Tiisi2=Tiiisi2 = Tivsi2，但Tisifc2與Tisi2的取值既可以相等也可以互不相等。另外，需要進(jìn)一步說明的是，A),所述第一種超晶格21中每個(gè)所述Sih1GexlZ^i雙層薄膜Ge組分xl取值相同，其中O < xl < I，所述第二種超晶格22中每個(gè)所述Sipx2Gex2/Si雙層薄膜Ge組分x2取值相同,其中O < x2 < I且xl古x2 ;B),所述第一種超晶格21采用所述周期ml進(jìn)行“周期外延”，所述第2種超晶格22采取周期m2進(jìn)行“周期外延”，在本實(shí)施例二中，雖然所述周期ml = m2 = 4，但并非將所述周期ml和m2局限于此，其中，所述周期ml和m2均為正整數(shù)，且2彡ml彡50，2彡m2彡50，但所述周期ml和m2的取值并不存在相關(guān)性，即所述周期ml和m2的取值可以相等也可以不相等；C)，對(duì)于所述超晶格21和22而言，所述超晶格21的各個(gè)所述Sih1GeJSi雙層薄膜的厚度取值與所述超晶格22的各個(gè)所述Sih2Gex2/Si雙層薄膜的厚度取值并沒有相關(guān)性，具體地，在本實(shí)施例二中，所述周期 ml = m2 = 4 時(shí)，所述超晶格 21 中 T1sicel = T11sicel = T111sicel = TlvSiGel, T1sil = T11siI=T111sil = Tlvsini^f述超晶格 22 中 T1sice2 = T11sice2 = T111sice2 = TlvSiGe2, T1si2 = T11si2 = T111si2=Tivsi2，但是TisiWTisiPTisit^Tisi2的任意兩個(gè)取值可以相等也可以互不相等。如圖5所示，接著執(zhí)行與實(shí)施例一中基本相同的步驟2)和步驟3)，不同之處在于:本實(shí)施例二中，所述步驟2)中的虛襯底5由所述超晶格層組和弛豫SipyGey層3組成的，其中，所述超晶格層組包括第一種超晶格21和所述第二種超晶格22。由于位于所述弛豫SipyGey層3下面的所述超晶格層組(包括所述第一種超晶格21和所述第二種超晶格22)可以有效抑制缺陷，使得大部分缺陷集中在所述超晶格層組(包括所述第一種超晶格21和所述第二種超晶格22)中，因此，所述弛豫SipyGey層3可以保持較好的晶體質(zhì)量。相對(duì)于傳統(tǒng)方法需要外延幾微米甚至十幾微米的緩沖層而后再制備出弛豫SiGe層和應(yīng)變Si，使用本發(fā)明嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si時(shí)，只需在Si襯底上外延厚度為一微米左右的虛襯底，而后再制備出應(yīng)變Si。本發(fā)明通過降低制備應(yīng)變Si所需的虛襯底厚度，可以大大節(jié)省外延時(shí)間，降低成本。

實(shí)施例三實(shí)施例三與實(shí)施例一、實(shí)施例二米用基本相同的技術(shù)方案，不同之處在于三者制備超晶格層組包括的超晶格不同。在實(shí)施例一中，所述超晶格層組只包括一種超晶格(即所述超晶格21)，在實(shí)施例二中，所述超晶格層組包括兩種超晶格(即所述超晶格21和所述超晶格22),而在本實(shí)施例二中，超晶格層組包括五種超晶格(即超晶格21至超晶格25)。請(qǐng)參閱圖6至圖7，本發(fā)明提供一種嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，該方法至少包括以下步驟:如圖6所示，執(zhí)行與實(shí)施例二中基本相同的步驟I)中的步驟1-1)，不同之處在于:Ge組分為xl = 0.05,多次重復(fù)外延(即本實(shí)施例三中以ml為周期進(jìn)行周期外延)，ml =
4。接著執(zhí)行步驟1-2)。如圖6所示，在步驟1-2)中，依據(jù)所述步驟1-1)中制備所述第一種超晶格21的相同手段，在所述第一種超晶格21上依次制備出Ge組分X取值互不相同的第二種超晶格至第η種超晶格,且同一種超晶格中Ge組分X取值相同,其中，O < xl ^ x2 ^ x3...^ χη
<I (即xl至χη中任意兩個(gè)互不相等,且xl至χη均屬于O I之間)，η范圍是3 10,多次重復(fù)外延(以m2、m3至mn為周期進(jìn)行周期外延)，周期m2至mn的范圍均在2 50,且m2至mn均為正整數(shù)，每種超晶格的各個(gè)雙層薄膜中的SihnGexnOi為I 10)層和Si層的厚度范圍均在I lOOnm，以形成由所述第一種超晶格21至第η種超晶格2η組成的超晶格層組，在本實(shí)施例三中，η = 5,以m2、m3、m4、m5為周期進(jìn)行周期外延，ml = m2 = m3 =m4 = m5 = 4, x2 = 0.10, x3 = 0.15, x4 = 0.20, x5 = 0.25, Tmsicen = Tmsin = IOnm,其中 m=i，ii，iii，iv, n = 1,2,3,4,5,即所述超晶格層組包括所述超晶格21至25。需要具體說明的是，在本實(shí)施例三中，形成各個(gè)所述超晶格21至25時(shí)，各個(gè)所述“周期外延”的所述周期為ml至m5且取值均為4，但并非將所述周期ml至m5局限于此，其中，所述周期ml至m4均為正整數(shù),且ml至m5的范圍都是2 50,但所述周期ml至m5的取值并不存在相關(guān)性，即所述周期ml至m5的取值可以相等也可以不相等；在所述超晶格21至25中，“周期外延”的各個(gè)雙層薄膜形成同一種所述超晶格時(shí)，所述雙層薄膜的厚度取值相同，但是所述雙層薄膜中SihnGexnOi = 1,2,3,4,5)層與所述Si層厚度取值并沒有相關(guān)性，既可以相等也可以互不相等；在所述超晶格21至25中，不同種所述超晶格間的雙層薄膜的厚度沒有相關(guān)性；具體地，在本實(shí)施例三中，所述周期ml至m5取值均為4時(shí)，所述超晶格 21 至 25 中，對(duì)于每一個(gè)確定的 η 值(n = 1，2，3，4，5)，Tisicen = Tiisicen = Tiiisicen =
rpivrpi _ rpii _ rpiii _ rpiv /r~t 円.rpirpirpirpirpirpi rpi rpi
1 SiGenj 1 Sin — 1 Sin — 1 Sin — 1 Sinj 1H/E I SiGelΛ 1 SiGe2、1 SiGe3、1 SiGe4、1 SiGe5、1 SilΛ 1 Si2、1 Si3、
TisiPTisi5中任意兩個(gè)的取值可以相等也可以互不相等。如圖7所示，接著執(zhí)行與實(shí)施例一中基本相同的步驟2)和步驟3)，不同之處在于:本實(shí)施例三中，所述步驟2)中的虛襯底5由所述超晶格層組和弛豫SipyGey層3組成的，其中，所述超晶格層組包括所述超晶格21至25。由于位于所述弛豫311_#\層3下面的所述超晶格層組(包括所述超晶格21至25)可以有效抑制缺陷，使得大部分缺陷集中在所述超晶格層組(包括所述超晶格21至25)，因此，所述弛豫Sii_yGey層3可以保持較好的晶體質(zhì)量。相對(duì)于傳統(tǒng)方法需要外延幾微米甚至十幾微米的緩沖層而后再制備出弛豫SiGe層和應(yīng)變Si，使用本發(fā)明嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si時(shí)，只需在Si襯底上外延厚度為一微米左右的虛襯底，而后再制備出應(yīng)變Si。本發(fā)明通過降低制備應(yīng)變Si所需的虛襯底厚度，可以大大節(jié)省外延時(shí)間，降低成本。實(shí)施例四實(shí)施例四與實(shí)施例一、實(shí)施例二、實(shí)施例三采用基本相同的技術(shù)方案，不同之處在于四者制備的超晶格層 組包括的超晶格不同。在實(shí)施例一中，所述超晶格層組只包括一種超晶格(即所述超晶格21)，在實(shí)施例二中，所述超晶格層組包括兩種超晶格(即所述超晶格21和所述超晶格22),在實(shí)施例二中，所述超晶格層組包括五種超晶格(即所述超晶格21至所述超晶格25)，而在本實(shí)施例四中，超晶格層組包括九種超晶格(即超晶格21至29)。請(qǐng)參閱圖8至圖9，本發(fā)明提供一種嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，該方法至少包括以下步驟:如圖8所示，執(zhí)行與實(shí)施例三中基本相同的步驟I)中的步驟1-1)和步驟1-2)，不同之處在于:在本實(shí)施例四中，η = 9,以ml、m2、m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9為周期進(jìn)行周期夕卜延，ml = m2 = m3 = m4 = m5 = m6 = m7 = m8 = m9 = 3, Ge 組分為 xl = 0.05, x2 =
0.08, x3 = 0.11, x4 = 0.14, x5 = 0.17, x6 = 0.20, x7 = 0.23, x8 = 0.26, x9 = 0.29,Tmsicen = Tmsin = IOnm,其中 m = i, ii, iii, n = 1,2,...,8,9。需要具體說明的是，在本實(shí)施例四中，形成各個(gè)所述超晶格21至29時(shí)，各個(gè)所述“周期外延”的所述周期為ml至m9且取值均為3，但并非將所述周期ml至m9局限于此，其中，所述周期ml至m9均為正整數(shù),且ml至m9的范圍都是2 50,但所述周期ml至m9的取值并不存在相關(guān)性，即所述周期ml至m9的取值可以相等也可以不相等；在所述超晶格21至29中，“周期外延”的各個(gè)雙層薄膜形成同一種所述超晶格時(shí)，所述雙層薄膜的厚度取值相同，但是所述雙層薄膜中SihnGexnO1 = 1,2,...,8,9)層與所述Si層厚度取值并沒有相關(guān)性，既可以相等也可以互不相等；在所述超晶格21至29中，不同種所述超晶格間的雙層薄膜的厚度沒有相關(guān)性；具體地，在本實(shí)施例四中，所述周期ml至m9取值均為3時(shí)，所述超晶格 21 至 29 中，對(duì)于每一個(gè)確定的 η 值(η = 1，2，...，8，9)，Tisieen = Tiisicen = Tiiisicen,
rpi _ rpii _ rpiii/r~i 円.rpirpirpirpirpirpirpirpirpirpi
1 Sin — 1 Sin — 1 Sinj 1H/E I SiGelΛ 1 SiGe2、1 SiGe3、1 SiGe4、1 SiGe5、1 SiGe6、1 SiGe7、1 SiGe8、1 SiGe9、1 Sil、Tisi2' Tisi3^ Tisi4, Tisi5, Tisi6, Tisi7, Tisi8, Tisi9中任意兩個(gè)的取值可以相等也可以互不相等。如圖9所示，接著執(zhí)行與實(shí)施例一中基本相同的步驟2)和步驟3)，不同之處在于:本實(shí)施例四中，所述步驟2)中的虛襯底5由所述超晶格層組和弛豫SipyGey層3組成的，其中，所述超晶格層組包括所述超晶格21至29。由于位于所述弛豫311_#\層3下面的所述超晶格層組(包括所述超晶格21至29)可以有效抑制缺陷，使得大部分缺陷集中在所述超晶格層組(包括所述超晶格21至29)中，因此，所述弛豫SipyGey層3可以保持較好的晶體質(zhì)量。綜上所述，使用本發(fā)明嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si時(shí)，只需在Si襯底上外延厚度為一微米左右的虛襯底，而后再制備出應(yīng)變Si。相對(duì)于制備應(yīng)變Si的傳統(tǒng)方法需要在Si襯底上外延幾微米甚至十幾微米的緩沖層后再制備出弛豫SiGe層和應(yīng)變Si，本發(fā)明通過降低制備應(yīng)變Si所需的虛襯底厚度，大大節(jié)省了外延所需要的時(shí)間，不僅降低了外延所需要的成本，而且減少了由于外延設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不間斷進(jìn)行外延而造成的安全隱患。上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或 改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，其特征在于，該方法至少包括以下步驟: 1)，提供一Si襯底，首先在所述Si襯底上外延一 Ge組分為X的Si^Gex層，其中，O < x<I ;其次在所述SihGex層上外延一 Si層，形成SihGexZiSi雙層薄膜；然后多次重復(fù)外延所述SihGexZiSi雙層薄膜，在所述Si襯底上制備出超晶格；形成包括至少一種所述超晶格的超晶格層組； 2)，在所述超晶格層組上外延Ge組分為y的Si^yGey層，其中，O< y < 1，并使所述SipyGey層弛豫以形成弛豫Sii_yGey層，由所述超晶格層組和弛豫Si^yGey層構(gòu)成虛襯底； 3)，在所述弛豫SipyGey層上外延一Si層，以完成應(yīng)變Si的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，其特征在于:于所述步驟I)中的超晶格層組包括兩種超晶格時(shí)，包括以下步驟: 1-1)，提供一 Si襯底，首先在所述Si襯底上外延一 Ge組分為X的Si^Gex層，其中，O<X < 1，其次在所述Si^Gex層上外延一 Si層，形成SihGejZSi雙層薄膜，然后多次重復(fù)外延所述SihGexZiSi雙層薄膜，在所述Si襯底上制備出第一種超晶格； 1-2)，依據(jù)所述步驟1-1)中制備所述第一種超晶格的相同手段，在所述第一種超晶格上制備出Ge組分X取值互不相同的第二種超晶格，且同一種超晶格中Ge組分x取值相同，以形成由所述第一種超晶格和第二種超晶格組成的超晶格層組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，其特征在于:于所述步驟I)中的超晶格層組包括兩種以上超晶格時(shí)，包括以下步驟: 1-1)，提供一 Si襯底 ，首先在所述Si襯底上外延一 Ge組分為X的Si^Gex層，其中，O<X < 1，其次在所述Si^Gex層上外延一 Si層，形成SihGejZSi雙層薄膜，然后多次重復(fù)外延所述SihGexZiSi雙層薄膜，在所述Si襯底上制備出第一種超晶格； 1-2)，依據(jù)所述步驟1-1)中制備所述第一種超晶格的相同手段，在所述第一種超晶格上依次制備出Ge組分X取值互不相同的第二種超晶格至第η種超晶格，且同一種超晶格中Ge組分X取值相同，以形成由所述第一種超晶格至第η種超晶格組成的超晶格層組，其中，η的范圍是3 10。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、或3所述的嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，其特征在于:所述步驟I)至步驟3)中是采用化學(xué)氣相沉積方法、物理氣相沉積方法或者分子束外延方法進(jìn)行外延的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、或3所述的嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，其特征在于:在所述SihGeySi雙層薄膜中，所述SihGex層的厚度范圍是I lOOnm，所述Si層的厚度范圍是I IOOnm ;多次重復(fù)外延所述SihGe^Si雙層薄膜時(shí)，所述重復(fù)次數(shù)范圍是2 50次。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，其特征在于，所述步驟2)還包括:在形成所述虛襯底后，將所述Si襯底和所述虛襯底在750 850°C溫度下退火I 10分鐘，使所述弛豫SipyGey層進(jìn)一步弛豫。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，其特征在于，所述步驟2)還包括:在形成所述虛襯底后，將He離子以5X IO15 3X IO16CnT2的劑量，以30 150keV的能量注入到所述虛襯底中，將所述Si襯底和所述虛襯底在800 900°C溫度下退火I 10分鐘，使所述弛豫SipyGey層進(jìn)一步弛豫。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，其特征在于，所述步驟3)還包括:在形成所述應(yīng)變Si后，將所述Si襯底、所述虛襯底和所述應(yīng)變Si在750 850°C溫度下退火I 10分鐘，進(jìn)一步弛豫所述弛豫SVyGey層以使所述應(yīng)變Si的張應(yīng)變進(jìn)一步增大。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，其特征在于，所述步驟3)還包括:在形成所述應(yīng)變Si后，將He離子以5 X IO15 3 X IO16CnT2的劑量，以30 150keV的能量注入到所述虛襯底中，將所述Si襯底、所述虛襯底和所述應(yīng)變Si在800 900°C溫度下退火I 10分鐘，進(jìn)一步弛豫所述弛豫SipyGey層以使所述應(yīng)變Si的張應(yīng)變進(jìn)一步增大。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，其特征在于:所述步驟3)中的Si層的厚度范圍是3 50nm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種嵌入超晶格層組制備應(yīng)變Si的方法，該方法首先在Si襯底上外延一Ge組分為x的Si1-xGex層，其次在所述Si1-xGex層上外延一Si層，形成Si1-xGex/Si雙層薄膜，然后多次重復(fù)外延所述Si1-xGex/Si雙層薄膜，在所述Si襯底上制備出超晶格，形成包括至少一種所述超晶格的超晶格層組，接著在所述超晶格層組上外延一Ge組分為y的Si1-yGey層并使所述Si1-yGey層弛豫以形成弛豫Si1-yGey層，由所述超晶格層組和弛豫Si1-yGey層構(gòu)成虛襯底，最后在所述弛豫Si1-yGey層上外延一Si層，以完成應(yīng)變Si的制備。本發(fā)明通過降低制備應(yīng)變Si所需的虛襯底厚度，大大節(jié)省了外延所需要的時(shí)間，不僅降低了外延所需要的成本，而且減少了由于長(zhǎng)時(shí)間不間斷進(jìn)行外延而對(duì)外延設(shè)備造成的損傷。
文檔編號(hào)H01L21/02GK103165409SQ20111041935
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者薛忠營(yíng), 張苗, 狄增峰, 魏星, 陳達(dá) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所