專利名稱：硅基納米陣列圖形化襯底及硅基外延層的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種圖形化襯底的制備方法，特別是涉及一種硅基納米陣列圖形化襯底及硅基外延層的制備方法。
背景技術：
隨著半導體器件尺寸的縮小，傳統(tǒng)的體硅材料正接近其物理極限，Ge以及III-V族材料由于其高遷移率而受到廣泛關注.但是Ge以及III-V族的體材料價格昂貴，尺寸較小，且不能與硅基工藝兼容。在硅基上外延時，由于鍺以及III-V族材料與硅材料的晶格常數(shù)或熱膨脹系數(shù)的不匹配，外延制備的鍺以及πι-v族材料缺陷密度較高，外延厚度厚，導致高成本的情況下得到了低的器件性能。
為了抑制位錯的產(chǎn)生及滑移，得到低位錯密度、高晶體質(zhì)量的外延層，人們提出和發(fā)展一系列的圖形化襯底技術。這種技術的主要思想是通過各種手段在襯底表面預制圖形，有意識地改變外延層表面演化的動力學路徑。從圖形上來分，目前這種圖形化襯底技術主要包括兩類一是幾何圖形化，也就也就是使襯底表面具有幾何周期性結構來影響和控制量子點的生長。襯底表面的這種幾何圖形一般可以是晶體生長過程中形成的周期性臺階結構，也可以通過傳統(tǒng)的光刻或選擇性沉積生長得到。試驗表明把襯底表面預制成合適的幾何圖形，可在一定程度上改善量子點的均勻性和密度。例如G. Jin等在文獻(Controlledarrangement of self-organized Ge islands on patterned Si (001)substrates, Appl.Phys. Lett. 1999，75:2752)中通過選擇性沉積Si得到具有周期性分布的平臺結構，然后在這種圖形化的Si襯底上沉積Ge原子。在長條狀的平臺上發(fā)現(xiàn)Ge量子點會形成尺寸均勻，排列有序的一維結構，在方形平臺上，Ge量子點會優(yōu)先在平臺的四個角點形核長大，并形成有序結構。二是應變圖形化，也就是在襯底表面預制周期性的應變分布來影響和控制量子點的生長。然后，上述傳統(tǒng)的圖形化襯底的制備由于需要光刻以及刻蝕工藝，在增加了工藝復雜性的同時，也大大增加了生產(chǎn)成本。鑒于此，如何提出一種圖形化襯底的制備方法，并在利用該方法制備的圖形化襯底上制備出高質(zhì)量的外延層，以克服傳統(tǒng)制備方法中工藝復雜以及成本高的問題，成為亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種硅基納米陣列圖形化襯底及硅基外延層的制備方法，用于解決現(xiàn)有技術中工藝復雜以及成本高的問題。為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種硅基納米陣列圖形化襯底的制備方法，所述制備方法至少包括I)提供一娃襯底，在所述娃襯底上沉積一層金屬薄膜；2)將所述步驟I)中形成的結構放入HF溶液中進行化學催化腐蝕以形成硅納米點陣；3)將所述步驟2)中形成的結構放入腐蝕溶液中一定時間以去除附著在該納米點陣上的金屬顆粒；4)利用熱氧化工藝對所述硅納米點陣以及硅納米點陣所在的硅襯底表面進行氧化，以形成氧化硅納米點陣、或者被氧化硅層包裹的硅納米點陣；5)將所述步驟4)中 形成的結構放入HF腐蝕溶液中一定時間對熱氧化生成的氧化硅進行腐蝕，以形成硅基納米陣列圖形化襯底。可選地，所述步驟I)還包括1-1)提供一娃襯底，在所述娃襯底上沉積一層金屬薄膜；1-2)在真空、氮氣氣氛、或氬氣氣氛下，且在200°C 500°C溫度下退火，以在所述硅襯底表面形成均勻分布的金屬納米顆粒陣列?？蛇x地，所述步驟I)中金屬薄膜的材質(zhì)為銀、金或鉬。可選地，所述步驟I)中金屬薄膜的材質(zhì)為銀時，所述步驟3)中采用的腐蝕溶液為濃硝酸；所述步驟I)金屬薄膜的材質(zhì)為金或鉬時，所述步驟3)中采用的腐蝕溶液為王水?？蛇x地，在所述步驟2)和步驟5)中的腐蝕溶液中加入氟化銨以穩(wěn)定腐蝕速度。可選地，所述步驟2)中化學催化腐蝕的工藝條件為采用5mol/L的HF溶液，在20°C 80°C溫度下腐蝕Imin 50min,得到高度小于20 μ m的娃納米陣列。可選地，所述步驟4)的熱氧化工藝條件為在1000°C的溫度下，熱氧化150min。所述步驟5)中的硅基納米陣列圖形化襯底包括將所述硅襯底表面的氧化硅層完全去除，同時在所述硅襯底上形成氧化硅納米點陣、或者被氧化硅層包裹的硅納米點陣。此外，本發(fā)明還提供一種硅基外延層的制備方法，至少包括I)利用本發(fā)明上述制備方法制作出硅基納米陣列圖形化襯底；2)利用選擇性外延工藝在所述硅基納米陣列圖形化襯底上生長外延層?？蛇x地，所述外延層為Ge薄膜、III-V族化合物薄膜、或自下向上依次包括Ge薄膜和III-V族化合物薄膜的復合薄膜。如上所述，本發(fā)明的硅基納米陣列圖形化襯底及硅基外延層的制備方法，具有以下有益效果本發(fā)明利用化學催化腐蝕法制備出硅基納米陣列圖形化襯底，然后在所述硅基納米陣列圖形化襯底上外延Ge或III-V族化合物，從而可以得到低缺陷密度、高晶體質(zhì)量的Ge或III-V族化合物外延層。此外，本發(fā)明的制備工藝簡單，成本低，有利于推廣使用。


圖I顯示為本發(fā)明實施例I中的在硅襯底上制備金屬層后的工藝截面圖。圖2顯示為本發(fā)明實施例I中的對硅襯底進行化學催化腐蝕形成的硅納米陣列工藝截面圖。圖3a 3b顯示為本發(fā)明實施例I中的對硅襯底及硅納米陣列熱氧化后的工藝截面圖。其中圖3a為將硅納米陣列完全被氧化后的工藝截面圖；圖3b為硅納米陣列部分被氧化后的工藝截面圖。圖4a 4b顯示為本發(fā)明實施例I中最終形成硅基納米陣列圖形化襯底的工藝截面圖。其中，圖4a為最終形成的氧化硅納米陣列圖形化襯底；圖4b為最終形成的被氧化硅層包裹的硅納米陣列圖形化襯底。圖5a 5b顯示為本發(fā)明實施例2中在所述硅基納米陣列圖形化襯底上制備外延層后的工藝截面圖。其中圖5a為在氧化硅納米陣列圖形化襯底上制備外延層后的工藝截面圖；圖5b為在被氧化硅包括的硅納米陣列圖形化襯底上制備外延層后的工藝截面圖。元件標號說明10 硅襯底100 硅納米陣列11 金屬層 12 氧化硅層120 氧化硅納米陣列13 外延層
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術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)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖I至圖2、圖3a 3b、圖4a 4b以及圖5a 5b。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(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)也可能更為復雜。實施例I如圖所示，本實施例提供一種硅基納米陣列圖形化襯底的制備方法，包括以下步驟首先，如圖I所示，在步驟一中，提供一硅襯底10，該硅襯底的晶面為(100)，由于薄膜的晶向要與襯底IO表面晶向最匹配才能得以外延，在后續(xù)硅襯底IO的(100 )晶面上外延Ge時，更有利于釋放張應力，但并不限于此，在其它實施例中亦可選用其它晶面的硅襯底；然后利用真空蒸發(fā)或濺射工藝在所述硅襯底10上沉積一層金屬層11，該金屬層11的厚度為nm量級，從幾nm到幾百nm,例如厚度可以為2nm、10nm、50nm、IOOnm或200納米等。所述金屬層11的材質(zhì)可以為銀、金或鉬，本實施例中暫選為銀。需要說明的是，在所述步驟一之后，還可以把制備有金屬層11的硅襯底10進行高溫退火，具體工藝為在真空、氮氣氣氛、或氬氣氣氛下，且在200°C 500°C溫度下退火，以在所述硅襯底10表面形成均勻分布的金屬納米顆粒陣列(未示出)。但該高溫退火工藝為本實施例的非必要工藝，也可以省去。如圖2所示，在步驟二中，將沉積有金屬層11的硅襯底10放入一定濃度的HF溶液中，本實施例中采用5mol/L的HF溶液，但并不限于此，在其它實施例中所述混合溶液的比例可根據(jù)化學催化腐蝕情況的改變而改變。通常情況下，所述化學腐蝕的工藝條件為在20°C 80°C溫度下腐蝕Imin 50min,從而得到高度小于20 μ m的娃納米陣列100。本實施例中化學腐蝕的溫度選為50°C，腐蝕時間為20min，最終通過化學催化腐蝕得到的硅納米陣列100的高度為5 μ m。需要說明的是，化學催化腐蝕時可以在HF溶液中加入一定量的氟化銨(NH4F)以穩(wěn)定腐蝕速度，從而更加精確地控制對硅襯底10的腐蝕程度。在步驟三中，將所述具有硅納米陣列100的硅襯底10放入腐蝕溶液中，以去除附著在硅襯底10以及硅納米陣列100上的金屬顆粒(未示出)。所述腐蝕溶液的選擇取決于所述金屬層11的材質(zhì)，當所述硅襯底金屬層11為銀時，采用的腐蝕溶液為濃硝酸；所述金屬層11的材質(zhì)為金或鉬時，采用的腐蝕溶液王水。本實施例中，根據(jù)步驟一中所述的金屬層11的材質(zhì)選為銀，因此本步驟中的腐蝕溶液選為濃硝酸。如圖3a 3b所示,在步驟四中，利用熱氧化工藝對所述娃納米陣列100以及娃納米陣列100所在的硅襯底10表面進行氧化，以形成氧化硅納米陣列120、或者被氧化硅層 12包裹的硅納米陣列100。具體工藝如下首先，將去除金屬顆粒的所述硅襯底10放入氧化爐中，然后將所述氧化爐加熱至1000°c的溫度，并同時通入氧氣熱氧化150分鐘，最終形成氧化硅納米陣列120、或者被氧化硅層12包裹的硅納米陣列100，且所述硅納米陣列100熱氧化生成的氧化硅層12的厚度大于硅納米陣列120所在硅襯底10表面生成的氧化硅層12厚度。需要說明的是，該步驟中所述硅納米陣列100是否完全被熱氧化為氧化硅納米陣列120或被氧化硅層12包裹的硅納米陣列100，取決于所述步驟二中的化學催化腐蝕所得到的硅納米陣列100的尺寸以及該步驟中熱氧化的程度。因此，該步驟中熱氧化的溫度以及時間可以根據(jù)需要而調(diào)整。如圖4a 4b所示，在步驟五中，將具有氧化硅納米陣列120、或者被氧化硅層12包裹的硅納米陣列100的硅襯底10放入所述HF溶液中，通過控制HF的濃度和腐蝕時間，將所述襯底硅10上的氧化硅層12完全腐蝕掉，同時得到氧化硅納米陣列120、或者被氧化硅層12包裹的硅納米陣列100。在進行腐蝕時，可以在溶液中加入一定量的氟化銨(NH4F)以穩(wěn)定腐蝕速度，從而能夠準確控制對氧化硅層12的腐蝕。本實施例中采用5%的HF溶液，腐蝕時間為2min，但并不限于此，在其它實施例中可以針對硅襯底上的氧化硅層12的厚度，采用不同的HF濃度和不同的腐蝕時間。至此，完成了硅基納米陣列圖形化襯底的制備。由上述硅基納米陣列圖形化襯底的制備工藝可知，本實施例中通過催化腐蝕的方法可以低成本的制備出大面積的圖形化襯底同時與傳統(tǒng)圖形化襯底制備方法相比，省去光刻等工藝，，工藝簡單，并降低了成本。實施例2如圖所示，本實施例提供一種硅基外延層的制備方法，包括以下步驟步驟一利用本發(fā)明實施例一中所述的方法制備出硅基納米陣列圖形化襯底，本實施例中不再對該具體工藝贅述，具體工藝圖參考實施例I中圖I 圖2、圖3a 3b、以及圖4a 4b。步驟二 利用選擇性外延工藝在所述硅基納米陣列圖形化襯底上生長外延層13，選擇性外延工藝為本領域技術人員的常用手段，在此不再贅述。本實施中外延層13暫選為Ge層，但并不限于此，在其它實施例中可以通過調(diào)整硅基納米陣列圖形化襯底的制備工藝的參數(shù)以及外延工藝的參數(shù)，所述外延層13可以III-V族化合物薄膜、或自下向上依次包括Ge薄膜和III-V族化合物薄膜的復合薄膜。如圖5a 5b所示為在所述硅基納米陣列圖形化襯底上生長外延層截面圖。采用選擇性外延工藝在所述硅基納米陣列圖形化襯底上生長Ge層或III-V族化合物薄膜，可以得到低缺陷密度、高晶體質(zhì)量的外延層。這是由于在硅襯底上直接外延Ge或III-V族化合物薄膜，由于晶格常數(shù)或者熱膨脹系數(shù)不匹配，就會在外延層13中產(chǎn)生位錯，產(chǎn)生的位錯大部分是與硅的(100)晶面呈60度夾角。在圖形化的襯底上，在選擇性外延條件下，由于氧化硅上無法生長外延層，外延Ge或III-V族化合物薄膜限制在硅槽中生長。當氧化硅足夠厚時，產(chǎn)生的位錯就會被限制在溝槽中，從而得到低位錯密度，高晶體質(zhì)量的外延層13。此外，在所述硅基納米陣列圖形化襯底上外延Ge層厚，然后可以在Ge層直接外延 III-V族化合物，因為Ge與III-V族化合物晶格匹配高，就可以得到低缺陷密度、高晶體質(zhì)量的III-V族化合物外延層13。綜上所述，本發(fā)明提供一種硅基納米陣列圖形化襯底及硅基外延層的制備方法，該方法利用化學催化腐蝕法制備出硅基納米陣列圖形化襯底，然后在所述硅基納米陣列圖形化襯底上外延Ge或III-V族化合物，從而可以得到低缺陷密度、高晶體質(zhì)量的Ge或III-V族化合物外延層。此外，本發(fā)明的制備工藝簡單，成本低，有利于推廣使用。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。上述實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。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種硅基納米陣列圖形化襯底的制備方法，其特征在于，所述制備方法至少包括 1)提供一娃襯底，在所述娃襯底上沉積一層金屬薄膜； 2)將所述步驟I)中形成的結構放入HF溶液中進行化學催化腐蝕以形成硅納米點陣； 3)將所述步驟2)中形成的結構放入腐蝕溶液中一定時間以去除附著在該納米點陣上的金屬顆粒； 4)利用熱氧化工藝對所述硅納米點陣以及硅納米點陣所在的硅襯底表面進行氧化，以形成氧化硅納米點陣、或者被氧化硅層包裹的硅納米點陣； 5)將所述步驟4)中形成的結構放入HF腐蝕溶液中一定時間對熱氧化生成的氧化硅進行腐蝕，以形成硅基納米陣列圖形化襯底。
2.根據(jù)權利要求I所述的硅基納米陣列圖形化襯底的制備方法，其特征在于，所述步 驟I)還包括 1-1)提供一娃襯底，在所述娃襯底上沉積一層金屬薄膜； 1-2)在真空、氮氣氣氛、或氬氣氣氛下，且在200°C 500°C溫度下退火，以在所述硅襯底表面形成均勻分布的金屬納米顆粒陣列。
3.根據(jù)權利要求I所述的硅基納米陣列圖形化襯底的制備方法，其特征在于所述步驟I)中金屬薄膜的材質(zhì)為銀、金或鉬。
4.根據(jù)權利要求3所述的硅基納米陣列圖形化襯底的制備方法，其特征在于所述步驟I)中金屬薄膜的材質(zhì)為銀時，所述步驟3)中采用的腐蝕溶液為濃硝酸；所述步驟I)金屬薄膜的材質(zhì)為金或鉬時，所述步驟3)中采用的腐蝕溶液為王水。
5.根據(jù)權利要求I所述的硅基納米陣列圖形化襯底的制備方法，其特征在于在所述步驟2)和步驟5)中的腐蝕溶液中加入氟化銨以穩(wěn)定腐蝕速度。
6.根據(jù)權利要求I所述的硅基納米陣列圖形化襯底的制備方法，其特征在于所述步驟2)中化學催化腐蝕的工藝條件為采用5mol/L的HF溶液，在20°C 80°C溫度下腐蝕Imin 50min,得到高度小于20 μ m的娃納米陣列。
7.根據(jù)權利要求I所述的硅基納米陣列圖形化襯底的制備方法，其特征在于所述步驟4)的熱氧化工藝條件為在1000°C的溫度下，熱氧化150min。
8.根據(jù)權利要求I所述的硅基納米陣列圖形化襯底的制備方法，其特征在于所述步驟5)中的硅基納米陣列圖形化襯底包括將所述硅襯底表面的氧化硅層完全去除，同時在所述硅襯底上形成氧化硅納米點陣、或者被氧化硅層包裹的硅納米點陣。
9.一種娃基外延層的制備方法,其特征在于,至少包括 1)利用如權利要求1-8中任一項所述的方法制作硅基納米陣列圖形化襯底； 2)利用選擇性外延工藝在所述硅基納米陣列圖形化襯底上生長外延層。
10.根據(jù)權利要求9所述的硅基外延層的制備方法，其特征在于所述外延層為Ge薄膜、III-V族化合物薄膜、或自下向上依次包括Ge薄膜和III-V族化合物薄膜的復合薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種硅基納米陣列圖形化襯底及硅基外延層的制備方法，該方法利用化學催化腐蝕法制備出硅基納米陣列圖形化襯底，然后在所述硅基納米陣列圖形化襯底上外延Ge或III-V族化合物，從而可以得到低缺陷密度、高晶體質(zhì)量的Ge或III-V族化合物外延層。此外，本發(fā)明的制備工藝簡單，成本低，有利于推廣使用。
文檔編號H01L21/306GK102842496SQ20121037681
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權日2012年9月28日
發(fā)明者張苗, 母志強, 薛忠營, 陳達, 狄增峰, 王曦 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所