本發(fā)明涉及鍺硅半導(dǎo)體合金在藍寶石襯底上的生長以及制備方法。
背景技術(shù):
鍺硅(SiGe,Silicon-germanium)半導(dǎo)體合金是一種合金,根據(jù)鍺和硅的分子比可以表示成SixGe1-x。摻入III族元素為p型半導(dǎo)體,摻入V族元素為n型半導(dǎo)體。它是一種新型的半導(dǎo)體材料,對于微電子技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義,在場效應(yīng)晶體管(FET),高電子遷移率晶體管(HEMT器件),雜雙極晶體管(HBT的),熱電(TE)裝置,光伏太陽能電池,以及光子探測器中均廣泛使用,是一種非常重要半導(dǎo)體合金。鍺硅(SiGe)半導(dǎo)體合金的晶體質(zhì)量,直接影響半導(dǎo)體器件的性能,高品質(zhì)的半導(dǎo)體器件要求鍺硅合金的缺陷率和位錯率低,無孿晶,裂紋和分層。
現(xiàn)有技術(shù)中,硅鍺通常情況下生長在普通的硅襯底上。然而,一旦鍺硅外延層的厚度增加(例如,大于幾十納米),由于硅鍺具有比硅更大的晶格常數(shù),高品質(zhì)(即無缺陷)的鍺硅外延層就非常難得到。這意味著,一旦鍺硅外延層的厚度超過由于晶格失配造成的幾十納米的臨界厚度時, 鍺硅晶體在靠近硅襯底的地方會因為應(yīng)變而產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷(例如,微孿晶,裂紋,分層等)。因此,這種傳統(tǒng)的方法只能生產(chǎn)非常薄的厚度的鍺硅外延層(即,小于幾十納米),來用于高品質(zhì)的電子器件的制造。運用這種方法能生產(chǎn)的, 滿足高品質(zhì)的電子器件的制造要求的,鍺硅外延層厚度非常薄(即,小于幾十納米)。一旦鍺硅外延層的厚度超過由于晶格失配造成的幾十納米的臨界厚度時, 鍺硅晶體在靠近硅襯底的地方會因為應(yīng)變而產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷(例如,微孿晶,裂紋,分層等)。
作為一種改進,鍺硅在藍寶石上的生長是構(gòu)建SGOI(絕緣體上的鍺硅生長)器件的重要的方法。因為藍寶石是一種最好的絕緣體,半導(dǎo)體層和基板之間的高頻寄生電容可基本上消除。許多類似的在藍寶石上生長硅(SOS)或在藍寶石上生長硅鍺(SGOS)的方法一般利用矩形r-面藍寶石襯底(Sapphire substrate)與外延生長的立方金剛石結(jié)構(gòu)的硅或鍺的正方形的(001)面或矩形(110)面對齊;但是,那種方法往往會導(dǎo)致90°旋轉(zhuǎn)孿晶缺陷。而如果在藍寶石的c-面,即三方的(0001)面上生長立方晶系的鍺硅半導(dǎo)體材料,則容易形成的60°旋轉(zhuǎn)的孿晶缺陷。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
因此,針對上述的問題,本發(fā)明提供了一種高品質(zhì)的(即無缺陷和位錯)硅鍺(SiGe)半導(dǎo)體合金在藍寶石襯底上的制造方法。從該制造方法得到的硅鍺半導(dǎo)體合金,由于缺少缺陷和位錯這些減緩電荷移動的障礙,將極大的提高在晶體中移動的電荷運動速率。因此,本發(fā)明可用于改善各種使用這樣的鍺硅半導(dǎo)體合金的電子器件,比如場效應(yīng)晶體管(FET),高電子遷移率晶體管(HEMT器件),雜雙極晶體管(HBT),熱電(TE)裝置,光伏太陽能電池和光子檢測器。
本發(fā)明中,晶面的表示方法將用國際通用的米勒指數(shù)法,即,晶體平面是由帶 “()”的數(shù)字表示,同類晶面群由帶“{}”的數(shù)字表示,晶面的方向或長度由帶“[]”的數(shù)字表示,同類方向群由帶“<>”的數(shù)字表示。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思如下:本發(fā)明的制造方法可以在{0001} c面單晶藍寶石基底上生長 {111} 晶面的立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金,并且鍺硅合金的<110>晶向與基底的<1,0,-1,0>互相平行。通過調(diào)整鍺硅合金的元素組分,使用0.7223的硅原子比例和0.2777的鍺原子比例,可以使鍺硅合金的晶格常數(shù)與襯底晶格常數(shù)相匹配。通過上述對菱形晶體晶格參數(shù)改造的方法,本發(fā)明提供了減少立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金在生長過程中,由于晶格與襯底晶格失配從而引起的缺陷和位錯的方法。
具體的,本發(fā)明提供一種鍺硅半導(dǎo)體合金的制備方法,其包括以下步驟:
制備具有{0001}c面的單晶氧化鋁藍寶石襯底(以下簡稱單晶氧化鋁);在上述的單晶氧化鋁上生長立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金,該鍺硅合金具有{111}晶體平面;該立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金的<110>方向,與所述的{0001}c面的單晶氧化鋁的<1,0,-1,0>方向?qū)R,也即鍺硅合金的<110>晶向與單晶氧化鋁的<1,0,-1,0>互相平行;其中,所述的立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金中的硅原子和鍺原子的百分比滿足:硅原子:鍺原子=(0.70-0.74):(0.30-0.26),也即硅原子占百分比的70%-74%,對應(yīng)的鍺原子占百分比的30%-26%。優(yōu)選的,經(jīng)過理論推導(dǎo)以及大量的實驗可以得出硅原子和鍺原子的百分比等于0.7223:0.2777時為最佳效果。
另外,在本發(fā)明上述方式生長的立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金還可作為基礎(chǔ)的層,在其之上還可以繼續(xù)生長其他半導(dǎo)體合金,并通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體合金的組分和應(yīng)力,使得電荷遷移率得以增加。那么,該鍺硅半導(dǎo)體合金的制備方法還可包括把在所述襯底單晶氧化鋁上生長的立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅除去的步驟;還可包括在所述立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金上生長純硅的步驟;還可包括在所述立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金上生長純鍺的步驟;還可包括在所述立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金上生長Si1-yGey的步驟,其中y 是鍺的原子百分比,范圍是從0到1;還可包括在所述立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金的中間插入至少一層含應(yīng)變的Si1-yGey層的步驟,其中y 是鍺的原子百分比,范圍是從0到1。
本發(fā)明還提供一種硅鍺單晶半導(dǎo)體合金的制備方法,其包括以下步驟:
制備運用具有{0001}c面的單晶氧化鋁作為藍寶石襯底;在上述的單晶氧化鋁上生長立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅Si1-xGex半導(dǎo)體材料,該鍺硅Si1-xGex半導(dǎo)體材料具有{111}晶體平面;所述立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅Si1-xGex半導(dǎo)體材料的<110>方向,與所述的{0001} c面的單晶氧化鋁的<1,0,-1,0>方向?qū)R,也即鍺硅Si1-xGex半導(dǎo)體材料的<110>晶向與單晶氧化鋁的<1,0,-1,0>互相平行;其中,所述鍺硅Si1-xGex半導(dǎo)體材料是一般形式的Si1-xGex合金,其中x 是鍺原子百分比,其范圍值為[0.26-0.30],優(yōu)選的,x=0.2777。
同樣的,在本發(fā)明上述方式生長的立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅Si1-xGex半導(dǎo)體材料還可作為基礎(chǔ)的層,在其之上還可以繼續(xù)生長其他半導(dǎo)體合金,并通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體合金的組分和應(yīng)力,使得電荷遷移率得以增加。那么,上述硅鍺單晶半導(dǎo)體合金的制備方法還包括除去立方金剛石結(jié)構(gòu)的步驟;還包括在所述立方金剛石結(jié)構(gòu)上生長純硅的步驟;或者在所述立方金剛石結(jié)構(gòu)上生長純鍺的步驟;或者在所述立方金剛石結(jié)構(gòu)上生長Si1-yGey的步驟,其中y 是鍺的原子百分比,范圍是從0到1;或者在所述立方金剛石結(jié)構(gòu)中間插入至少一層含應(yīng)變的Si1-yGey層的步驟,其中y 是鍺的原子百分比,范圍是從0到1。
本發(fā)明的硅鍺半導(dǎo)體合金是指在三角晶結(jié)構(gòu)的單晶氧化鋁藍寶石襯底(Al2O3)(下文稱為“單晶氧化鋁”)上生長的立方金剛石結(jié)構(gòu)的SiGe單晶。在硅鍺半導(dǎo)體合金里零缺陷的目標(biāo)是通過改變立方金剛石結(jié)構(gòu)的SiGe和單晶氧化鋁之間的晶格匹配來實現(xiàn)的。本發(fā)明通過調(diào)整鍺硅合金的晶格常數(shù),使鍺硅立方金剛石結(jié)構(gòu)中的{111}面晶格常數(shù)與單晶氧化鋁襯底{0001}c面的晶格常數(shù)相匹配。同時,調(diào)整生長參數(shù),使鍺硅立方金剛石結(jié)構(gòu)中的晶面和晶向與單晶氧化鋁襯底的晶面和晶向保持一致。因此,本發(fā)明通過對菱形晶體晶格參數(shù)改造,提供了減少立方金剛石的鍺硅合金和在生長過程中,由晶格失配從而引起的缺陷和位錯的方法。由本發(fā)明提供的晶格匹配將使厚度厚的,高品質(zhì)的半導(dǎo)體鍺硅合金的生長成為可能,并得以用于各種各樣的電子設(shè)備。
綜上,本發(fā)明提供了一個少缺陷和位錯的硅鍺(SiGe)半導(dǎo)體合金在單晶氧化鋁藍寶石襯底上的制造方法。由該制造方法得到的硅鍺半導(dǎo)體合金將提高電荷運動穿過其中的速度,因為可以阻擋電荷移動的缺陷/位錯率少。因此,本發(fā)明可用于改善各種使用這樣的SiGe到包括但不限于場效應(yīng)晶體管,高電子遷移率晶體管,雜雙極晶體管,熱電裝置,光伏太陽能電池和光子檢測器等電子器件。
附圖說明
圖1A為單晶氧化鋁的原子結(jié)構(gòu)示意圖;
圖1B為圖1A中單晶氧化鋁的六邊晶體結(jié)構(gòu)中的{0001} c-晶面群的示意圖;
圖2A為鍺硅合金的晶體結(jié)構(gòu)的立方金剛石結(jié)構(gòu)的示意圖;
圖2B為圖2A中立方金剛石結(jié)構(gòu)中的{111}面的平面圖;
圖3A為實施例1的半導(dǎo)電合金結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3B為實施例2的半導(dǎo)電合金結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3C為實施例3的半導(dǎo)電合金結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進一步說明。
現(xiàn)有技術(shù)中,在矩形r-面藍寶石襯底上外延生長正方形的(001)面或矩形(110)面的立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅半導(dǎo)體合金材料,往往會導(dǎo)致90°旋轉(zhuǎn)孿晶缺陷。而如果在藍寶石的c-面(即三方的(0001)面)上生長立方晶系的鍺硅半導(dǎo)體合金材料,則容易形成的60°旋轉(zhuǎn)的孿晶缺陷。本發(fā)明正是為了解決此問題而提出。
根據(jù)本專利的制造方法,這種技術(shù)可以在{0001} c面單晶藍寶石基底上生長 {111} 晶面的立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金,并且鍺硅合金的<110>晶向與基底的<1,0,-1,0>互相平行。通過調(diào)整鍺硅合金的元素組分,使用0.7223(允許正負0.02的誤差)的硅原子比例和0.2777(允許正負0.02的誤差)的鍺原子比例,可以使鍺硅合金的晶格常數(shù)與襯底晶格常數(shù)相匹配。通過上述對菱形晶體晶格參數(shù)改造的方法,本發(fā)明提供了減少立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金在生長過程中,由于晶格與襯底晶格失配從而引起的缺陷和位錯的方法。
本發(fā)明的硅鍺半導(dǎo)體合金是指在三角晶結(jié)構(gòu)的單晶氧化鋁藍寶石襯底(Al2O3)(下文稱為“單晶氧化鋁”)上生長的立方金剛石結(jié)構(gòu)的SiGe單晶。在硅鍺半導(dǎo)體合金里零缺陷的目標(biāo)是通過改變立方金剛石結(jié)構(gòu)的SiGe和單晶氧化鋁之間的晶格匹配來實現(xiàn)的。參照圖1A-1B 和圖2A-2B將用于解釋由本發(fā)明提供的晶格匹配。在隨后的描述中,晶面的表示方法將用國際通用的米勒指數(shù)法。即,晶體平面是由帶 “()”的數(shù)字表示,同類晶面群由帶“{}”的數(shù)字表示,晶面的方向或長度由帶“[]”的數(shù)字表示,同類方向群由帶“<>”的數(shù)字表示。
單晶氧化鋁的晶體結(jié)構(gòu)是六邊形結(jié)構(gòu)。在圖1A中的單晶氧化鋁的原子結(jié)構(gòu)示意圖顯示了基底面的晶格常數(shù)(即,原子距離),表示為字母“A”。對于單晶氧化鋁,A等于4.7580埃。單晶氧化鋁的六邊晶體結(jié)構(gòu)中的{0001} c-晶面群由圖1B顯示,其中帶陰影的圓圈表示在原子平面{0001} c-平面內(nèi)的原子(10),沒陰影的圓圈表示在原子平面{0001}c面的下一層的原子(11)。與原子10成六邊形的關(guān)系的邊用數(shù)字12表示,它們代表了在{0001}晶面群上的<1,0,-1,0>方向。在本專利中提及的{0001} c-平面是指單晶氧化鋁沿{0001}c面完美切割,也可以允許有略微斜切?!吧晕⑿鼻小笔侵盖袛嗟膬A斜角在±10°或更小的角度以內(nèi)。
鍺硅合金的晶體結(jié)構(gòu)是立方金剛石結(jié)構(gòu),如圖2A所示,這個結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)(即,原子20之間的原子距離)由“B”表示。原子間最短的原子距離由B’表示。圖2B顯示了立方金剛石結(jié)構(gòu)中的{111}面的平面圖,其中帶陰影的圓圈表示的原子(20)是在{111}晶體平面上的,而沒陰影的圓圈表示的是{111}層下面的原子(21)。在{111}面內(nèi),原子之間呈六邊型結(jié)構(gòu)。與平面內(nèi)的原子(20)成六邊型關(guān)系的邊由數(shù)字22表示,這六個邊也就是{111}晶面內(nèi)的<110>晶向。 B和B’之間的關(guān)系在立方金剛石結(jié)構(gòu)中為B'= B(sqrt(3)/ 2)。對于具有立方金剛石結(jié)構(gòu)的SiGe合金晶體來說,對于B的值,和B'的值依賴于合金的組成。也就是說,對于一般的Si1-xGex合金,其中鍺原子百分比組分為x,那么這個鍺硅合金晶體的晶格常數(shù)BSiGe就將被定義為 xBGe + (1-v)BSi。其中BGe是鍺的晶格常數(shù)(即,5.65791埃),而BSi是硅的晶格常數(shù)(即,5.43107埃)。應(yīng)用上述關(guān)系,當(dāng)x =0.2777時,立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金晶體常數(shù) BSiGe等于約5.49406埃, 而{111}晶面的晶格常數(shù)B'SiGe為大約4.5780埃。
本發(fā)明通過調(diào)整鍺硅合金的晶格常數(shù),使鍺硅立方金剛石結(jié)構(gòu)中的{111}面晶格常數(shù)與單晶氧化鋁襯底{0001}c-面的晶格常數(shù)相匹配。同時,調(diào)整生長參數(shù),使鍺硅立方金剛石結(jié)構(gòu)中的晶面和晶向與單晶氧化鋁襯底的晶面和晶向保持一致。鍺硅立方金剛石的{111}晶體平面在六方結(jié)構(gòu)的氧化鋁{0001} c-平面上生長,并且鍺硅立方金剛石結(jié)構(gòu)的<110>晶向?qū)?zhǔn)(即平行于)六方結(jié)構(gòu)的氧化鋁{0001} c-平面的<1,0,-1,0>方向。當(dāng)上述晶面和晶向相對齊,而鍺硅合金Si1-xGex中鍺原子百分比為0.2777,硅原子百分比為0.7223時,鍺硅合金的晶格常數(shù)B′SiGe = sqrt(3)/2(xBGe+(1?x)BSi),相當(dāng)于4.7580埃,從而與單晶氧化鋁襯底的晶格常數(shù)A嚴(yán)格匹配。因此,本發(fā)明通過對菱形晶體晶格參數(shù)改造,提供了減少立方金剛石的鍺硅合金和在生長過程中,由晶格失配從而引起的缺陷和位錯的方法。由本發(fā)明提供的晶格匹配將使厚度厚的,高品質(zhì)的半導(dǎo)體鍺硅合金的生長成為可能,并得以用于各種各樣的電子設(shè)備。在現(xiàn)實應(yīng)用中,完美的晶格常數(shù)匹配是很難實現(xiàn)的。本發(fā)明提到的鍺原子百分比0.2777如有輕微的偏差是可以接受的。
在本發(fā)明所述的方式生長在單晶氧化鋁上的在鍺硅合金半導(dǎo)體合金也可以作為基礎(chǔ)的層,在其之上還可以繼續(xù)生長其他半導(dǎo)體合金,并通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體合金的組分和應(yīng)力,使得電荷遷移率得以增加。這種半導(dǎo)電合金結(jié)構(gòu)的幾個非限制性實施例示于圖3A、圖3B和圖3C。
圖3A作為實施例1的半導(dǎo)電合金結(jié)構(gòu),圖中的單晶氧化鋁標(biāo)號為30,標(biāo)號32表示的是和上述晶格相匹配的鍺硅合金,標(biāo)號34是在晶格匹配的鍺硅合金32上生長的具有應(yīng)力的合金層(可簡稱為應(yīng)變層)。它可以是純硅,純鍺,或一般形式的Si1-yGey的硅鍺化合物,其中y是鍺的原子百分比,滿足關(guān)系0.0<Y<1.0。所得合金結(jié)構(gòu)可以在各種電子設(shè)備中使用。例如,壓縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力下人為的應(yīng)變層可以改變電子或空穴遷移率和光學(xué)特性如折射率,帶隙能量,吸收能量,發(fā)射能量,光軸等。
圖3B作為實施例2的半導(dǎo)電合金結(jié)構(gòu),在圖中,一個單一的具有應(yīng)力的合金層34可以是(i)在連續(xù)的外延生長,或晶格匹配的兩個鍺硅合金32的層之間生長(ⅱ)在外延生長之后,通過離子注入的方法,將中間層改為應(yīng)變層。合金層34的組合物可以是純硅,純鍺,或一般形式的Si1-yGey的硅鍺合金,其中y是鍺的原子百分比,滿足關(guān)系0.0<Y<1.0。例如,如果合金層34被應(yīng)變純硅,它將用于在高電子遷移率晶體管(HEMT器件)或異質(zhì)雙極晶體管(HBT的)電子通道提供高載流子遷移率。
圖3C作為實施例3的半導(dǎo)電合金結(jié)構(gòu),在圖中,一個超晶格(即,重復(fù)的層)生長在與單晶氧化鋁30相晶格匹配的鍺硅合金32上。例如,超晶格可以由晶格匹配的鍺硅合金32與合金層34重復(fù)交替生長。超晶格結(jié)構(gòu)被經(jīng)常使用,用以改善外延膜的質(zhì)量,例如,釋放的晶格應(yīng)變,減少在導(dǎo)帶偏移或價帶突然變化偏移等。
根據(jù)本專利的制造方法,這種技術(shù)可以在{0001} c面單晶藍寶石基底上生長 {111} 晶面的立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金,并且鍺硅合金的<110>晶向與基底的<1,0,-1,0>互相平行。通過調(diào)整鍺硅合金的元素組分,使用0.7223的硅原子比例和0.2777的鍺原子比例,可以使鍺硅合金的晶格常數(shù)與襯底晶格常數(shù)相匹配。通過上述對菱形晶體晶格參數(shù)改造的方法,本發(fā)明提供了減少立方金剛石結(jié)構(gòu)的鍺硅合金在生長過程中,由于晶格與襯底晶格失配從而引起的缺陷和位錯的方法。由本發(fā)明提供的晶格匹配將使厚度厚的,高品質(zhì)的半導(dǎo)體鍺硅合金的生長成為可能,并得以用于各種各樣的電子設(shè)備。
盡管結(jié)合優(yōu)選實施方案具體展示和介紹了本發(fā)明,但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白,在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi),在形式上和細節(jié)上可以對本發(fā)明做出各種變化,均為本發(fā)明的保護范圍。