一種提高鍺薄膜張應(yīng)變的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，涉及一種提高鍺薄膜張應(yīng)變的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 以硅為標(biāo)志的微電子技術(shù)在信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。然而，隨著集 成電路集成度的不斷提高，電子元器件的尺寸將越來(lái)越小，微電子技術(shù)將面臨著散熱問(wèn)題 嚴(yán)重、功耗大、工藝難度大等諸多問(wèn)題。因此我們需要尋找一種與硅工藝相兼容的新一代硅 基材料和技術(shù)來(lái)進(jìn)一步發(fā)展集成電路。
[0003] 鍺材料具有比硅材料更高的載流子迀移率，是制備高速微電子和光電子器件的理 想材料之一；鍺器件的制作工藝不僅與硅CMOS工藝完全兼容，而且制作成本低，因此，鍺材 料的開發(fā)得到了國(guó)內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注。
[0004] 相比于傳統(tǒng)的鍺材料，張應(yīng)變鍺材料具有更多的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景更加廣闊。比如： 在制備Ge MOSFET器件方面，適當(dāng)?shù)卦贕e材料中引入張應(yīng)變，可以進(jìn)一步提高其載流子的 迀移率，從而提高器件的性能；在光電子器件方面，張應(yīng)變Ge材料可以提高Ge的直接帶隙 發(fā)光效率，從而用于制備激光器的增益介質(zhì)。因此，張應(yīng)變Ge材料的制備能極大的地促進(jìn) 娃基微電子技術(shù)和光電子技術(shù)的向前發(fā)展。
[0005] 目前，提高鍺材料張應(yīng)變的方法主要有以下幾種：一種方法是在Si襯底上外延 生長(zhǎng)Ge材料，外延生長(zhǎng)溫度為500°C~800°C，當(dāng)溫度降低到室溫時(shí)，可以在鍺中引入約為 0. 25%的張應(yīng)變，該方法是在外延生長(zhǎng)Ge材料過(guò)程中自然引入的張應(yīng)變，其張應(yīng)變值比較 小。另一種方法是通過(guò)在Ge薄膜材料上施加機(jī)械應(yīng)力以提高其張應(yīng)變，這一類方法無(wú)法與 硅CMOS工藝兼容，不利于芯片的大批量生產(chǎn)。此外，還可以在GaAs襯底上利用組分漸變的 InxGahAs緩沖層技術(shù)外延生長(zhǎng)Ge材料，獲得張應(yīng)變的Ge材料，但是由于受到Ge臨界厚度 的限制，該方法得到的Ge比較薄，約為IOnm左右，并且該方法與現(xiàn)有的硅CMOS工藝不相兼 容，不利于大批量生產(chǎn)。由此我們可以看出，已有的提高鍺薄膜張應(yīng)變的方法都存在工藝條 件要求高、工藝過(guò)程復(fù)雜、難以與傳統(tǒng)硅CMOS工藝相兼容等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為克服上述問(wèn)題本發(fā)明提供了一種提高鍺薄膜張應(yīng)變的制備方法，能與傳統(tǒng)硅 CMOS工藝相兼容并且工藝制備過(guò)程簡(jiǎn)單，能有效提高鍺薄膜張應(yīng)變的方法。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0008] 一種提高鍺薄膜張應(yīng)變的制備方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟一）準(zhǔn)備材料：準(zhǔn)備一種鍺薄膜綜合材料，所述鍺薄膜綜合材料包括鍺薄膜 和非鍺基底材料，所述鍺薄膜生長(zhǎng)在非鍺基底材料上，并且鍺薄膜的熱膨脹系數(shù)與非鍺基 底材料的熱膨脹系數(shù)不同；
[0010] 步驟二）退火：將鍺薄膜綜合材料放入退火爐在惰性氣體氛圍中退火，所述退火 溫度多300°C且低于鍺和非鍺基底材料的熔點(diǎn)，退火時(shí)間為多10分鐘；
[0011] 步驟三）冷卻處理：將退火后的鍺薄膜綜合材料置于77K~300K溫度下冷卻，冷 卻時(shí)間多10分鐘；
[0012] 步驟四）取出鍺薄膜綜合材料。
[0013] 進(jìn)一步的改進(jìn)，所述步驟一）中，鍺薄膜綜合材料為硅基底上外延生長(zhǎng)鍺薄膜或 絕緣層上鍺薄膜。
[0014] 進(jìn)一步的改進(jìn)，所述步驟三）中，將退火后的鍺薄膜綜合材料置于裝有液氮的保 溫杯中，所述保溫杯是具有溫度控制系統(tǒng)的冷卻裝置。
[0015] 本發(fā)明對(duì)鍺材料進(jìn)行退火和冷卻處理，就能獲得一定量的張應(yīng)變，對(duì)鍺薄膜的厚 度沒(méi)有限制，具有工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，制備成本低，適合大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。所述制備方法 可以用于鍺溝道MOSFET器件和鍺光電子器件制備工藝流程中，與硅基CMOS工藝相兼容。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0017] 圖1 一種提高鍺薄膜張應(yīng)變的制備方法流程示意圖；
[0018] 圖2實(shí)施例1中鍺薄膜產(chǎn)生的張應(yīng)變與退火溫度的關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0019] 實(shí)施例1
[0020] 如圖1 一種提高鍺薄膜張應(yīng)變的制備方法流程圖。首先準(zhǔn)備硅基底上外延生長(zhǎng)鍺 薄膜材料：將厚度為800 μ m的免清洗的Si基底放入化學(xué)汽相沉積系統(tǒng)生長(zhǎng)一層0. 5 μ m的 鍺薄膜；然后取出硅基底上外延生長(zhǎng)鍺薄膜材料，將它放入充有氮?dú)獾耐嘶馉t中，退火爐溫 度設(shè)置為800°C，退火時(shí)間設(shè)置為20分鐘；退火結(jié)束后迅速將硅基底上外延生長(zhǎng)鍺薄膜材 料取出放入裝有液氮的保溫杯中冷卻20分鐘；然后取出硅基底上外延生長(zhǎng)鍺薄膜材料。由 于鍺材料與Si材料的熱膨脹系數(shù)不同，通過(guò)高溫退火冷卻到77K后將得到0. 4%張應(yīng)變的 硅基底上外延生長(zhǎng)鍺薄膜材料，比直接在硅基底上外延生長(zhǎng)鍺得到的〇. 25%的張應(yīng)變提高 了 1. 6 倍。
[0021] 把硅基底上外延生長(zhǎng)鍺薄膜材料放入退火爐退火時(shí)，在高溫時(shí)的鍺材料處于完 全弛豫的狀態(tài)，退火結(jié)束后迅速將材料放入液氮環(huán)境下冷卻，從高溫冷卻到液氮（溫度為 77K)的過(guò)程中，由于處在同一溫度下的鍺的熱膨脹系數(shù)均比硅大，因此冷卻時(shí)鍺的平行晶 格收縮的程度將比硅大，但是由于基底硅的阻礙作用，鍺的平行晶格收縮將受到限制，表現(xiàn) 出被拉伸的狀態(tài)，從而使得冷卻后鍺的平行晶格比體鍺的平行晶格大，即在鍺薄膜中產(chǎn)生 了張應(yīng)變。
[0022] 由于材料的熱膨脹系數(shù)主要與材料的熱振動(dòng)密切相關(guān)，隨著溫度的降低，材料熱 振動(dòng)減弱，從而導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)降低，也就是說(shuō)，材料的熱膨脹系數(shù)與環(huán)境的溫度是密切相 關(guān)的。鍺和硅材料的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系可以用式（1)、（2)描述：
[0023] a Ge (T) = 6· 050χ10-6+3· 600χ10-9Τ-0· 350χ10-12Τ2 0-1) (1)
[0024] α Si (T) = [3· 725χ(1-θ[-5 88χΚΗ3(τ+14915)])+5. 548χ10-4Τ] XKT6OT1) (2)
[0025] 對(duì)于從高溫狀態(tài)冷卻到低溫狀態(tài)下的鍺薄膜產(chǎn)生的張應(yīng)變可以用式（3)、（4)表
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種提高錯(cuò)薄膜張應(yīng)變的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一）準(zhǔn)備材料：準(zhǔn)備一種錯(cuò)薄膜綜合材料，所述錯(cuò)薄膜綜合材料包括錯(cuò)薄膜和非 錯(cuò)基底材料，所述錯(cuò)薄膜生長(zhǎng)在非錯(cuò)基底材料上，并且錯(cuò)薄膜的熱膨脹系數(shù)與非錯(cuò)基底材 料的熱膨脹系數(shù)不同； 步驟二）退火；將錯(cuò)薄膜綜合材料放入退火爐在惰性氣體氛圍中退火，所述退火溫度 > 300°C且低于錯(cuò)和非錯(cuò)基底材料的烙點(diǎn)，退火時(shí)間> 10分鐘； 步驟S )冷卻處理；將退火后的錯(cuò)薄膜綜合材料置于77K~300K溫度下冷卻，冷卻時(shí) 間> 10分鐘； 步驟四）取出錯(cuò)薄膜綜合材料。
2. 如權(quán)利要求1所述的提高錯(cuò)薄膜張應(yīng)變的制備方法，其特征在于，所述步驟一）中， 錯(cuò)薄膜綜合材料為娃基底上外延生長(zhǎng)錯(cuò)薄膜或絕緣層上錯(cuò)薄膜。
3. 如權(quán)利要求1所述的提高錯(cuò)薄膜將張應(yīng)變的制備方法，其特征在于，所述步驟=) 中，將退火后的錯(cuò)薄膜綜合材料置于裝有液氮的保溫杯中，所述保溫杯是具有溫度控制系 統(tǒng)的冷卻裝置。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高鍺薄膜張應(yīng)變的制備方法，包括如下步驟：步驟一)準(zhǔn)備材料；步驟二)退火；步驟三)冷卻處理；步驟四)取出鍺薄膜綜合材料。本發(fā)明對(duì)鍺材料進(jìn)行退火和冷卻處理，就能獲得一定量的張應(yīng)變，對(duì)鍺薄膜的厚度沒(méi)有限制，具有工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，制備成本低，適合大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。所述制備方法可以用于鍺溝道MOSFET器件和鍺光電子器件制備工藝流程中，與硅基CMOS工藝相兼容。
【IPC分類】H01L21-324
【公開號(hào)】CN104681430
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510081779
【發(fā)明人】黃詩(shī)浩, 陳佳新, 謝文明, 林抒毅, 聶明星, 邵明, 林承華, 蔣新華
【申請(qǐng)人】福建工程學(xué)院
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年2月15日