专利名称：一种嵌入超晶格层组制备应变Si的方法
技术领域：
本发明涉及微电子与固体电子学技术领域，特别是涉及一种嵌入超晶格层组制备应变Si的方法。
背景技术：
制备更小尺寸、更高性能的器件一直是半导体工业发展的目标和方向，随着半导体技术的发展，单纯依靠Si材料已经无法制备出足够高速、低功耗的晶体管。从90nm工艺开始，应变Si (sS1-strained silicon)技术在半导体领域得到广泛的应用。根据应变Si的制备工艺，可以分为局部应变和全局应变。对于全局应变Si,传统方法一般米取首先在Si衬底上外延弛豫锗化硅(SiGe)层，然后在该弛豫SiGe层上面外延应变Si的方法。为了保证顶层应变Si的质量，弛豫SiGe层一般采用渐变缓冲的方法，即首先按照厚度每增加
Iμ m，SiGe层中Ge组分增加10%的速度，逐渐提高SiGe层中Ge的组分，直到SiGe层中Ge的组分达到预期的值；然后固定该Ge组分值，继续外延一层厚度在I 2 μ m的SiGe层，此时最上层的SiGe层基本上达到100%弛豫，而且缺陷主要集中在下层的渐变缓冲层中 ’最后在弛豫SiGe层上外延应变Si薄层，该层缺陷密度较低，而且面内晶格常数(平行于外延薄膜的平面上的晶格间距)同弛豫SiGe层保持一致。由于弛豫SiGe的晶格常数大于普通Si，此时外延的Si的晶格常数也大于 普通的Si衬底，即保持张应变。不过，采用渐变缓冲的传统方法外延弛豫SiGe层时需要花费大量的时间。如果外延厚度高达几个微米的SiGe,使用化学气相沉积(CVD, chemical vapor deposition)方法或者物理气相沉积(PVD, physical vapor deposition)方法进行外延时,往往都需要几个小时的时间；使用分子束外延(MBE, molecular beam epitaxy)方法,甚至需要十几到几十个小时的时间；而且如此长时间的不间断外延，在设备腔壁上会沉积很厚的SiGe层，该SiGe层很难清除，对设备的安全使用也会产生不利的影响。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，用于解决现有技术中制备应变Si需要花费大量时间外延SiGe层的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，该方法至少包括以下步骤:I)，提供一 Si衬底，首先在所述Si衬底上外延一 Ge组分为x的SipxGex层，其中，
O< X < I ;其次在所述SihGex层上外延一 Si层，形成SihGeySi双层薄膜；然后多次重复外延所述SihGex/Si双层薄膜，在所述Si衬底上制备出超晶格；形成包括至少一种所述超晶格的超晶格层组；2)，在所述超晶格层组上外延Ge组分为y的Si^Gey层，其中，O <y< 1，并使所述Sii_yGey层弛豫以形成弛豫Sii_yGey层，由所述超晶格层组和弛豫Si^yGey层构成虚衬底；3)，在所述弛豫SipyGey层上外延一 Si层，以完成应变Si的制备。
可选地，于所述步骤I)中的超晶格层组包括两种超晶格时，包括以下步骤:1-1)，提供一 Si衬底，首先在所述Si衬底上外延一 Ge组分为x的Si^Gex层，其中，O < X < I，其次在所述Si^Gex层上外延一 Si层，形成SihGexZiSi双层薄膜，然后多次重复外延所述SihGexZiSi双层薄膜，在所述Si衬底上制备出第一种超晶格；1-2)，依据所述步骤1-1)中制备所述第一种超晶格的相同手段，在所述第一种超晶格上制备出Ge组分X取值互不相同的第二种超晶格，且同一种超晶格中Ge组分x取值相同，以形成由所述第一种超晶格和第二种超晶格组成的超晶格层组。可选地，于所述步骤I)中的超晶格层组包括两种以上超晶格时，包括以下步骤:1-1)，提供一 Si衬底，首先在所述Si衬底上外延一 Ge组分为x的Si^Gex层，其中，O < X < I，其次在所述Si^Gex层上外延一 Si层，形成SihGexZiSi双层薄膜，然后多次重复外延所述SihGexZiSi双层薄膜，在所述Si衬底上制备出第一种超晶格；1-2)，依据所述步骤1-1)中制备所述第一种超晶格的相同手段，在所述第一种超晶格上依次制备出Ge组分X取值互不相同的第二种超晶格至第η种超晶格，且同一种超晶格中Ge组分X取值相同，以形成由所述第一种超晶格至第η种超晶格组成的超晶格层组，其中，η的范围是3 10。可选地，所述步骤I)至步骤3)中是采用化学气相沉积方法、物理气相沉积方法或者分子束外延方法进行外延的。可选地,在所述SihGeySi双层薄膜中，所述SihGex层的厚度范围是I IOOnm,所述Si层的厚度范围是I IOOnm ;多次重复外延所述SihGe^Si双层薄膜时，所述重复次数范围是2 50次。 可选地，所述步骤2)还包括:在形成所述虚衬底后，将所述Si衬底和所述虚衬底在750 850°C温度下退火I 10分钟，使所述弛豫Si1Jey层进一步弛豫。可选地，所述步骤2)还包括:在形成所述虚衬底后，将He离子以5X IO15 3 X IO16CnT2的剂量，以30 150keV的能量注入到所述虚衬底中，将所述Si衬底和所述虚衬底在800 900°C温度下退火I 10分钟，使所述弛豫Si^Gey层进一步弛豫。可选地，所述步骤3)还包括:在形成所述应变Si后，将所述Si衬底、所述虚衬底和所述应变Si在750 850°C温度下退火I 10分钟，进一步弛豫所述弛豫SVyGey层以使所述应变Si的张应变进一步增大。可选地，所述步骤3)还包括:在形成所述应变Si后，将He离子以5X IO15 3 X IO16CnT2的剂量，以30 150keV的能量注入到所述虚衬底中，将所述Si衬底、所述虚衬底和所述应变Si在800 900°C温度下退火I 10分钟，进一步弛豫所述弛豫SipyGey层以使所述应变Si的张应变进一步增大。可选地,所述步骤3)中的Si层的厚度范围是3 50nm。如上所述，本发明嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，具有以下有益效果:使用本发明嵌入超晶格层组制备应变Si时，只需要在Si衬底上外延厚度为一微米左右的虚衬底，而后再制备出应变Si。相对于制备应变Si的传统方法需要在Si衬底上外延几微米甚至十几微米的缓冲层后再制备出弛豫SiGe层和应变Si，本发明通过降低制备应变Si所需的虚衬底厚度，大大节省了外延所需要的时间，不仅降低了外延所需要的成本，而且减少了由于外延设备长时间不间断进行外延而造成的安全隐患。
图1至图3显示为本发明嵌入超晶格层组制备应变Si的方法在实施例一中的结构示意图。图4和图5显示为本发明嵌入超晶格层组制备应变Si的方法在实施例二中的结构示意图。图6和图7显示 为本发明嵌入超晶格层组制备应变Si的方法在实施例三中的结构示意图。图8和图9显示为本发明嵌入超晶格层组制备应变Si的方法在实施例四中的结构示意图。元件标号说明ISi 衬底2111SihGex 层、Sih1Gexl 层2112SihGex 层上的 Si 层、SihlGexl 层上的 Si 层211、212、213、214Sih1GexlZSi 双层薄膜221、222、223、224Sih2Gex2/Si 双层薄膜21 29超晶格3弛豫 SLyGey 层4应变 Si5虚衬底
具体实施例方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式
加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。本发明提供一种嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，该方法首先在Si衬底上外延一 Ge组分为X的SihGex层，其次在所述SipxGex层上外延一 Si层，形成SihGe^Si双层薄膜，然后多次重复外延所述SihGexZiSi双层薄膜，在所述Si衬底上制备出超晶格，形成包括至少一种所述超晶格的超晶格层组，接着在所述超晶格层组上外延一 Ge组分为Y的Sii_yGey层并使所述Sii_yGey层弛豫以形成弛豫Si^yGey层，由所述超晶格层组和弛豫SipyGey层构成虚衬底，最后在所述弛豫SipyGey层上外延一 Si层，以完成应变Si的制备。请参阅图1至图9。需要说明的是，以下具体实例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。实施例一如图1至图3所示，本发明提供一种嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，该方法至少包括以下步骤:
如图1所示，首先执行步骤I)，提供一 Si衬底1，采用化学气相沉积方法、物理气相沉积方法或者分子束外延方法，首先在所述Si衬底I上外延一 Ge组分为X的厚度为Tsice 的 SihGex 层 2111，其中，I 彡 TsieeS IOOnm,O < x < 1，具体地，x = 0.25 为优选值;其次在所述SihGex层2111外延一厚度为Tsi的Si层2112，其中，I ( Tsi ( IOOnm,以形成Si1^xGeysi双层薄膜211，然后多次重复外延(即本实施例一中以m为周期进行周期外延)所述SihGexZiSi双层薄膜211，其中周期m的范围是2彡m彡50，且m为正整数，以在所述Si衬底I上制备出超晶格21,形成包括一种所述超晶格21的超晶格层组。需要特别说明的是，为了便于理解，在本实施例一中，具体的实施过程以所述周期m = 4为例进行简化说明，但并非将所述周期m局限于本实施例一中的m = 4，m也可以取值为5，10等等。因此，在本实施例一中，如图1所示，所述超晶格层组只包含一种超晶格，即所述超晶格21，所述Si^GeySi双层薄膜(以下简称“双层薄膜”)211、212、213和214组成所述超晶格21。在本实施例一中，所述双层薄膜211中，T1siee = IOnm, T1si = IOnm ;所述双层薄膜
212中，T11sice = IOnm, T11si = IOnm ;所述双层薄膜 213 中，T111sice = IOnm, T111si = IOnm ;所述双层薄膜214中，Tivsiee = 10nm,TivSi = IOnm ;需要特殊说明的是，“周期外延”时，各个双层薄膜中所述SihGex的Ge组分x保持一致，各个所述双层薄膜中所述SipxGex层的厚度取值相等，所述Si层的厚度取值也相等，但是所述SihGex层与所述Si层的厚度取值并没有相关性，既可以相等也可以不相等，具体地，在本实施例一中，周期Hi = AWJisife = Tiisife=Tiiisice = Tivsice7Tisi = Tiisi = Tiiisi = Tivsi，但 Tisiee 与 Tisi 的取值既可以相等也可以互不相等。接着执行步骤2)。如图2所示，在步骤2)中，采用化学气相沉积方法、物理气相沉积方法或者分子束外延方法，在所述超晶格层组上外延Ge组分为y厚度为Ty的SipyGey层3，其中，0<y<l，200 < Ty < IOOOnm,具体地，y = 0.25为优选值，Ty = 500nm为优选值，并使所述Si^yGey层3产生弛豫以形成弛豫Sii_yGey层3，由所述超晶格层组(即所述超晶格21)和弛豫S^Gey层3组成虚衬底5。需要说明的是，虽然在本实施例一中的所述Si1Jex层2111的Ge组分x和所述SipyGey层3的Ge组分y取值相等(x = y = 0.25),但是Ge组分x和y的取值并没有相关性，既可以相等也可以不相等。需要特殊说明的是，由于现在研究和实验已经发现，在Si衬底上外延一固定Ge组分a的SiGe薄膜的时候,所述外延SiGe薄膜存在一个临界厚度h。,当所述外延SiGe薄膜厚度小于所述临界厚度h。的时候，所述外延SiGe薄膜是完全应变的；当所述外延SiGe薄膜厚度大于所述临界厚度h。的时候，所述外延SiGe薄膜是弛豫的。其中，所述临界厚度h。随所述外延SiGe薄膜中Ge的组分a的增加而降低,具体地,所述临界厚度h。与Ge组分a的关系为 h。^ 0.0234/(1+0.04a)2Xln (he/4)(请参阅文献“People R and Bean J C.[J]Appl.Phys.Lett.，1985，47 (3):322 324.”)。在本实施例一中，所述 SLyGey 层 3 的 Ge组分y = 0.25，厚度为200 < Ty < IOOOnm,具体地，Ty = 500nm时，所述SLyGey层3已经超过临界厚度，则所述Sii_yGey层3 会发生弛豫，即生成所述弛豫Sii_yGey层3。另外，由于位于所述弛豫SipyGey层3下面的所述超晶格层组(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层组(即所述超晶格21)中，因此，所述弛豫Sii_yGey层3可以保持较好的晶体质量。在本实施例一中，所述步骤2)还包括:在形成所述虚衬底5后，将所述Si衬底I和所述虚衬底5在750 850°C温度下退火I 10分钟，使所述弛豫SVyGey层3进一步弛豫，其中，优选温度为800°C，优选时间为5分钟。在其他的实施方式中，所述步骤2)还包括:在形成所述虚衬底5后，将He离子以5 X IO15 3 X IO16CnT2的剂量，以30 150keV的能量注入到所述虚衬底5中，将所述Si衬底I和所述虚衬底5在800 900°C温度下退火I 10分钟，使所述弛豫Si^Gey层3进一步弛豫，其中，优选温度为850°C，优选时间为2分钟，He离子优选剂量为IX 1016cm_2，由于优选的注入能量依据Ty的不同而不一样，针对优选值Ty = 500nm的情况，优选注入能量为80kev。接着进行步骤3)。如图3所示，在步骤3)中，在所述弛豫SipyGey层3上外延一厚度为TJ^Si层4，其中，3≤Tz≤50nm，优选值Tz = 20nm,由于所述Si^yGey层3是弛豫的，最后外延的所述Si层4保持张应变，即所述Si层4成为应变Si层4，以完成应变Si的制备。在本实施例一中，所述步骤3)还包括:在形成所述应变Si层4后，将所述Si衬底
1、所述虚衬底5和所述应变Si层4在750 850°C温度下退火I 10分钟，其中，优选温度为800°C，优选时间为5分钟，进一步弛豫所述弛豫SipyGey层3以使所述应变Si层4的张应变进一步增大。在其他的实施方式中，所述步骤3)还包括:在形成所述应变Si层4后，将He离子以5 X IO15 3 X IO16CnT2的剂量，以30 150keV的能量注入到所述虚衬底5中，将所述Si衬底1、所述虚衬底5和所述应变Si层4在800 900°C温度下退火I 10分钟，进一步弛豫所述弛豫SipyGey层3以使所述应变Si层4的张应变进一步增大，其中，优选温度为850°C，优选时间为2分钟，He离子优选剂量为lX1016cm_2，由于优选的注入能量依据Ty的不同而不一样，针对优选值Ty = 500nm的情况,优选注入能量为80kev。相对于传统方法需要外延几微米甚至十几微米的缓冲层而后再制备出弛豫SiGe层和应变Si，使用本发明嵌入超晶格层组制备应变Si时，只需在Si衬底上外延厚度为一微米左右的虚衬底，而后再制备出应变Si。本发明通过降低制备应变Si所需的虚衬底厚度，可以大大节省外延时间，降低成本。实施例二实施例二与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于二者制备的超晶格层组包括的超晶格不同。在实施例一中，所述超晶格层组只包括一种超晶格(即所述超晶格21),而在本实施例_■中，超晶格层组包括两种超晶格(即超晶格21和超晶格22)。请参阅图4至图5，本发明提供一种嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，该方法至少包括以下步骤:如图4所示，首先执行步骤I)中的步骤1-1)，提供一 Si衬底1，采用化学气相沉积方法、物理气相沉积方法或者分子束外延方法，首先在所述Si衬底I上外延一 Ge组分为 Xl 厚度为 Tsieel 的 Si^1Gexl 层 2111，其中，I 彡 TSiGel ( IOOnm,O < xl < 1，具体地，Xl = 0.20为优选值，其次在所述Si^1Gexl层2111上外延一厚度为Tsil的Si层2112，其中，I彡Tsil ( IOOnm,以形成SiyGe^Si双层薄膜211，然后多次重复外延(即本实施例二中以ml为周期进行周期外延)所述Sih1GeJSi双层薄膜211，其中周期ml的范围是2^ ml ^ 50，且ml为正整数，以在所述Si衬底上制备出第一种超晶格21。需要特别说明的是，为了便于理解，在本实施例二中，具体的实施过程以所述周期ml = 4为例进行简化说明,但并非将所述周期ml局限于本实施例二中的ml = 4, ml也可以取值为5，10等等。因此，在本实施例二中，如图4所示，所述超晶格层组21是由所述Sih1GexlZiSi 双层薄膜 211、212、213 和 214 组成。在本实施例二中,所述Sih1GexlZSi 双层薄膜 211 中，T1sicel = IOnm, T1sil = IOnm ；所述 SVxiGexl/Si 双层薄膜 212 中,T11sicel = IOnm, T11sil = IOnm ;所述 S“_xlGexl/Si 双层薄膜
213中，Tiiisicel = IOnm, Tiiisil = IOnm ;所述 SUeJSi 双层薄膜 214 中，Tivsicel = IOnm,Tivsil = IOnm;需要特殊说明的是，“周期外延”时，各个所述Sih1GexlZiSi双层薄膜中所述Sih1Gexl的Ge组分xl保持一致，各个所述Si^Ge^Si双层薄膜中所述Sih1Gexl层的厚度取值相等，所述Si层的厚度取值也相等，但是所述Sih1Gexl层与所述Si层的厚度取值并没有相关性，既可以相等也可以不相等，具体地，在本实施例二中，周期ml = 4时，Tisicel =T11SiGel = T111siGel = T^siGel T1gil = T11gn = Tlll5n = T1、i,但 T1sicel 与 T1fjn 的取值既可以相等也可以互不相等。接着执行步骤1-2)。如图4所示，在步骤1-2)中，依据所述步骤1-1)中制备所述第一种超晶格21的相同手段，在所述第一种超晶格21上制备出Ge组分为x2的第二种超晶格22，其中，
I( Tsice2 ( lOOnm, I ( Tsi2 ( IOOnm,多次重复外延(即本实施例二中以m2为周期进行周期外延)，周期m2的范围是2彡m2 ( 50，且m2为正整数，O < x2 < I,以形成由所述第一种超晶格21和第二种超晶格22组成的超晶格层组，具体地，x2 = 0.25为优选值，周期ml=m2 = 4。
在本实施例二中，对于所述第二种超晶格22，Sih2Gex2ZiSi双层薄膜221中，Tisice2=IOnm7T1si2 = IOnm ;Si^x2Gex2ZSi 双层薄膜 222 中，T11sice2 = IOnm7T11si2 = IOnm !Sih2Gex2/Si 双层薄膜 223 中，Tmsice2 = IOnm, Tiiisi2 = IOnm ；Si1^x2Gex2ZSi 双层薄膜 224 中，Tivsice2 =IOnm, Tivsi2 = IOnm ;需要特殊说明的是，“周期外延”时，各个所述Si^Ge^Si双层薄膜中Sih2Gex2的Ge组分x2保持一致，各个所述Si^2Gex2ZiSi双层薄膜中所述Sipx2Gex2层的厚度取值相等，Si层的厚度取值也相等，但是所述Sih2Gex2与所述Si层的厚度取值并没有相关性，即在本实施例二中，周期 m2 = 4 时，Tisiee2 = Tiisice2 = Tiiisice2 = Tivsice2, Tisi2 = Tiisi2=Tiiisi2 = Tivsi2，但Tisifc2与Tisi2的取值既可以相等也可以互不相等。另外，需要进一步说明的是，A),所述第一种超晶格21中每个所述Sih1GexlZ^i双层薄膜Ge组分xl取值相同，其中O < xl < I，所述第二种超晶格22中每个所述Sipx2Gex2/Si双层薄膜Ge组分x2取值相同,其中O < x2 < I且xl古x2 ;B),所述第一种超晶格21采用所述周期ml进行“周期外延”，所述第2种超晶格22采取周期m2进行“周期外延”，在本实施例二中，虽然所述周期ml = m2 = 4，但并非将所述周期ml和m2局限于此，其中，所述周期ml和m2均为正整数，且2彡ml彡50，2彡m2彡50，但所述周期ml和m2的取值并不存在相关性，即所述周期ml和m2的取值可以相等也可以不相等；C)，对于所述超晶格21和22而言，所述超晶格21的各个所述Sih1GeJSi双层薄膜的厚度取值与所述超晶格22的各个所述Sih2Gex2/Si双层薄膜的厚度取值并没有相关性，具体地，在本实施例二中，所述周期 ml = m2 = 4 时，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的任意两个取值可以相等也可以互不相等。如图5所示，接着执行与实施例一中基本相同的步骤2)和步骤3)，不同之处在于:本实施例二中，所述步骤2)中的虚衬底5由所述超晶格层组和弛豫SipyGey层3组成的，其中，所述超晶格层组包括第一种超晶格21和所述第二种超晶格22。由于位于所述弛豫SipyGey层3下面的所述超晶格层组(包括所述第一种超晶格21和所述第二种超晶格22)可以有效抑制缺陷，使得大部分缺陷集中在所述超晶格层组(包括所述第一种超晶格21和所述第二种超晶格22)中，因此，所述弛豫SipyGey层3可以保持较好的晶体质量。相对于传统方法需要外延几微米甚至十几微米的缓冲层而后再制备出弛豫SiGe层和应变Si，使用本发明嵌入超晶格层组制备应变Si时，只需在Si衬底上外延厚度为一微米左右的虚衬底，而后再制备出应变Si。本发明通过降低制备应变Si所需的虚衬底厚度，可以大大节省外延时间，降低成本。
实施例三实施例三与实施例一、实施例二米用基本相同的技术方案，不同之处在于三者制备超晶格层组包括的超晶格不同。在实施例一中，所述超晶格层组只包括一种超晶格(即所述超晶格21)，在实施例二中，所述超晶格层组包括两种超晶格(即所述超晶格21和所述超晶格22),而在本实施例二中，超晶格层组包括五种超晶格(即超晶格21至超晶格25)。请参阅图6至图7，本发明提供一种嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，该方法至少包括以下步骤:如图6所示，执行与实施例二中基本相同的步骤I)中的步骤1-1)，不同之处在于:Ge组分为xl = 0.05,多次重复外延(即本实施例三中以ml为周期进行周期外延)，ml =
4。接着执行步骤1-2)。如图6所示，在步骤1-2)中，依据所述步骤1-1)中制备所述第一种超晶格21的相同手段，在所述第一种超晶格21上依次制备出Ge组分X取值互不相同的第二种超晶格至第η种超晶格,且同一种超晶格中Ge组分X取值相同,其中，O < xl ^ x2 ^ x3...^ χη
<I (即xl至χη中任意两个互不相等,且xl至χη均属于O I之间)，η范围是3 10,多次重复外延(以m2、m3至mn为周期进行周期外延)，周期m2至mn的范围均在2 50,且m2至mn均为正整数，每种超晶格的各个双层薄膜中的SihnGexnOi为I 10)层和Si层的厚度范围均在I lOOnm，以形成由所述第一种超晶格21至第η种超晶格2η组成的超晶格层组，在本实施例三中，η = 5,以m2、m3、m4、m5为周期进行周期外延，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,即所述超晶格层组包括所述超晶格21至25。需要具体说明的是，在本实施例三中，形成各个所述超晶格21至25时，各个所述“周期外延”的所述周期为ml至m5且取值均为4，但并非将所述周期ml至m5局限于此，其中，所述周期ml至m4均为正整数,且ml至m5的范围都是2 50,但所述周期ml至m5的取值并不存在相关性，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”的各个双层薄膜形成同一种所述超晶格时，所述双层薄膜的厚度取值相同，但是所述双层薄膜中SihnGexnOi = 1,2,3,4,5)层与所述Si层厚度取值并没有相关性，既可以相等也可以互不相等；在所述超晶格21至25中，不同种所述超晶格间的双层薄膜的厚度没有相关性；具体地，在本实施例三中，所述周期ml至m5取值均为4时，所述超晶格 21 至 25 中，对于每一个确定的 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中任意两个的取值可以相等也可以互不相等。如图7所示，接着执行与实施例一中基本相同的步骤2)和步骤3)，不同之处在于:本实施例三中，所述步骤2)中的虚衬底5由所述超晶格层组和弛豫SipyGey层3组成的，其中，所述超晶格层组包括所述超晶格21至25。由于位于所述弛豫311_#\层3下面的所述超晶格层组(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层组(包括所述超晶格21至25)，因此，所述弛豫Sii_yGey层3可以保持较好的晶体质量。相对于传统方法需要外延几微米甚至十几微米的缓冲层而后再制备出弛豫SiGe层和应变Si，使用本发明嵌入超晶格层组制备应变Si时，只需在Si衬底上外延厚度为一微米左右的虚衬底，而后再制备出应变Si。本发明通过降低制备应变Si所需的虚衬底厚度，可以大大节省外延时间，降低成本。实施例四实施例四与实施例一、实施例二、实施例三采用基本相同的技术方案，不同之处在于四者制备的超晶格层 组包括的超晶格不同。在实施例一中，所述超晶格层组只包括一种超晶格(即所述超晶格21)，在实施例二中，所述超晶格层组包括两种超晶格(即所述超晶格21和所述超晶格22),在实施例二中，所述超晶格层组包括五种超晶格(即所述超晶格21至所述超晶格25)，而在本实施例四中，超晶格层组包括九种超晶格(即超晶格21至29)。请参阅图8至图9，本发明提供一种嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，该方法至少包括以下步骤:如图8所示，执行与实施例三中基本相同的步骤I)中的步骤1-1)和步骤1-2)，不同之处在于:在本实施例四中，η = 9,以ml、m2、m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9为周期进行周期夕卜延，ml = m2 = m3 = m4 = m5 = m6 = m7 = m8 = m9 = 3, Ge 组分为 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。需要具体说明的是，在本实施例四中，形成各个所述超晶格21至29时，各个所述“周期外延”的所述周期为ml至m9且取值均为3，但并非将所述周期ml至m9局限于此，其中，所述周期ml至m9均为正整数,且ml至m9的范围都是2 50,但所述周期ml至m9的取值并不存在相关性，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”的各个双层薄膜形成同一种所述超晶格时，所述双层薄膜的厚度取值相同，但是所述双层薄膜中SihnGexnO1 = 1,2,...,8,9)层与所述Si层厚度取值并没有相关性，既可以相等也可以互不相等；在所述超晶格21至29中，不同种所述超晶格间的双层薄膜的厚度没有相关性；具体地，在本实施例四中，所述周期ml至m9取值均为3时，所述超晶格 21 至 29 中，对于每一个确定的 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中任意两个的取值可以相等也可以互不相等。如图9所示，接着执行与实施例一中基本相同的步骤2)和步骤3)，不同之处在于:本实施例四中，所述步骤2)中的虚衬底5由所述超晶格层组和弛豫SipyGey层3组成的，其中，所述超晶格层组包括所述超晶格21至29。由于位于所述弛豫311_#\层3下面的所述超晶格层组(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层组(包括所述超晶格21至29)中，因此，所述弛豫SipyGey层3可以保持较好的晶体质量。综上所述，使用本发明嵌入超晶格层组制备应变Si时，只需在Si衬底上外延厚度为一微米左右的虚衬底，而后再制备出应变Si。相对于制备应变Si的传统方法需要在Si衬底上外延几微米甚至十几微米的缓冲层后再制备出弛豫SiGe层和应变Si，本发明通过降低制备应变Si所需的虚衬底厚度，大大节省了外延所需要的时间，不仅降低了外延所需要的成本，而且减少了由于外延设备长时间不间断进行外延而造成的安全隐患。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或 改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤: 1)，提供一Si衬底，首先在所述Si衬底上外延一 Ge组分为X的Si^Gex层，其中，O < x<I ;其次在所述SihGex层上外延一 Si层，形成SihGexZiSi双层薄膜；然后多次重复外延所述SihGexZiSi双层薄膜，在所述Si衬底上制备出超晶格；形成包括至少一种所述超晶格的超晶格层组； 2)，在所述超晶格层组上外延Ge组分为y的Si^yGey层，其中，O< y < 1，并使所述SipyGey层弛豫以形成弛豫Sii_yGey层，由所述超晶格层组和弛豫Si^yGey层构成虚衬底； 3)，在所述弛豫SipyGey层上外延一Si层，以完成应变Si的制备。
2.根据权利要求1所述的嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，其特征在于:于所述步骤I)中的超晶格层组包括两种超晶格时，包括以下步骤: 1-1)，提供一 Si衬底，首先在所述Si衬底上外延一 Ge组分为X的Si^Gex层，其中，O<X < 1，其次在所述Si^Gex层上外延一 Si层，形成SihGejZSi双层薄膜，然后多次重复外延所述SihGexZiSi双层薄膜，在所述Si衬底上制备出第一种超晶格； 1-2)，依据所述步骤1-1)中制备所述第一种超晶格的相同手段，在所述第一种超晶格上制备出Ge组分X取值互不相同的第二种超晶格，且同一种超晶格中Ge组分x取值相同，以形成由所述第一种超晶格和第二种超晶格组成的超晶格层组。
3.根据权利要求1所述的嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，其特征在于:于所述步骤I)中的超晶格层组包括两种以上超晶格时，包括以下步骤: 1-1)，提供一 Si衬底 ，首先在所述Si衬底上外延一 Ge组分为X的Si^Gex层，其中，O<X < 1，其次在所述Si^Gex层上外延一 Si层，形成SihGejZSi双层薄膜，然后多次重复外延所述SihGexZiSi双层薄膜，在所述Si衬底上制备出第一种超晶格； 1-2)，依据所述步骤1-1)中制备所述第一种超晶格的相同手段，在所述第一种超晶格上依次制备出Ge组分X取值互不相同的第二种超晶格至第η种超晶格，且同一种超晶格中Ge组分X取值相同，以形成由所述第一种超晶格至第η种超晶格组成的超晶格层组，其中，η的范围是3 10。
4.根据权利要求1、2、或3所述的嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，其特征在于:所述步骤I)至步骤3)中是采用化学气相沉积方法、物理气相沉积方法或者分子束外延方法进行外延的。
5.根据权利要求1、2、或3所述的嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，其特征在于:在所述SihGeySi双层薄膜中，所述SihGex层的厚度范围是I lOOnm，所述Si层的厚度范围是I IOOnm ;多次重复外延所述SihGe^Si双层薄膜时，所述重复次数范围是2 50次。
6.根据权利要求1所述的嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，其特征在于，所述步骤2)还包括:在形成所述虚衬底后，将所述Si衬底和所述虚衬底在750 850°C温度下退火I 10分钟，使所述弛豫SipyGey层进一步弛豫。
7.根据权利要求1所述的嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，其特征在于，所述步骤2)还包括:在形成所述虚衬底后，将He离子以5X IO15 3X IO16CnT2的剂量，以30 150keV的能量注入到所述虚衬底中，将所述Si衬底和所述虚衬底在800 900°C温度下退火I 10分钟，使所述弛豫SipyGey层进一步弛豫。
8.根据权利要求1所述的嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，其特征在于，所述步骤3)还包括:在形成所述应变Si后，将所述Si衬底、所述虚衬底和所述应变Si在750 850°C温度下退火I 10分钟，进一步弛豫所述弛豫SVyGey层以使所述应变Si的张应变进一步增大。
9.根据权利要求1所述的嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，其特征在于，所述步骤3)还包括:在形成所述应变Si后，将He离子以5 X IO15 3 X IO16CnT2的剂量，以30 150keV的能量注入到所述虚衬底中，将所述Si衬底、所述虚衬底和所述应变Si在800 900°C温度下退火I 10分钟，进一步弛豫所述弛豫SipyGey层以使所述应变Si的张应变进一步增大。
10.根据权利要求1所述的嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，其特征在于:所述步骤3)中的Si层的厚度范围是3 50nm。
全文摘要
本发明提供一种嵌入超晶格层组制备应变Si的方法，该方法首先在Si衬底上外延一Ge组分为x的Si1-xGex层，其次在所述Si1-xGex层上外延一Si层，形成Si1-xGex/Si双层薄膜，然后多次重复外延所述Si1-xGex/Si双层薄膜，在所述Si衬底上制备出超晶格，形成包括至少一种所述超晶格的超晶格层组，接着在所述超晶格层组上外延一Ge组分为y的Si1-yGey层并使所述Si1-yGey层弛豫以形成弛豫Si1-yGey层，由所述超晶格层组和弛豫Si1-yGey层构成虚衬底，最后在所述弛豫Si1-yGey层上外延一Si层，以完成应变Si的制备。本发明通过降低制备应变Si所需的虚衬底厚度，大大节省了外延所需要的时间，不仅降低了外延所需要的成本，而且减少了由于长时间不间断进行外延而对外延设备造成的损伤。
文档编号H01L21/02GK103165409SQ20111041935
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者薛忠营, 张苗, 狄增峰, 魏星, 陈达 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所