一种高锗含量锗硅薄膜的低温外延制备方法与流程

本发明涉及一种在硅片上直接生长锗硅合金薄膜的方法，更具体的说，它涉及到硅片上直接外延高锗含量(锗含量大于50％)的锗硅薄膜生长条件的优化，包括衬底的处理、缓冲层的生长以及锗硅合金生长温度的优化过程。

背景技术：

硅(si)和锗(ge)是最为常见的半导体材料，也是重要的电子元器件材料。锗硅合金，带隙可调，采用标准的cmos工艺，可获得理想的电子调控性能,具有重要的应用价值。但是由于锗和硅的晶格失配度在4％以上，很难直接在硅衬底上获得高质量的高锗含量的锗硅外延薄膜和器件结构。同时由于锗衬底价格昂贵,且不具备绝缘性质，在锗上进行外延也并不理想。

在目前已有的硅衬底上外延gesi合金的研究中，锗含量大多在50％以下。由于硅的晶格常数是0.5430nm，锗的晶格常数是0.5646nm，如果要在锗硅合金上再外延锗，具有50％锗含量的锗硅合金与外延锗之间仍然有3.65％的晶格失配，所以进一步提高锗硅合金中锗的含量是非常必要的。

现有在硅片上生长高锗含量的锗硅合金的方法是：先在硅片上生长低锗含量的锗硅合金，再不断提高锗含量的逐层生长模式。这种方法操作复杂，需要不断地改变锗硅比例,浪费时间且成本高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在硅片上低温生长晶格常数可调的高质量锗硅(gexsi1-x)薄膜材料的制备方法，这种薄膜材料可与传统cmos工艺融合。

本发明采用的技术方案如下：

一种高锗含量锗硅薄膜的低温外延制备方法，具体步骤包括：

(1)提供(100)晶面的硅衬底；

(2)在1350℃的高温下对所述硅衬底进行去氧化处理，去氧化时间为10分钟；

(3)通过分子束外延的方法，在去氧化后的硅衬底之上生长一层20-50nm厚的硅缓冲层，生长温度为700℃；

(4)将所述硅缓冲层降温到生长温度，该生长温度在300℃以下，然后生长gexsi1-x合金，通过改变ge和si的生长速率调节ge的含量，也就是x值。

进一步地，所述x值的范围为0.5～0.83。

进一步地，所述步骤(4)中，gexsi1-x合金的生长温度为100-300℃。

进一步地，所述步骤(4)中，ge的生长速率为si的生长速率为

本发明在硅衬底上低温外延生长高锗含量的gesi合金，提供了一种新型的制备手段，可以获得高质量的锗硅合金薄膜，具有以下优势：

(1)制备得到的高锗含量的锗硅(gexsi1-x)薄膜减小了锗与硅衬底之间的晶格失配度；

(2)可以通过控制硅源炉和锗源炉的生长速率方便地调整锗硅薄膜中的锗硅含量比，锗含量最高可达83％；

(2)使用低温(≤300℃)生长的方式，有利于降低不同薄膜间的热失配度，从而减少弛豫现象；

(3)利用本发明方法制备的锗硅合金薄膜材料，其表面平整，并且在400℃退火后仍然很平整(粗糙度小于1nm)；而且衬底与薄膜之间界面清晰且没有出现扩散；

(4)该方法可直接在硅片上生长出高锗含量的锗硅(gexsi1-x)薄膜，不需要通过逐步提高锗含量的逐层生长模式生长，所以操作更简单，成本更低。

附图说明

图1是本发明低温生长的锗硅(gexsi1-x)薄膜材料的结构示意图。

图2在100℃下生长的不同ge含量的锗硅(gexsi1-x)薄膜的x射线衍射图，从下到上x值分别为0.5，0.63，0.74和0.83。

图3是100℃下生长的不同ge含量的锗硅(gexsi1-x)薄膜的原子力显微镜图，(a)、(b)、(c)、(d)图分别对应x值为0.50，0.63，0.74和0.83的样品。

图4是100℃下生长的锗硅(ge0.5si0.5)薄膜的高分辨透射电子显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供了一种通过分子束外延在硅片上低温生长晶格常数可调的锗硅(gexsi1-x)薄膜的制备方法。图1是本实施例锗硅(gexsi1-x)薄膜的结构示意图，具体制备方法如下：

通过固态源分子束外延，首先对(100)晶面硅衬底进行去氧化处理，也就是去除表面的氧化物。保持衬底旋转，旋转速度为10转/分钟，将衬底加热器升高至1350℃，保持10分钟。

然后通过分子束外延的方法在去氧化好的si(100)衬底上生长一层50nm的si缓冲层。生长温度为700℃，生长速率为本实施例中使用的si源炉是电子束蒸发源。

最后通过分子束外延的方法在si缓冲层上生长锗硅(gexsi1-x)薄膜。这里选取的生长温度为100℃，ge源炉是热蒸发源炉，控制它的生长速率不变，为通过改变电子束蒸发源炉，也就是si源炉的激发电流而改变si的生长速率，分别为从而就可以得到ge含量不同的锗硅(gexsi1-x)薄膜样品，对应的x值分别为0.50，0.63，0.74和0.83。

图2显示了不同ge含量的锗硅(gexsi1-x)薄膜的x射线衍射图，从下到上x值分别为0.50，0.63，0.74和0.83。每个样品的x射线衍射图中的gexsi1-x峰附近均出现了卫星峰，说明本实施例中生长的薄膜质量很好，界面平整。图3显示的是100℃下生长的不同ge含量的锗硅(gexsi1-x)薄膜的原子力显微镜图，可以看出，每个样品的表面起伏度都为级别，说明薄膜表面很平整。图4所示的是100℃生长的锗硅(ge0.5si0.5)薄膜的高分辨透射电子显微镜图，可以观察到原子级别的晶格排布，并且衬底与薄膜之间界面清晰，没有发生扩散现象。

根据以上这些表征可以看出，本发明在硅片上生长的高锗含量的锗硅(gexsi1-x)薄膜质量很好。