SOI基外延純Ge材料的生長及表征

蔡志猛,陳荔群(.廈門華廈學(xué)院,福建廈門,36000;.集美大學(xué)誠毅學(xué)院,福建廈門,360）

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SOI基外延純Ge材料的生長及表征

蔡志猛1,陳荔群2
(1.廈門華廈學(xué)院,福建廈門,361000;2.集美大學(xué)誠毅學(xué)院,福建廈門,361021）

摘要：利用超高真空化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)采用低溫-高溫兩步法外延Ge材料。我們先在低溫下生長硅鍺作為過渡緩沖層利用其界面應(yīng)力限制位錯(cuò)的傳播，然后在低溫下生長的純鍺層，接著高溫生長純鍺，最后在SOI基上成功的外延出了高質(zhì)量的純鍺層，測試結(jié)果表明厚鍺層的晶體生長質(zhì)量很好，芯片表面也很平整，表面粗糙度5.5nm。

關(guān)鍵詞：超高真空化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)；外延；鍺

0 引言

Ge 材料由于自身在電子和空穴遷移率及禁帶寬度方面都比Si材料更優(yōu)越同時(shí)其晶格常數(shù)同III-V族半導(dǎo)體材料相匹配等優(yōu)點(diǎn),近年來一直是研究的熱點(diǎn)。G鍺材料由于與硅工藝相兼容,被大量應(yīng)用在近紅外光電方面。另一方面,由于硅鍺間高達(dá)4.2%的晶格失配,直接在硅材料上外延鍺材料將會(huì)使得失配位錯(cuò)過多，無法得到平整的表面。同時(shí)過高的位錯(cuò)密度將會(huì)增加得器件的漏電流,導(dǎo)致元件性能下降; 凹凸不平的表面也將得器件加工工藝難度加大。要外延出高質(zhì)量的Ge材料，關(guān)鍵是要尋找到如何減少位錯(cuò)密度和降低表面粗糙度的方法。文獻(xiàn)上已經(jīng)有諸多關(guān)于在硅材料上外延出高質(zhì)量的鍺層的報(bào)道。在這些報(bào)道中組分漸變硅鍺buffer層技術(shù),工藝比較復(fù)雜而且生長的材料過渡層明顯偏厚, 對于小尺寸的集成器件研制不太適合; 相對的低溫鍺緩沖層的技術(shù)工藝較為簡單,該方法以較薄的過渡層和較為平整的表面,成為目前硅基鍺材料生長的主要方法。不過基于低溫鍺緩沖層外延的硅基鍺材料仍然存在較高的位錯(cuò)密度, 需要進(jìn)行循環(huán)熱退火過程進(jìn)一步降低位錯(cuò)密度。

SOI(silicon- on- insulator)材料結(jié)構(gòu)是底層Si上一薄層氧化硅最外層是高質(zhì)量的Si材料。由于氧化硅的存在，將器件與襯底隔離開來, 使得在器件性能有很大的提升，首先它能使寄生電容較小,運(yùn)行速度得以提高， SOI 器件的運(yùn)行速度比體硅材料提高了20- 35%;此外隨著寄生電容的減小,漏電也降低了功耗自然也就下降了, SOI 器件功耗可減小35到70%。此外，這類型的器件能夠抑制來自襯底的脈沖電流干擾, 降低軟錯(cuò)誤的發(fā)生。另外由于與現(xiàn)有硅工藝相兼容，因此工藝簡單。我們在研究硅基外延純鍺的基礎(chǔ)上，不斷研究在SOI襯底上外延高質(zhì)量的純鍺的方法。

1 Si實(shí)驗(yàn)及表征

統(tǒng)中制備的。本底真空可以達(dá)到3×10-8Pa，實(shí)驗(yàn)中利用原位反射高能電子衍射儀（RHEED）全程監(jiān)控。生長所用氣源采用的是高純的乙硅烷（Si2H6）和鍺烷（GeH4）。實(shí)驗(yàn)采用的芯片為4英才N型SOI晶向〈100〉襯底電阻率為1～10 Ω·cm。實(shí)驗(yàn)前將芯片經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗后傳入生長室，將襯底緩慢加熱到850℃保持該溫度30分鐘，目的是為了去掉襯底的本征氧化層得到清潔的生長表面，整個(gè)過程真空度維持在5×10-6Pa以下。脫氧完成后溫度調(diào)整到750℃生長300 nm的硅緩沖層；接著將溫度降低到450℃生長80分鐘Si1-xGex緩沖層，緊接著溫度降低到330攝氏度長4小時(shí)低溫鍺層。低溫鍺層生長完后，溫度調(diào)整到600℃，高溫6小時(shí)生長鍺層。實(shí)驗(yàn)最后在最外層覆蓋一薄層的硅蓋帽層，材料結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　SOI基外延鍺材料結(jié)構(gòu)圖

圖2是生長材料的XRD曲線，掃描模式是ω-2θ，掃描晶面為〈004〉的對稱面。由該圖我們可以觀察到硅襯底峰，低溫硅鍺層和外延鍺層的衍射峰。外延鍺層衍射峰的半高寬是310 arcsec，鍺的衍射峰的峰位與相比于理論上的鍺的衍射峰峰位偏右，表明外延的鍺層存在張應(yīng)變。分析是由于鍺的熱膨脹系數(shù)比硅大，經(jīng)生長時(shí)的高溫冷卻到室溫過程中，鍺層中產(chǎn)生了張應(yīng)力。

我們的材料是在冷壁超高真空化學(xué)氣相沉積(UHV/CVD)系下面我們以XRD曲線分析材料外延層受到的應(yīng)力，材料的晶格常數(shù)垂直方向分量可表示為：

其中是圖2所示XRD曲線峰值位置時(shí)的角度，λ采用的是Cu的kα1線大小0.154 nm。根據(jù)XRD測量曲線可計(jì)算出，由體鍺的晶格常數(shù)公式,

最后由馳豫度關(guān)系式

可以計(jì)算出我們的外延生長的材料馳豫度為103.8%。其水平方向受到了張應(yīng)力的影響，張應(yīng)力的關(guān)系式為

計(jì)算得出張應(yīng)力等于0.24%，應(yīng)力的存在將會(huì)影響到能帶的結(jié)構(gòu)，使得帶隙大小發(fā)生變化。另外，輕重空穴直接帶隙和應(yīng)力間又滿足如下關(guān)系式：

圖3是原子力顯微鏡掃描出來的外延鍺層表面形貌，掃描模式為輕敲模式，掃描大小區(qū)域?yàn)?0 μm ×10 μm，Z方向大小40nm。從圖中可以看出表面平整，質(zhì)地均勻起伏不大，實(shí)驗(yàn)測得在不同區(qū)域樣品的表面粗糙度為5.5nm。

圖2　SOI基外延鍺層〈004〉 面XRD曲線

圖3　SOI基外延鍺層表面AFM掃描圖

2 總結(jié)與討論

采用超高真空化學(xué)氣相沉積設(shè)備，以高純乙硅烷和鍺烷作為氣源，以鍺硅和低溫鍺作為緩沖層，在SOI襯底上成功外延出了高質(zhì)量的純鍺層。原子力顯微鏡表征結(jié)果顯示厚鍺層的晶體生長質(zhì)量很好，芯片表面也很平整，表面粗糙度5.5nm。計(jì)算得出鍺層受到大約為0.2%的張應(yīng)力，這導(dǎo)致鍺的直接帶隙降到0.78eV，Ge的吸收系數(shù)因此得到了增強(qiáng)，，截止波長向延伸外，光響應(yīng)波長擴(kuò)大到1600nm以上。該材料將為Si 基集成高速電子和光電子器件提供重要的平臺(tái)。

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Growth and characterization of SOI based epitaxial pure Ge materials

Cai Zhimeng1,Chen Liqun2
(1.Xiaman Huaxia University,Fujian Xiamen,361000;
2.Jimei University Fujian Xiamen,361021,Chengyi College)

Abstract：The tensile stained Ge grown on a silicon-on-insulator(SOI)substrate were fabricated successfully by ultra-high chemical wapor deposition.Firsty, a thin relaxed low-temperature SiGe buffer was grown followed by a low-temperature Ge layer,then,a high temperature Ge layer was grown at 600℃.High crystal quality and low surface roughness of 0.55nm of the Ge layer are characterized.

Keywords：UHV-CVD;Epitaxy;Ge

通訊作者：蔡志猛

*基金項(xiàng)目：福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JA15654）