本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造及設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種GaAs/Si外延材料制備方法。

背景技術(shù)：

GaAs薄膜由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)(直接帶隙、同太陽(yáng)光譜匹配的禁帶寬度、高光吸收系數(shù)等)越來(lái)越受人們關(guān)注，是近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，其制備方法包括磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法和分子束外延法等。由于Si材料便宜，工藝成熟，且有大直徑晶圓，因此，目前出現(xiàn)了很多基于Si材料的應(yīng)用，基于硅材料的微電子器件不斷推動(dòng)著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，在Si基上外延生長(zhǎng)GaAs薄膜，有利于降低成本和器件集成。但是，GaAs與硅材料之間晶格匹配性差，直接在Si襯底上制備GaAs材料，將產(chǎn)生極高的位錯(cuò)密度(10⁹cm^-2－10¹⁰cm^-2量級(jí))；另外，對(duì)GaAs/Si異質(zhì)外延，GaAs薄膜與襯底Si之間熱膨脹系數(shù)差異會(huì)導(dǎo)致熱失配應(yīng)變和應(yīng)力。晶格失配引起位錯(cuò)，熱應(yīng)力失配在較大外延厚度時(shí)會(huì)引起薄膜龜裂(Crack)，導(dǎo)致外延出來(lái)的薄膜質(zhì)量不佳。

人們一直在探索克服上述問(wèn)題的方法，近年來(lái)，人們提出采用量子點(diǎn)的應(yīng)力場(chǎng)改變外延材料中位錯(cuò)的傳播方向?，F(xiàn)有技術(shù)中，有采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)生長(zhǎng)In(Ga)As量子點(diǎn)位錯(cuò)阻擋層來(lái)降低GaAs/Si外延材料位錯(cuò)密度的報(bào)道，但是其生長(zhǎng)速率慢，且多層In(Ga)As量子點(diǎn)位錯(cuò)阻擋層在GaAs/Si外延材料中會(huì)積累很強(qiáng)的壓應(yīng)變能，從而使制備的材料具有較大的應(yīng)力。中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)說(shuō)明書(shū)201410514645.7中介紹了一種GaAs/Si外延材料的MOCVD制備方法，通過(guò)多層量子點(diǎn)位錯(cuò)阻擋層改變外延材料中位錯(cuò)的傳播方向，減少位錯(cuò)，其過(guò)程為：利用MOCVD方法在清潔的單晶硅襯底上依次生長(zhǎng)GaAs低溫成核層、中溫緩沖層、第一高溫緩沖層、第二高溫緩沖層、變溫緩沖層、多層量子點(diǎn)位錯(cuò)阻擋層和應(yīng)變插入層，最后生長(zhǎng)GaAs外延層，工藝過(guò)程復(fù)雜，并且雖然通過(guò)應(yīng)變超晶格的張應(yīng)力作用，可以平衡多層量子點(diǎn)位錯(cuò)阻擋層的應(yīng)變能，從而減小或消除材料的總應(yīng)變能，但仍舊有應(yīng)力隱憂。所以，應(yīng)力場(chǎng)減少外延材料中位錯(cuò)的方法，在后續(xù)的器件制作中易產(chǎn)生裂紋，降低器件品質(zhì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種GaAs/Si外延材料制備方法，有效降低位錯(cuò)密度，減小熱應(yīng)力失配，其工藝過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，并且制備的材料對(duì)后續(xù)材料制備無(wú)附加應(yīng)力隱患。

本發(fā)明提供一種GaAs/Si外延材料制備方法，包括以下步驟：

選取單晶Si襯底，并對(duì)單晶Si襯底清洗；

在所述單晶Si襯底上形成凹層；

在所述凹層上形成Si薄膜層，Si薄膜層在凹層的凹槽處懸空設(shè)置；

在所述Si薄膜層上形成GaAs種子層；

在所述GaAs種子層上形成GaAs第一緩沖層；

在所述GaAs第一緩沖層上形成GaAs第二緩沖層；

在所述GaAs第二緩沖層上形成GaAs外延層。

優(yōu)選地，所述單晶硅襯底的晶面為(100)晶面，偏向(011)晶面4°～6°，為本征型、n型或p型硅片，厚度400～500μm。

優(yōu)選地，所述凹層的形成過(guò)程為：首先，向單晶Si襯底中高能離子注入Si離子，然后選擇性刻蝕注入Si離子后的單晶Si襯底，形成陣列排布的凹槽構(gòu)成的凹層，厚度50～100nm。

優(yōu)選地，所述凹層的凹槽，下寬上窄，與上面的Si薄膜層以及下面的未注入Si離子的單晶Si襯底表面組成梯形結(jié)構(gòu)。

更優(yōu)地，在對(duì)所述單晶Si襯底進(jìn)行離子注入前，首先在單晶Si襯底表面形成SiO2薄層，離子注入通過(guò)該SiO2薄層進(jìn)行，離子注入后將其去除。

優(yōu)選地，所述Si薄膜層通過(guò)1000～1100℃氫氣氣氛下退火得到，厚度10～15nm,Si薄膜層在凹層的凹槽處懸空設(shè)置。

優(yōu)選地，所述種子層生長(zhǎng)溫度400～450℃，厚度15～25nm；所述GaAs第一緩沖層生長(zhǎng)溫度580～620℃，厚度200～300nm；所述GaAs第二緩沖層生長(zhǎng)溫度650～690℃，厚度500～600nm，生長(zhǎng)結(jié)束后，在氫氣和砷烷混合氣體氛圍中進(jìn)行4～5次原位熱循環(huán)退火，所述熱循環(huán)退火為從350℃到750℃之間的3～5次熱循環(huán)退火；所述GaAs外延層生長(zhǎng)溫度670℃～690℃，厚度1200～1300nm。

本發(fā)明具有以下有益效果：在本發(fā)明提供的一種GaAs/Si外延材料制備方法中，通過(guò)單晶Si襯底上選擇性刻蝕凹層，Si薄膜層在凹層的凹槽處懸空設(shè)置，有效釋放單晶Si襯底與GaAs之間的熱失配應(yīng)力，同時(shí)凹層上的Si薄膜層很薄，通過(guò)該薄層適當(dāng)?shù)木Ц窕儯梢耘cGaAs之間形成良好的晶格匹配，有效減少晶格失配引起的位錯(cuò)，同時(shí)通過(guò)緩沖層的作用進(jìn)一步減少位錯(cuò)，提高外延片質(zhì)量。同時(shí)，本發(fā)明未引入附加應(yīng)力場(chǎng)，在后續(xù)的器件制作中對(duì)器件品質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生附加的不良影響。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例，下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的外延片的形成方法流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的外延材料的剖視圖；

具體實(shí)施方案

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出。

本發(fā)明的一種GaAs/Si外延材料制備方法，包括以下步驟：

步驟101：選取單晶Si襯底1，并對(duì)單晶Si襯底1清洗；

步驟102：在所述單晶Si襯底1上形成凹層2；

步驟103：在所述凹層2上形成Si薄膜層3，Si薄膜層3在凹層2的凹槽21處懸空設(shè)置；

步驟104：在所述Si薄膜層3上形成GaAs種子層4；

步驟105：在所述GaAs種子層4上形成GaAs第一緩沖層5；

步驟106：在所述GaAs第一緩沖層5上形成GaAs第二緩沖層6；

步驟107：在所述GaAs第二緩沖層上形成GaAs外延層7。

實(shí)施例1：

步驟101：選取單晶Si襯底1，并對(duì)單晶Si襯底1清洗。

所述單晶Si襯底1的晶面為(100)晶面，為本征型n型硅片，厚度400μm，硅的生長(zhǎng)偏向(011)晶面6°，用以形成雙原子臺(tái)階，抑制反向疇的形成。

步驟102：在所述單晶Si襯底1上形成凹層2。

所述凹層2的形成過(guò)程為：首先，在單晶Si襯底1表面熱氧化形成SiO2薄層，離子注入通過(guò)該SiO2薄層進(jìn)行，防止單晶Si襯底1在離子注入過(guò)程中被污染，高能離子注入Si,之后用HF將SiO2薄層去除，然后選擇性濕法刻蝕注入Si離子后的單晶Si襯底1，形成陣列排布的凹槽21，構(gòu)成凹層2，厚度70nm。

步驟103：在所述凹層上形成Si薄膜層3，Si薄膜層3在凹層2的凹槽21處懸空設(shè)置。

所述Si薄膜層3通過(guò)1100℃氫氣氣氛下退火得到，厚度10nm。通過(guò)高溫氫氣氣氛退火能使表面原子發(fā)生遷移,由于凹層2中的凹槽21下寬上窄，即未被刻蝕掉的凹層2的各凹槽21頂端距離很近，氫氣氣氛下高溫退火形成Si薄膜層3，Si薄膜層3在凹層2的凹槽21處懸空設(shè)置。

步驟104：在所述Si薄膜層3上形成GaAs種子層4。

所述種子層4生長(zhǎng)溫度420℃，厚度18nm；源流量為：三甲基鎵2.7×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。該層作用為在Si薄膜層3表面形成一層連續(xù)的GaAs薄層，防止高溫生長(zhǎng)條件下的大尺寸三維島狀生長(zhǎng)，并釋放GaAs/Si薄膜的大失配應(yīng)變能。

步驟105：在所述GaAs種子層上形成GaAs第一緩沖層5。

所述GaAs第一緩沖層5生長(zhǎng)溫度600℃，厚度200nm；源流量分別為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。該層主要是提高GaAs材料的晶體質(zhì)量，并改善硅襯底上GaAs薄膜的表面形貌。

步驟106：在所述GaAs第一緩沖層上形成GaAs第二緩沖層6。

所述GaAs第二緩沖層6生長(zhǎng)溫度670℃，厚度600nm，源流量分別為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。生長(zhǎng)結(jié)束后，在氫氣和砷烷混合氣體氛圍中進(jìn)行5次原位熱循環(huán)退火，所述熱循環(huán)退火為從350℃到750℃之間的5次熱循環(huán)退火；該層利用這種退火，可以有效地降低GaAs薄膜中主要的高密度穿透位錯(cuò)，提高晶體質(zhì)量。

步驟107：在所述GaAs第二緩沖層6上形成GaAs外延層7。

所述GaAs外延層7生長(zhǎng)溫度690℃，厚度1250nm。源流量分別為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。

實(shí)施例2：

步驟101：選取單晶Si襯底1，并對(duì)單晶Si襯底1清洗。

所述單晶Si襯底1的晶面為(100)晶面，為本征型n型硅片，厚度400μm，硅的生長(zhǎng)偏向(011)晶面4°。

步驟102：在所述單晶Si襯底1上形成凹層2。

所述凹層2的形成過(guò)程為：首先，向單晶Si襯底1中高能離子注入Si離子，然后選擇性干法刻蝕注入Si離子后的單晶Si襯底，形成陣列排布的凹槽21，構(gòu)成凹層2，厚度90nm。

步驟103：在所述凹層2上形成Si薄膜層3，Si薄膜層3在凹層2的凹槽處21懸空設(shè)置。

所述Si薄膜層3通過(guò)1000℃氫氣氣氛下退火得到，厚度15nm，Si薄膜層3在凹層2的凹槽21處懸空設(shè)置。

步驟104：在所述Si薄膜層3上形成GaAs種子層4。

所述種子層4生長(zhǎng)溫度450℃，厚度25nm；源流量為：三甲基鎵2.7×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。

步驟105：在所述GaAs種子層4上形成GaAs第一緩沖層5。

所述GaAs第一緩沖層5生長(zhǎng)溫度615℃，厚度280nm。源流量分別為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。

步驟106：在所述GaAs第一緩沖層5上形成GaAs第二緩沖層6。

所述GaAs第二緩沖層6生長(zhǎng)溫度690℃，厚度530nm，源流量分別為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。生長(zhǎng)結(jié)束后，在氫氣和砷烷混合氣體氛圍中進(jìn)行4次原位熱循環(huán)退火，所述熱循環(huán)退火為從350℃到750℃之間的5次熱循環(huán)退火。

步驟107：在所述GaAs第二緩沖層6上形成GaAs外延層7。

所述GaAs外延層7生長(zhǎng)溫度690℃，厚度1300nm。源流量分別為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。