SOI基外延純Ge材料的生長及表征

蔡志猛,陳荔群(.廈門華廈學院,福建廈門,36000;.集美大學誠毅學院,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.廈門華廈學院,福建廈門,361000;2.集美大學誠毅學院,福建廈門,361021）

摘要：利用超高真空化學氣相沉積系統采用低溫-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力限制位錯的傳播，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量的純鍺層，測試結果表明厚鍺層的晶體生長質量很好，芯片表面也很平整，表面粗糙度5.5nm。

關鍵詞：超高真空化學氣相沉積系統；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材料更優越同時其晶格常數同III-V族半導體材料相匹配等優點,近年來一直是研究的熱點。G鍺材料由于與硅工藝相兼容,被大量應用在近紅外光電方面。另一方面,由于硅鍺間高達4.2%的晶格失配,直接在硅材料上外延鍺材料將會使得失配位錯過多，無法得到平整的表面。同時過高的位錯密度將會增加得器件的漏電流,導致元件性能下降; 凹凸不平的表面也將得器件加工工藝難度加大。要外延出高質量的Ge材料，關鍵是要尋找到如何減少位錯密度和降低表面粗糙度的方法。文獻上已經有諸多關于在硅材料上外延出高質量的鍺層的報道。在這些報道中組分漸變硅鍺buffer層技術,工藝比較復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密度, 需要進行循環熱退火過程進一步降低位錯密度。

SOI(silicon- on- insulator)材料結構是底層Si上一薄層氧化硅最外層是高質量的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,運行速度得以提高， SOI 器件的運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, 降低軟錯誤的發生。另外由于與現有硅工藝相兼容，因此工藝簡單。我們在研究硅基外延純鍺的基礎上，不斷研究在SOI襯底上外延高質量的純鍺的方法。

1 Si實驗及表征

統中制備的。本底真空可以達到3×10-8Pa，實驗中利用原位反射高能電子衍射儀（RHEED）全程監控。生長所用氣源采用的是高純的乙硅烷（Si2H6）和鍺烷（GeH4）。實驗采用的芯片為4英才N型SOI晶向〈100〉襯底電阻率為1～10 Ω·cm。實驗前將芯片經過標準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，整個過程真空度維持在5×10-6Pa以下。脫氧完成后溫度調整到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小時低溫鍺層。低溫鍺層生長完后，溫度調整到600℃，高溫6小時生長鍺層。實驗最后在最外層覆蓋一薄層的硅蓋帽層，材料結構如圖1所示。

圖1　SOI基外延鍺材料結構圖

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變。分析是由于鍺的熱膨脹系數比硅大，經生長時的高溫冷卻到室溫過程中，鍺層中產生了張應力。

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

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

最后由馳豫度關系式

可以計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力的影響，張應力的關系式為

計算得出張應力等于0.24%，應力的存在將會影響到能帶的結構，使得帶隙大小發生變化。另外，輕重空穴直接帶隙和應力間又滿足如下關系式：

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，掃描大小區域為10 μm ×10 μm，Z方向大小40nm。從圖中可以看出表面平整，質地均勻起伏不大，實驗測得在不同區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 總結與討論

采用超高真空化學氣相沉積設備，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量的純鍺層。原子力顯微鏡表征結果顯示厚鍺層的晶體生長質量很好，芯片表面也很平整，表面粗糙度5.5nm。計算得出鍺層受到大約為0.2%的張應力，這導致鍺的直接帶隙降到0.78eV，Ge的吸收系數因此得到了增強，，截止波長向延伸外，光響應波長擴大到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。

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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

*基金項目：福建省中青年教師教育科研項目（JA15654）