一种提高锗薄膜张应变的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种提高锗薄膜张应变的制备方法，包括如下步骤：步骤一)准备材料；步骤二)退火；步骤三)冷却处理；步骤四)取出锗薄膜综合材料。本发明专利技术对锗材料进行退火和冷却处理，就能获得一定量的张应变，对锗薄膜的厚度没有限制，具有工艺简单，容易实现，制备成本低，适合大批量生产等特点。所述制备方法可以用于锗沟道MOSFET器件和锗光电子器件制备工艺流程中，与硅基CMOS工艺相兼容。

【技术实现步骤摘要】
一种提高锗薄膜张应变的制备方法
本专利技术属于材料领域,涉及一种提高锗薄膜张应变的制备方法。
技术介绍
以硅为标志的微电子技术在信息产业的发展中发挥了重要的作用。然而，随着集成电路集成度的不断提高，电子元器件的尺寸将越来越小，微电子技术将面临着散热问题严重、功耗大、工艺难度大等诸多问题。因此我们需要寻找一种与硅工艺相兼容的新一代硅基材料和技术来进一步发展集成电路。锗材料具有比硅材料更高的载流子迁移率，是制备高速微电子和光电子器件的理想材料之一；锗器件的制作工艺不仅与硅CMOS工艺完全兼容，而且制作成本低，因此，锗材料的开发得到了国内外专家的广泛关注。相比于传统的锗材料，张应变锗材料具有更多的优势，应用前景更加广阔。比如：在制备GeMOSFET器件方面，适当地在Ge材料中引入张应变，可以进一步提高其载流子的迁移率，从而提高器件的性能；在光电子器件方面，张应变Ge材料可以提高Ge的直接带隙发光效率，从而用于制备激光器的增益介质。因此，张应变Ge材料的制备能极大的地促进硅基微电子技术和光电子技术的向前发展。目前，提高锗材料张应变的方法主要有以下几种：一种方法是在Si衬底上外延生长Ge材料，外延生长温度为500℃～800℃，当温度降低到室温时，可以在锗中引入约为0.25％的张应变，该方法是在外延生长Ge材料过程中自然引入的张应变，其张应变值比较小。另一种方法是通过在Ge薄膜材料上施加机械应力以提高其张应变，这一类方法无法与硅CMOS工艺兼容，不利于芯片的大批量生产。此外，还可以在GaAs衬底上利用组分渐变的InxGa1-xAs缓冲层技术外延生长Ge材料，获得张应变的Ge材料，但是由于受到Ge临界厚度的限制，该方法得到的Ge比较薄，约为10nm左右，并且该方法与现有的硅CMOS工艺不相兼容，不利于大批量生产。由此我们可以看出，已有的提高锗薄膜张应变的方法都存在工艺条件要求高、工艺过程复杂、难以与传统硅CMOS工艺相兼容等缺点。
技术实现思路
为克服上述问题本专利技术提供了一种提高锗薄膜张应变的制备方法,能与传统硅CMOS工艺相兼容并且工艺制备过程简单，能有效提高锗薄膜张应变的方法。为实现上述目的本专利技术的技术方案是：一种提高锗薄膜张应变的制备方法,包括如下步骤:步骤一)准备材料:准备一种锗薄膜综合材料，所述锗薄膜综合材料包括锗薄膜和非锗基底材料，所述锗薄膜生长在非锗基底材料上，并且锗薄膜的热膨胀系数与非锗基底材料的热膨胀系数不同；步骤二)退火：将锗薄膜综合材料放入退火炉在惰性气体氛围中退火，所述退火温度≥300℃且低于锗和非锗基底材料的熔点，退火时间为≥10分钟；步骤三)冷却处理：将退火后的锗薄膜综合材料置于77K～300K温度下冷却，冷却时间≥10分钟；步骤四)取出锗薄膜综合材料。进一步的改进，所述步骤一)中,锗薄膜综合材料为硅基底上外延生长锗薄膜或绝缘层上锗薄膜。进一步的改进，所述步骤三)中,将退火后的锗薄膜综合材料置于装有液氮的保温杯中，所述保温杯是具有温度控制系统的冷却装置。本专利技术对锗材料进行退火和冷却处理，就能获得一定量的张应变，对锗薄膜的厚度没有限制，具有工艺简单，容易实现，制备成本低，适合大批量生产等特点。所述制备方法可以用于锗沟道MOSFET器件和锗光电子器件制备工艺流程中，与硅基CMOS工艺相兼容。附图说明下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述：图1一种提高锗薄膜张应变的制备方法流程示意图；图2实施例1中锗薄膜产生的张应变与退火温度的关系示意图。具体实施方式：实施例1如图1一种提高锗薄膜张应变的制备方法流程图。首先准备硅基底上外延生长锗薄膜材料：将厚度为800μm的免清洗的Si基底放入化学汽相沉积系统生长一层0.5μm的锗薄膜；然后取出硅基底上外延生长锗薄膜材料，将它放入充有氮气的退火炉中，退火炉温度设置为800℃，退火时间设置为20分钟；退火结束后迅速将硅基底上外延生长锗薄膜材料取出放入装有液氮的保温杯中冷却20分钟；然后取出硅基底上外延生长锗薄膜材料。由于锗材料与Si材料的热膨胀系数不同，通过高温退火冷却到77K后将得到0.4％张应变的硅基底上外延生长锗薄膜材料，比直接在硅基底上外延生长锗得到的0.25％的张应变提高了1.6倍。把硅基底上外延生长锗薄膜材料放入退火炉退火时，在高温时的锗材料处于完全弛豫的状态，退火结束后迅速将材料放入液氮环境下冷却，从高温冷却到液氮(温度为77K)的过程中，由于处在同一温度下的锗的热膨胀系数均比硅大，因此冷却时锗的平行晶格收缩的程度将比硅大，但是由于基底硅的阻碍作用，锗的平行晶格收缩将受到限制，表现出被拉伸的状态，从而使得冷却后锗的平行晶格比体锗的平行晶格大，即在锗薄膜中产生了张应变。由于材料的热膨胀系数主要与材料的热振动密切相关，随着温度的降低，材料热振动减弱，从而导致热膨胀系数降低，也就是说，材料的热膨胀系数与环境的温度是密切相关的。锗和硅材料的热膨胀系数与温度的关系可以用式(1)、(2)描述：αGe(T)＝6.050x10-6+3.600x10-9T-0.350x10-12T2(K-1)(1)αSi(T)＝[3.725x(1-e[-5.88x10-3(T+149.15)])+5.548x10-4T]x10-6(K-1)(2)对于从高温状态冷却到低温状态下的锗薄膜产生的张应变可以用式(3)、(4)表示：其中YGe＝102.1GPa，YSi＝130.4GPa，分别为锗和硅的杨氏模量大小，hGe、hSi分别为外延生长的锗材料和硅基底材料的厚度。锗薄膜产生的张应变与退火温度的关系如图2所示。本实施例中，硅基底和锗材料的厚度分别为800μm和0.5μm，退火温度为1073K(即800℃)时，则冷却到液氮环境下(77K)可以得到约为0.4％张应变的锗薄膜，比直接在硅基底上外延生长锗得到的0.25％的张应变提高了1.6倍。用该方法制备张应变锗薄膜不仅容易和成熟的硅基CMOS工艺相集成，而且具有工艺简单，制备成本低，降低生产难度，适合大批量生产等优点。实施例2一种提高锗薄膜张应变的制备方法：准备绝缘层上锗薄膜材料：所述绝缘层上锗薄膜材料的Si基底上有一层1.2μm的SiO2材料，SiO2材料上有一层0.1μm的锗薄膜。将它放入充有氮气的退火炉中，退火炉温度设置为850℃，退火时间设置为20分钟；退火结束后迅速将绝缘层上锗薄膜材料取出放入装有液氮的保温杯中冷却20分钟；然后取出绝缘层上锗薄膜材料。由于锗材料与Si材料的热膨胀系数不同，通过高温退火冷却到77K后将得到0.5％张应变的硅基底上外延生长锗薄膜材料，比直接在硅基底上外延生长锗得到的0.25％的张应变提高了2倍。实施例3一种提高锗薄膜张应变的制备方法：准备绝缘层上锗薄膜材料：所述绝缘层上锗薄膜材料的有一层500μm的SiO2材料，SiO2材料上有一层0.2μm的锗薄膜。将它放入充有氮气的退火炉中，退火炉温度设置为600℃，退火时间设置为10分钟；退火结束后迅速将绝缘层上锗薄膜材料取出放入装有液氮的保温杯中冷却10分钟；然后取出绝缘层上锗薄膜材料。由于锗材料与Si材料的热膨胀系数不同，通过高温退火冷却到300K后将得到0.35％张应变的硅基底上外延生长锗薄膜材料，比直接在硅基底上外延生长锗得到的0.25％的张应变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高锗薄膜张应变的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤一)准备材料:准备一种锗薄膜综合材料，所述锗薄膜综合材料包括锗薄膜和非锗基底材料，所述锗薄膜生长在非锗基底材料上，并且锗薄膜的热膨胀系数与非锗基底材料的热膨胀系数不同；步骤二)退火：将锗薄膜综合材料放入退火炉在惰性气体氛围中退火，所述退火温度≥300℃且低于锗和非锗基底材料的熔点，退火时间≥10分钟；步骤三)冷却处理：将退火后的锗薄膜综合材料置于77K～300K温度下冷却，冷却时间≥10分钟；步骤四)取出锗薄膜综合材料。

【技术特征摘要】
1.一种提高锗薄膜张应变的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤一)准备材料:将非锗基底材料放入化学汽相沉积系统生长一层锗薄膜，并且锗薄膜的热膨胀系数与非锗基底材料的热膨胀系数不同；步骤二)退火：将锗薄膜综合材料放入退火炉在惰性气体氛围中退火，退火温度≥300℃且低于锗和非锗基底材料的熔点，退火时间≥10分...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄诗浩，陈佳新，谢文明，林抒毅，聂明星，邵明，林承华，蒋新华，
申请(专利权)人：福建工程学院，
类型：发明
国别省市：福建;35