应用于生长外延晶体的通用衬底及其制备方法技术

一种在晶体衬底上制备外延晶体薄膜的方法，包括在衬底上形成原子厚度的弱耦合界面层，再在其上生长外延晶体的方法。其中原子厚度的弱耦合界面层可以通过形成单原子层或几个原子层厚度的超薄界面层实现，或者在有纳米厚度的超薄表面硅的绝缘衬底上通过表面的材料转化来实现。这样形成的弱耦合衬底可以降低衬底晶体同外延晶体之间的强相互作用，从而降低外延层的晶体缺欠。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于晶体薄膜的制备方法，特别是关于利用在衬底上形成原子厚度的弱耦合界面层，再在其上生长外延晶体的方法。高质量的晶体薄膜的生长和制备工艺是现代半导体和其它新型材料和器件领域的一个重要环节。晶体薄膜的生长主要是依靠外延技术(epitaxy)在经过严格清洗的单晶基底(或衬底)上，利用分子束外延(molecular beam epitaxy，or MBE)，化学气相淀积(chemical vapor deposition，or CVD)，及金属有机气相外延(metal-organicvapor phase epitaxy，or MOVPE)等，进行淀积或生长。根据外延层材料和衬底材料的晶体结构和晶格常数的差异，外延生长可分为同质外延(home-epitaxy)和异质外延(hetero-epitaxy)。同质外延是指外延层和衬底是相同的材料(如硅薄膜生长在硅衬底上)，或晶格结构和晶格常数(晶体中原子的距离)相同或很相近的异质材料(如砷化镓衬底上生长镓铝砷)，其外延层和衬底材料之间没有内应力，所以外延层的厚度对外延层的晶体质量没有影响。很多有巨大应用价值的外延材料体系中需要异质外延材料的生长，即外延材料和衬底有较大的晶格常数的差别。因为硅衬底的成熟性、低造价及与超大规模集成电路工艺的兼容性，异质材料如锗硅、锗、砷化镓、磷化铟，以及其他的宽禁带半导体材料如碳化硅、氮化镓等生长在硅衬底上，都是长期以来技术开发的热点。例如，关于锗硅外延材料生长在硅衬底上为光电子器件的应用，请参考F.Y.Huang(黄风义)，B.Jalali，“Si-based superlatticesphotonic applications”(硅基上的超晶格-光电器件的应用)，<Hand book of Thin Film Processing Technology>，IOP publishing，England，1997(《薄膜工艺技术手册》，英国物理学会出版社)。生长晶格常数不匹配的异质外延晶体，其主要困难可以通过锗硅薄膜生长在硅衬底上为例来说明。在硅衬底上生长锗硅(或者锗)时，在一定的厚度范围内，锗硅外延层的晶格常数将屈服于衬底的硅材料；但由于晶格常数的不匹配，将有内应力在外延层中累积。随着外延层厚度的增加，当内应力累计到一定程度时，外延层将不能维持衬底的晶格常数，而出现晶格缺欠，如位错就是一种最常见的形式。外延层中的内应力足够大并开始出现位错的厚度，被称为临界厚度。锗的晶格常数(5.6埃)同硅的晶格常数(5.4埃)大约有4％的不匹配。锗硅合金的晶格常数视锗含量而定，比如含20％的锗的锗硅材料(Si0.8Ge0.2)，其临界厚度约是200纳米，而纯锗的临界厚度只有大约20埃(2纳米)，远远满足不了一般常用器件的厚度要求。另外一种有重要应用价值的外延材料是碳化硅生长在硅衬底上，因为高达20％的晶格不匹配，在硅衬底上生长高质量的外延碳化硅一直是很大的挑战。为了实现高质量单晶薄膜的生长，并且厚度超过临界厚度，传统的办法是生长很厚的过渡层(graded buffer)并且通过周期结构(超晶格)来抑制位错的传播。但这种方法有生长的时间长及质量差等问题。异质外延生长方面一个有重要意义的突破是在有屈服性(或可塑性)硅的绝缘衬底(即SOI)上生长锗硅外延材料。A.R.Powell，S.S.Iyer，and F.K.Legoues，[Appl.Phys.Lett.(应用物理通讯)47，322(1985)最先报道了内应力在可塑性绝缘衬底上从锗硅外延层向表面硅层的转移。本专利的专利技术人F.Y.Huang(黄风义)也在相关的领域发表过实验和理论工作，如F.Y.Huang(黄风义)and K.L.Wang，″Strain transfer between thin films and its applications in hetero-epitaxial crystalgrowth，″[内应力在薄膜之间的转移及在异质材料生长的应用]PhilosophicalMagazine Letters，(哲学杂志通讯)72，(1995)231；M.A.Chu，M.Tanner，F.Y.Huang(黄风义)，等人″Photoluminescence and x-ray studies of low dislocation SiGe alloygrown on compliant SOI substrate，″[光致荧光和X射线对低位错锗硅生长在可塑性忖底上的研究]J.Cryst.Growth(晶体生长杂志)，175，1278(1997)；F.Huang(黄风义)，等人，″High quality SiGe alloy grown on compliantSOIsubstrate，″[高质量的锗硅合金生长在可塑性绝缘忖底上]Appl.Phys.Lett.(应用物理通讯)76，2680(2000)。可塑性衬底的一项理论性工作请参考F.Huang(黄风义)，″Theory ofStrain relaxation in expitaxial layers grown on finite-sized substrate，″[生长在有限尺寸衬底上外延层的内应力转移]Phys.Rev.Lett.，(物理评论通讯)85，(2000)784-787。此外，利用绝缘衬底的表面硅，还可以制备碳化硅等其他的半导体材料。绝缘衬底生长碳化硅的一种方法，见于美国专利“Method for forming SiC-SOIstructures”(形成SiC-SOI结构的方法)5,759,908，Steckl，等，1998。这项专利的基本思想，除了利用低廉的硅衬底代替碳化硅衬底来生长碳化硅外延薄膜之外，同时可以实现SiC的绝缘衬底以方便器件的应用。在此专利中，表面硅在碳化后形成的碳化硅的厚度被选择在0.1至1微米之间。在SOI衬底上生长碳化硅的其他报道请见“Improvement of SiCOI structureselaborated by heteroepitaxy of 3C-SiC on SOI，”(对SiC生长在SOI衬底上的改进)T.Chassagne，et al.，Tech.Dig.Of Int’l Conf On SiC and Related Materials，380，2001；及“Chemical-vapor-deposition growth and characterization of epitaxial 3C-SiC filmson SOI substrates with thin silicon top layers，”(在有薄的表面硅的SOI上利用CVD生长外延3C-SiC)C.K.Moon，et al.，JA101-007，Materials ResearchSymposium(MRS)，2001。在前一项报道中，SOI的表面硅被减至75纳米，而在后一项报道中，绝缘衬底上的表面硅的厚度被减至20纳米(0.02微米)，但仍然有高密度的位错在碳化硅中形成，并且没有发现类似与锗硅外延层的内应力向表面硅层的转移[F.Huang本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种晶体薄膜的生长方法，该方法包括把位于非晶层上的纳米厚度的超薄单晶薄膜转化为异质薄膜，在表面形成很小内应力或无内应力的薄膜层，再在其上生长异质外延薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种晶体薄膜的生长方法，该方法包括把位于非晶层上的纳米厚度的超薄单晶薄膜转化为异质薄膜，在表面形成很小内应力或无内应力的薄膜层，再在其上生长异质外延薄膜。2.如权利要求1所述的方法，其中非晶层可以是硅的绝缘衬底(SOI)上的氧化硅层或者三氧化二铝层；单晶超薄层是绝缘衬底上的硅的表面层，或者是在绝缘衬底上硅的超薄层上生长的锗硅薄膜层，其中超薄表面硅的厚度在100纳米或20纳米以下，或者更薄至5纳米以下。3.如权利要求1所述的方法，其中转化表面超薄单晶层是通过高温碳化，把表面的硅层转化为碳化硅，或者是把锗硅转化成碳锗硅三元化合物，再在其上生长碳化硅及氮化镓等外延材料。4.如权利要求1及其从属要求项2和3所述的方法，在高温转化前在硅的超薄层上刻蚀出小尺寸的横向微结构(mesa)，其中横向微结构的尺寸可以在几个微米(μm)至几十或者几百个微米(μm)之间，并且可以和器件的尺寸相匹配。横向微结构的深度可以和表面的硅层相当，或者更深至下面的氧化硅埋层。5.如权利要求1所述的方法，其中转化表面的超薄单晶层是通过高温氮化，把表面的硅层转化为氮化硅，再在其上生长氮化硅或其他的外延材料。6.一种外延薄膜的制备方法，该方法包括在体衬底或超薄衬底上形成弱耦合非晶界面层，在其上生长单晶薄膜，其中非晶弱耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄风义，
申请(专利权)人：黄风义，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]