[发明专利]基于LRC工艺SiGeC选择外延致直接带隙Ge材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于LRC工艺SiGeC选择外延致直接带隙Ge材料及其制备方法。

背景技术

Ge为间接带隙半导体，通过改性技术，如应力作用、合金化作用、应力与合金化共作用等，可使其转变为直接带隙半导体。直接带隙Ge载流子迁移率，无论是电子迁移率还是空穴迁移率，均显著高于Ge的载流子迁移率。因此，将直接带隙Ge应用于电子器件，工作速度高、频率特性好；应用于光子器件时，转换效率高，发光效率可与Ⅲ-Ⅴ族半导体相当。这样，直接带隙改性Ge涉及光电集成的各重要元件(光源、光调制器、光探测器、电子器件)甚至均可在同一有源层集成于同一芯片上，为高速器件与电路提供了又一新的技术发展途径。因此，有关直接带隙改性Ge的相关研究已成为了当前国内外研究的热点和重点。

直接带隙Ge器件实现应用的前提，是制备出高质量的直接带隙Ge半导体材料。

依据理论计算，当对Ge半导体所施加得双轴张应力达到约2.4GPa(相对应变张量约为1.7％～2.0％)时，Ge半导体Γ谷能级将低于L谷能级，成为导带底能谷能级。此时，Ge可由间接带隙转变成直接带隙半导体材料。然而，目前常见外延技术工艺很难对Ge半导体实现2.4GPa的双轴应力，工艺实现难度大。常见的工艺如Si衬底上先外延Ge，退火过程中再利用Si与Ge热膨胀系数不同，可使Ge外延层获得0.3％的拉伸应变，但仍无法使Ge转化为直接带隙半导体材料，还需配合重掺杂才仅实现准直接带隙Ge。

同时，考虑到直接带隙Ge单片光电集成的潜在应用需求，和Si衬底材料相较Ge衬底材料优异的机械强度、热性质，以及巨大的价格优势，如何基于Si衬底实现 直接带隙Ge也是领域内面临的重要问题。值得注意的是，Si衬底上直接外延Ge(Ge/Si)虚衬底技术兼具Si与Ge的技术优势，尤其可与现有Si工艺兼容，是解决该问题行之有效的技术手段。然而，由于Si与Ge之间存在4.2％的晶格失配，Ge/Si虚衬底技术实现难度大。常见的两步法Ge/Si虚衬底技术存在Ge外延层表面粗糙度与位错密度大、Si-Ge互扩问题，以及工艺周期长，热预算高等缺点。

因此，解决Si衬底上实现高质量的直接带隙Ge半导体，已成为本领域亟待突破的关键技术问题之一。

发明内容

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种基于LRC工艺SiGeC选择外延致直接带隙Ge材料及其制备方法。

具体地，本发明一个实施例提出的一种基于LRC工艺SiGeC选择外延致直接带隙Ge材料的制备方法，包括：

S101、选取单晶Si衬底材料；

S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长40～50nm的第一Ge籽晶层；

S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述第一Ge籽晶层表面生长150～250nm的第二Ge主体层；

S104、利用CVD工艺在所述第二Ge主体层表面上淀积150nm SiO₂层；

S105、将包括所述单晶Si衬底、所述第一Ge籽晶层、所述第二Ge主体层及所述SiO₂层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm²，激光移动速度为25mm/s；

S106、自然冷却整个衬底材料；

S107、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述SiO₂层，得到所述Ge/Si虚衬底材料；

S108、在所述Ge/Si虚衬底材料表面涂抹光刻胶；

S109、曝光所述光刻胶，在衬底表面中心位置处保留边长为20nm的光刻胶；

S110、在CF₄和SF₆气体环境中，采用ICP工艺刻蚀所述Ge/Si虚衬底材料，形成Ge台阶；

S111、在所述Ge/Si虚衬底材料表面淀积Si₃N₄材料；

S112、利用选择性刻蚀工艺刻蚀所述Si₃N₄材料，保留所述Ge台阶上表面的所述Si₃N₄材料；

S113、以锗烷、硅烷、乙烯为气源，氢气作为载气，采用CVD工艺在整个衬底表面异于所述Ge台阶位置处生长厚度为20nm SiGeC层；