[发明专利]一种激光辅助再晶化Ge/Si虚衬底上直接带隙Ge及其制备方法

说明书

本发明涉及一种激光辅助再晶化Ge/Si虚衬底上直接带隙Ge及其制备方法。该制备方法包括：选取Si衬底；在Si衬底表面生长第一Ge籽晶层；在第一Ge籽晶层表面生长第二Ge主体层；加热整个衬底，并利用激光工艺对整个衬底进行晶化，激光工艺的参数包括：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；冷却形成Ge/Si虚衬底材料；在第二Ge主体层周围选择性外延GeSi。本发明采用激光再晶化(Laser Re‑Crystallization，简称LRC)工艺有效降低Ge/Si虚衬底的位错密度，后续利用第二Ge主体层周围选择外延GeSi，制备高质量的直接带隙Ge材料。同时，激光再晶化工艺时间短、热预算低，可提升Si衬底上实现高质量的直接带隙Ge材料整个制程的工艺效率。

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种激光辅助再晶化Ge/Si虚衬底上直接带隙Ge及其制备方法。

背景技术

“摩尔定律”提出至今，硅基微电子器件的特征尺寸已接近物理极限。为了延续“摩尔定律”，新技术、新材料不断涌现。如应变技术、高K栅介质、鳍栅结构等。其中，应变硅技术作为一种迁移率增强技术，在工业界中得到广泛应用。

相比于硅(Si)材料锗(Ge)材料具有更高的载流子迁移率，其空穴迁移率为1900cm2/V·s约为Si材料的4倍，电子迁移率为3900cm2/V·s约为Si材料的2.5倍，并且与硅工艺兼容，所以Ge材料被认为是高性能MOSFET器件极具潜力的候选材料。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。

由于相比于Ge衬底材料Si衬底材料在机械强度、热性质及经济方面更具优势，如何基于Si衬底实现直接带隙Ge是领域内面临的重要问题。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。

此外，制备出高质量的直接带隙Ge材料是直接带隙Ge器件实现的关键。目前，国内外直接带隙Ge改性实现方法主要有施加高强度张应力和采用合金化的手段。然而，目前常见外延技术工艺很难对Ge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转化为直接带隙材料，还需配合重掺杂才仅实现准直接带隙Ge材料。

发明内容

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种一种激光辅助再晶化Ge/Si虚衬底上直接带隙Ge及其制备方法。

具体地，本发明一个实施例提出的一种激光辅助再晶化Ge/Si虚衬底上直接带隙Ge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；