[发明专利]锗硅半导体合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锗硅半导体合金在蓝宝石衬底上的生长以及制备方法。

背景技术

锗硅（SiGe，Silicon-germanium）半导体合金是一种合金，根据锗和硅的分子比可以表示成Si_xGe_1-x。掺入III族元素为p型半导体，掺入V族元素为n型半导体。它是一种新型的半导体材料，对于微电子技术的发展具有重要的意义，在场效应晶体管（FET），高电子迁移率晶体管（HEMT器件），杂双极晶体管（HBT的），热电（TE）装置，光伏太阳能电池，以及光子探测器中均广泛使用，是一种非常重要半导体合金。锗硅（SiGe）半导体合金的晶体质量，直接影响半导体器件的性能，高品质的半导体器件要求锗硅合金的缺陷率和位错率低，无孪晶，裂纹和分层。

现有技术中，硅锗通常情况下生长在普通的硅衬底上。然而，一旦锗硅外延层的厚度增加（例如，大于几十纳米），由于硅锗具有比硅更大的晶格常数，高品质（即无缺陷）的锗硅外延层就非常难得到。这意味着，一旦锗硅外延层的厚度超过由于晶格失配造成的几十纳米的临界厚度时， 锗硅晶体在靠近硅衬底的地方会因为应变而产生严重缺陷（例如，微孪晶，裂纹，分层等）。因此，这种传统的方法只能生产非常薄的厚度的锗硅外延层（即，小于几十纳米），来用于高品质的电子器件的制造。运用这种方法能生产的， 满足高品质的电子器件的制造要求的，锗硅外延层厚度非常薄（即，小于几十纳米）。一旦锗硅外延层的厚度超过由于晶格失配造成的几十纳米的临界厚度时， 锗硅晶体在靠近硅衬底的地方会因为应变而产生严重缺陷（例如，微孪晶，裂纹，分层等）。

作为一种改进，锗硅在蓝宝石上的生长是构建SGOI（绝缘体上的锗硅生长）器件的重要的方法。因为蓝宝石是一种最好的绝缘体，半导体层和基板之间的高频寄生电容可基本上消除。许多类似的在蓝宝石上生长硅（SOS）或在蓝宝石上生长硅锗（SGOS）的方法一般利用矩形r-面蓝宝石衬底（Sapphire substrate）与外延生长的立方金刚石结构的硅或锗的正方形的（001）面或矩形（110）面对齐；但是，那种方法往往会导致90°旋转孪晶缺陷。而如果在蓝宝石的c-面，即三方的（0001）面上生长立方晶系的锗硅半导体材料，则容易形成的60°旋转的孪晶缺陷。

发明内容

因此，针对上述的问题，本发明提供了一种高品质的（即无缺陷和位错）硅锗（SiGe）半导体合金在蓝宝石衬底上的制造方法。从该制造方法得到的硅锗半导体合金，由于缺少缺陷和位错这些减缓电荷移动的障碍，将极大的提高在晶体中移动的电荷运动速率。因此，本发明可用于改善各种使用这样的锗硅半导体合金的电子器件，比如场效应晶体管（FET），高电子迁移率晶体管（HEMT器件），杂双极晶体管（HBT），热电（TE）装置，光伏太阳能电池和光子检测器。

本发明中，晶面的表示方法将用国际通用的米勒指数法，即，晶体平面是由带 “（）”的数字表示，同类晶面群由带“{}”的数字表示，晶面的方向或长度由带“[]”的数字表示，同类方向群由带“<>”的数字表示。

本发明的技术构思如下：本发明的制造方法可以在{0001} c面单晶蓝宝石基底上生长 {111} 晶面的立方金刚石结构的锗硅合金，并且锗硅合金的<110>晶向与基底的<1，0，-1，0>互相平行。通过调整锗硅合金的元素组分，使用0.7223的硅原子比例和0.2777的锗原子比例，可以使锗硅合金的晶格常数与衬底晶格常数相匹配。通过上述对菱形晶体晶格参数改造的方法，本发明提供了减少立方金刚石结构的锗硅合金在生长过程中，由于晶格与衬底晶格失配从而引起的缺陷和位错的方法。

具体的，本发明提供一种锗硅半导体合金的制备方法，其包括以下步骤：