[发明专利]一种无气泡无穿透位错Ge/Si异质混合集成方法

说明书

本发明涉及一种无气泡无穿透位错Ge/Si低温键合方法，所述方法包括Si和Ge基底材料的处理、Ge薄膜的晶化、抛光、Ge/Si键合。本发明利用多晶Ge的疏松结构和存在晶界的特点对Ge/Si键合界面的气泡进行吸收和转移，实现零气泡的Ge/Si键合界面。其次利用多晶Ge晶向混乱的性质将Ge和Si单晶体隔离开来，使得Ge和Si之间的晶格失配得到缓解，因此能有效的限制穿透位错的成核，实现穿透位错密度的进一步降低。

技术领域

本发明涉及一种无气泡无穿透位错Ge/Si低温键合新方法，尤其是涉及一种利用多晶Ge疏松、存在晶界以及没有特定晶向的材料性质实现无气泡无穿透位错Ge/Si低温键合的新方法。

背景技术

近年来，以外延技术为主导的高温Si基Ge薄膜的制备由于无法突破晶格失配和低温生长等技术上的限制而无法将Ge薄膜中的穿透位错密度进一步降低到10⁶cm^-2以下^[1-3]。虽然研究人员提出了许多改良的Ge/Si外延技术^[4-7]，但是这些方法对穿透位错的限制机理都是对Ge薄膜中穿透位错的传播和相互作用进行约束，而对Ge薄膜中穿透位错的成核的限制仍然束手无策，因为在外延过程中Ge薄膜始终会与Si衬底进行直接接触，Ge和Si之间4.2％的晶格失配始终无法避免。

为了进一步降低Si基Ge薄膜中的穿透位错密度，研究人员将目光转向了Ge/Si异质键合^[8-13]。Kanbe等人^[8,9]通过高温退火研究了Ge/Si湿法亲水键合，即将清洗后表面亲水的Si片和Ge片在去离子水中进行贴合并在880℃H₂氛围中退火90min实现Ge/Si键合。研究表明，在Ge/Si键合界面存在几十纳米的过渡层，过渡层内存在严重的互扩散和高密度的穿透位错。这表明高温Ge/Si键合会在Ge层中形成穿透位错，这主要是由于Ge与Si之间不仅存在晶格失配而且还存在严重的热失配，因此高温Ge/Si键合无法避免在Ge薄膜中形成位错。

近年来，Byun等人^[10,11]和Gity等人^[12,13]系统的研究了等离子体自由基活化在低温Ge/Si键合中的应用。首先将清洗后的Si片和Ge片采用不同等离子体自由基(O和N)对片子表面进行处理，然后将两个片子贴合在一起并在键合机中进行热压实现低温300℃的Ge/Si键合。虽然采用这种方式会在Ge/Si键合界面引入一层2nm左右的氧化层对键合界面形成的气泡进行疏导，导致键合界面气泡密度降低，但是采用这种方式仍然无法有效的去除键合界面的气泡。另一方面，Ge/Si直接贴合由于Ge/Si之间没有其他中间层来隔离两个单晶体，因此无法对键合界面晶格失配进行有效的限制，仍然无法避免位错的成核。

本专利采用具有疏松结构且具有晶界的多晶Ge对键合界面亲水反应形成的H₂O和H₂进行吸收和转移，从而实现无界面气泡Ge/Si键合。另一方面，利用多晶Ge没有特定晶向的性质将Ge和Si单晶体隔离开来，从而抑制晶格失配的形成和位错的成核，获得无穿透位错的Si基Ge薄膜材料。

引用文献：

[1]Michel,J.,et al.(2010).High-performance Ge-on-Siphotodetectors.Nature photonics,4(8),527.

[2]Osmond,J.,et al.(2009).Ultralow dark current Ge/Si(100)photodiodeswith low thermal budget.Appliedphysics letters,94(20),201106.

[3]Nakamura,Y.,et al.Epitaxial growth ofhigh quality Ge films on Si(001)substrates by nanocontact epitaxy.Crystal GrowthDesign,11(7),3301-3305.