專利名稱：屈服性襯底上制備外延異質(zhì)晶體和薄膜材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于晶體薄膜或多晶薄膜的制備方法，特別是關(guān)于利用可塑性(或屈服性)超薄(納米尺寸)基底(即襯底)，及利用橫向微型結(jié)構(gòu)來制備高質(zhì)量無內(nèi)應(yīng)力的外延異質(zhì)晶體或薄膜材料的方法。
薄膜的生長和制備工藝是現(xiàn)代半導(dǎo)體和其它新型材料和器件領(lǐng)域一個重要的環(huán)節(jié)，比如多晶硅(poly-silicon)的制備就是一個有廣泛應(yīng)用的薄膜工藝。其方法是在非晶(如玻璃)基底上利用薄膜淀積(deposition)生長一層非晶硅，然后經(jīng)過高溫?zé)嵬驶?thermal anneal)來使非晶硅(或質(zhì)量較差的多晶硅)轉(zhuǎn)變成質(zhì)量較好的多晶硅。為了制備高質(zhì)量的單晶(single crystal)薄膜，則需要依靠外延技術(shù)(epitaxy)在經(jīng)過嚴格清洗的單晶基底上生長。分子束外延(molecular beam epitaxy，or MBE)，化學(xué)氣相淀積(chemical vapordeposition，or CVD)，及金屬有機氣相外延(metal-organic vapor phaseepitaxy，or MOVPE)等，就是幾種常用的單晶生長方法。
外延生長的一個主要特點是可以控制所生長的材料在單原子層尺度的精確性，包括其厚度，摻雜濃度等。而且外延材料可以是和基底完全不同的材料(即異質(zhì)外延)。以下是外延生長的幾個例子(1)在硅忖底(厚度一般在100微米至500微米之間)上，生長硅薄膜，其厚度可以在10納米(100埃)至1微米或者更厚；(2)在砷化鎵忖底(厚度一般在100微米至500微米)上生長砷化鎵或鋁鎵砷(AlGaAs)材料，其厚度可以在10納米至1微米之間或者更厚；(3)在硅的忖底上，生長鍺硅外延材料，或者碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體材料。
在以上的例子中，例(1)和例(2)的外延材料是同質(zhì)材料(如硅薄膜生長在硅忖底上)，或晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)(晶體中原子的距離)相同的異質(zhì)材料(如砷化鎵上生長鎵鋁砷)。其外延材料和忖底材料之間沒有內(nèi)應(yīng)力，所以外延層的厚度可以從幾個原子層到幾個微米。厚度對外延層的晶體質(zhì)量沒有影響。而在例(3)中，鍺硅的晶格常數(shù)和硅襯底的晶格常數(shù)有較大的差異(體材料硅的晶格常數(shù)是a1＝5.4埃，而鍺的晶格常數(shù)是a2＝5.6埃)。鍺硅體材料的晶格常數(shù)a視鍺的百分比P而定，a＝a1+(a2-a1)P。在硅忖底上生長鍺硅(或者鍺)時，在一定的厚度范圍內(nèi)，鍺硅外延層的晶格常數(shù)將屈服于襯底的硅材料。但由于晶格常數(shù)的不匹配，將有內(nèi)應(yīng)力在外延層中累積。隨著外延層厚度的增加，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力足夠大時，外延層將不能維持襯底的晶格常數(shù)，而出現(xiàn)晶格缺欠。如位錯就是一種最常見的形式。晶格缺欠的形成將不利于外延材料在器件上的應(yīng)用，從而降低器件的性能。為了實現(xiàn)高質(zhì)量單晶薄膜的生長，傳統(tǒng)的方法是在外延生長異質(zhì)材料時，控制其厚度在臨界厚度之內(nèi)。當(dāng)外延層超過臨界厚度時，內(nèi)應(yīng)力使薄膜變得不穩(wěn)定，在一定的條件下(如高溫)將出現(xiàn)晶體缺欠。
比如含20％的鍺的鍺硅材料(Si0.8Ge0.2)，其臨界厚度約是200納米，即在這個厚度以下生長在硅襯底上的鍺硅外延層可以是無位錯的單晶材料；而超過這個厚度之后，就會產(chǎn)生晶體缺欠。對于鍺硅材料而言，在硅襯底上的臨界厚度隨鍺的含量增高而減小。純鍺的臨界厚度只有大約20埃(2納米)，遠遠滿足不了一般常用器件的厚度要求。
在實際應(yīng)用中，有很多場合需要在異質(zhì)材料襯底上生長無內(nèi)應(yīng)力的外延層，或者在晶格常數(shù)不匹配的異質(zhì)襯底上生長很厚的外延層。具體應(yīng)用包括硅忖底上生長無內(nèi)應(yīng)力的鍺硅外延層，再在其上生長有內(nèi)應(yīng)力的硅外延層；砷化鎵材料雜化在硅襯底上；及在硅襯底上生長碳化硅或氮化鎵等材料。
外延生長方面一個有重要意義的突破是在有屈服性(或可塑性)硅的絕緣襯底上生長鍺硅外延材料。A.R.Powell，S.S.Iyer，and F.K.Legoues，[Appl.Phys.Lett.(應(yīng)用物理通訊)47，322(1985)322](以下簡稱文獻1)最先報道了內(nèi)應(yīng)力在可塑性絕緣襯底上從鍺硅外延層向超薄硅襯底層的轉(zhuǎn)移。此領(lǐng)域其他的實驗和理論工作包括F.Y.Huang(黃風(fēng)義)and K.L.Wang，″Strain transfer between thin films and its applications inhetero-epitaxial crystal growth，″[內(nèi)應(yīng)力在薄膜之間的轉(zhuǎn)移及在異質(zhì)材料生長的應(yīng)用]Philosophical Magazine Letters，(哲學(xué)雜志通訊)72，(1995)231(文獻2)；M.A.Chu，M.Tanner，F(xiàn).y.Huang(黃風(fēng)義)，等人″Photoluminescence and x-ray studies of low dislocation SiGe alloygrown on compliant SOI substrate，″[光致熒光和X射線對低位錯鍺硅生長在可塑性忖底上的研究]J.Cryst.Growth(晶體生長雜志)，175，1278(1997)(文獻3)；F.Huang(黃風(fēng)義)，等人″High qualitySiGealloygrown oncompliantSOIsubstrate，″[高質(zhì)量的鍺硅合金生長在可塑性絕緣忖底上]Appl.Phys.Lett.(應(yīng)用物理通訊)76，2680(2000)(文獻4)。
可塑性襯底的一項開創(chuàng)性理論工作發(fā)表在《物理評論通訊》上F.Huang(黃風(fēng)義)，″Theory of Strain relaxation in expitaxial layers grown onfinite-sized substrate，″[生長在有限尺寸忖底上的外延層的內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)移]Phys.Rev.Lett.，(物理評論通訊)85，(2000)784-787(文獻5)。其中的襯底除了在縱向(即和襯底表面垂直的方向)有超薄的厚度(納米尺寸)，在橫向(即和襯底表面平行的方向)也加工成微米尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(mesastructure)。理論證明了超薄襯底和橫向的微型結(jié)構(gòu)都可以使外延層的內(nèi)應(yīng)力降低。這個途徑可以實現(xiàn)鍺硅外延薄膜的生長，其厚度超過了經(jīng)典的臨界厚度的限制，并且實現(xiàn)外延層中大部分的內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)移或消失。
然而，所有以前的工作都是針對無內(nèi)應(yīng)力的鍺硅外延材料的生長，其中鍺的含量一般不超過50％，如文獻3和文獻4所述。這是因為當(dāng)外延層生長在超薄襯底上時，一般需要高溫褪火(thermal anneal)處理后，其內(nèi)應(yīng)力才能實現(xiàn)向超薄襯底的轉(zhuǎn)移。但外延層生長的溫度(比如分子束外延約700度)一般遠小于內(nèi)應(yīng)力的轉(zhuǎn)移溫度。所以在生長的過程中仍然需要外延層的厚度保持在體材料襯底的臨界厚度以內(nèi)。這樣就限制了鍺硅外延層的鍺的含量。文獻4中介紹了一種降低內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)移所需要的淬火溫度的辦法，即在硅的絕緣襯底上的絕緣層(二氧化硅層)中注入硼(B)或磷(P)以使二氧化硅在更低的溫度下變軟，但即使把熱處理溫度降低到和外延層的生長溫度相當(dāng)，生長高含量鍺的鍺硅外延層(或甚至是純鍺材料)也無法用現(xiàn)有的工藝來實現(xiàn)。另外，對凸凹結(jié)構(gòu)的理論研究(文獻5)也只限于內(nèi)應(yīng)力的轉(zhuǎn)移。這種結(jié)構(gòu)對晶體缺欠的影響及在材料制備上的應(yīng)用仍待開發(fā)。
在實際應(yīng)用中，硅襯底上的純鍺外延材料、含鍺成分高的鍺硅材料、還有砷化鎵材料及其它的半導(dǎo)體材料(如氮化硅，氮化鎵等)都有重要的器件應(yīng)用價值。這些材料在硅基底上的生長，傳統(tǒng)的辦法是生長很厚的過渡層(gradedbuffer)并且通過周期結(jié)構(gòu)(超晶格)來抑制位錯的傳播，除了生長的時間長及質(zhì)量差等問題，這種方法沒有從根本上解決異質(zhì)外延材料和襯底的內(nèi)應(yīng)力問題。
本發(fā)明提供了在異質(zhì)襯底上生長無內(nèi)應(yīng)力的高質(zhì)量外延晶體薄膜材料的方法。本發(fā)明的一個主要思想是在屈服性超薄襯底(納米尺寸)上通過在高溫下轉(zhuǎn)化表面的單晶薄膜，形成新的化合物薄膜位于非晶層之上，以此為襯底繼續(xù)生長外延薄膜。例如通過高溫碳化絕緣襯底上的硅薄膜，形成碳化硅。因為硅單晶薄膜是位于屈服襯底的非晶層(如二氧化硅)之上，在高溫轉(zhuǎn)化的過程中硅的超薄單晶逐漸被消耗，其晶格常數(shù)將屈服于在其上所形成的碳化硅。從而形成無內(nèi)應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力很少的碳化硅薄膜。以此為襯底可以繼續(xù)淀積高質(zhì)量的碳化硅或氮化鎵等。
本發(fā)明另外一個重要思想是利用橫向的微尺寸(微米尺度)結(jié)構(gòu)來降低內(nèi)應(yīng)力從而抑制晶體缺欠的形成。在有屈服性的超薄硅碳化過程中，表面形成的碳化硅在初始階段將同其下的硅薄膜之間有內(nèi)應(yīng)力。因為二者的晶格常數(shù)的差異很大，內(nèi)應(yīng)力將很強。為了抑制在碳化過程中位錯的形成，可以在碳化前首先在硅薄膜上形成微米尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(mesa)，通過內(nèi)應(yīng)力及位錯等晶體缺欠向邊界的轉(zhuǎn)移，來降低碳化過程中薄膜之間的內(nèi)應(yīng)力和抑制晶格缺欠的形成。
本發(fā)明的另外一個重要思想是利用離子注入，在異質(zhì)外延薄膜下形成非晶層以隔離異質(zhì)外延薄膜和襯底(及過渡層)之間的晶格相互作用。比如，在硅的體襯底(或超薄襯底)上生長鍺硅外延層，然后通過離子注入氧及隨后的高溫褪火來形成氧化層。高溫褪火同時可以實現(xiàn)鍺從鍺硅層向表面的析出，從而形成高含量鍺的鍺硅層或甚至形成純鍺層。雖然傳統(tǒng)的工藝通過用鍺濃度梯度變化形成的緩沖層(graded buffer)手段，可以逐步過度到高含量鍺的鍺硅外延層，但往往需要很厚的緩沖層。而本發(fā)明利用離子注入和高溫褪火來消除內(nèi)應(yīng)力，從而在表面形成的鍺含量將遠遠高于均勻生長的鍺硅臨界厚度允許范圍內(nèi)的鍺含量。在這樣制備的材料上，可以繼續(xù)生長有內(nèi)應(yīng)力的硅。為了降低離子注入帶來的晶體缺欠，可以在褪火之前，在表面形成微尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)，利用內(nèi)應(yīng)力及位錯等晶體缺欠向邊界的轉(zhuǎn)移，提高表面薄膜的質(zhì)量。
本發(fā)明中提出的利用橫向微尺寸結(jié)構(gòu)來抑制晶體缺欠的形成，除了用在異質(zhì)外延薄膜如砷化鎵，碳化硅，氮化鎵等的生長，此方法也適用于非晶襯底上生長多晶材料，比如在玻璃襯底上形成多晶硅(或其它半導(dǎo)體薄膜)。傳統(tǒng)工藝是在玻璃襯底上淀積非晶硅，經(jīng)過熱處理把非晶硅轉(zhuǎn)變成多晶硅。這樣的多晶硅形成微觀尺度上一個個單晶顆粒，其尺寸大約在零點幾個微米至幾十個微米之間。各單晶體顆粒之間會因為晶向不同而產(chǎn)生界面，是降低器件性能的主要因素。利用微型結(jié)構(gòu)可以抑制顆粒界面的形成，從而實現(xiàn)微觀尺度的單晶。
橫向微尺寸結(jié)構(gòu)也可以降低單晶襯底上因為離子注入形成非晶層引起的晶體缺欠，無論是通過離子注入氧的SIMOX工藝或者注入氫的SMART-CUT工藝，都可以在高溫煺火前把襯底刻蝕成微結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)位錯向邊界的轉(zhuǎn)移，從而提高晶體的質(zhì)量。其中橫向微結(jié)構(gòu)可以和器件的加工結(jié)合起來，比如作為器件隔離帶(mesa isolation)的一部分。
以下結(jié)合附圖來說明相關(guān)技術(shù)的歷史和現(xiàn)狀，還有本發(fā)明的主要技術(shù)思想和優(yōu)選實施例。附圖中

圖1A為說明傳統(tǒng)的異質(zhì)材料的外延層生長。外延層在超過臨界厚度后會產(chǎn)生位錯；圖1B為說明以往的異質(zhì)材料外延層(鍺硅)生長在有屈服性(可塑性)的硅超薄襯底上的方法?？伤苄砸r底可以是硅絕緣襯底(即SOI，orsilicon-on-insulator襯底)，其表面的硅經(jīng)過減薄工藝處理后，厚度可以在5納米至50納米之間。在可塑性襯底上生長的鍺硅材料其厚度可以超過傳統(tǒng)的臨界厚度而不會產(chǎn)生位錯；圖2為本發(fā)明一種工藝的示意圖。在屈服性超薄襯底(納米尺寸)上通過高溫轉(zhuǎn)化表面的單晶薄膜，形成新的化合物薄膜位于非晶層之上，以此為襯底繼續(xù)生長外延薄膜。例如，通過高溫下碳化絕緣襯底上的硅薄膜，形成碳化硅。在碳化過程中硅的超薄單晶逐漸被消耗，在非晶層上將形成無內(nèi)應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力很少的碳化硅薄膜。為了抑制晶體缺欠的形成，可以在碳化前，把硅的超薄層刻蝕出小尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(Mesa)；圖3為本發(fā)明另外一種工藝的示意圖。首先在硅的體襯底或絕緣襯底上生長鍺硅異質(zhì)材料外延層，其厚度可以在臨界厚度以內(nèi)，也可以在臨界厚度以外。然后通過離子注入，在鍺硅的薄膜層下形成非晶層。再通過高溫退火，鍺有向表面遷移的趨勢，形成鍺含量在表面的濃度最高。為了進一步提高鍺硅材料的質(zhì)量，可以在褪火前，把外延層刻蝕出小尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(Mesa)；圖4為應(yīng)用本發(fā)明圖3的方法來提高多晶材料質(zhì)量的示意圖。為了抑制熱處理時晶體顆粒界面的形成，可以在褪火前，把多晶層刻蝕出小尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(Mesa)。
附圖符號說明10-體材料基底(忖底)(厚度在100微米到500微米之間)，如硅或砷化鎵20-異質(zhì)薄膜生長在體襯底上。其厚度要在臨界厚度內(nèi)才可能生長高質(zhì)量的單晶30-異質(zhì)薄膜生長超過臨界厚度產(chǎn)生的位錯40-硅絕緣忖底(即SOI，or silicon-on-insulator忖底)的絕緣SiO2層45-硅絕緣忖底表面的硅薄膜50-在表面硅層上生長的鍺硅外延層60-超薄硅通過碳化轉(zhuǎn)化為碳化硅65-殘余的超薄硅70-鍺硅外延層生長在硅晶體上。通過離子注入在鍺硅層下形成非晶層
75-在大尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)上形成的位錯100-非晶(如玻璃)襯底110-多晶薄膜(如硅薄膜)。在熱褪火前形成的凸凹結(jié)構(gòu)(mesa)，可以抑制晶粒界面的形成120-在尺寸大的mesa上(或體結(jié)構(gòu)上)形成的晶粒界面本發(fā)明提供了在異質(zhì)襯底上制備無內(nèi)應(yīng)力高質(zhì)量的外延薄膜材料的方法，以及在非晶襯底上形成高質(zhì)量的多晶薄膜的方法。以下結(jié)合具體的襯底和外延層材料解釋本發(fā)明的創(chuàng)新性和可行性。
請參考圖1，圖1A為說明傳統(tǒng)的異質(zhì)材料的外延層生長，比如在硅襯底10上生長具有不同晶格常數(shù)的鍺硅外延薄膜20。因為襯底的厚度一般在100微米至500微米之間，在這樣的體襯底上生長外延薄膜其晶格常數(shù)要屈服于體襯底的晶格常數(shù)。當(dāng)外延材料和襯底的晶格常數(shù)不同時將形成內(nèi)應(yīng)力。對于一定鍺含量的鍺硅薄膜，在生長時其厚度要控制在一定的厚度(即臨界厚度)以下；或者對于要生長一定厚度的鍺硅薄膜，其鍺的含量要控制在一定的濃度之下，否則將會產(chǎn)生位錯30。
圖1B為說明以前的外延薄膜生長在超薄襯底上的方法。超薄忖底的一種制備方法是利用硅絕緣襯底(即silicon-on-insulator忖底)，包括硅的體襯底上形成一層絕緣SiO2層40，在絕緣的SiO2上是表面的單晶硅薄膜45。經(jīng)過減薄工藝處理后，硅薄膜45的厚度可以在5納米至50納米之間。在這樣的超薄硅薄膜襯底上生長鍺硅外延層50，經(jīng)過高溫褪火處理后(比如900℃-1100℃)，其內(nèi)應(yīng)力開始向超薄硅襯底45的轉(zhuǎn)移，從而使外延層的內(nèi)應(yīng)力減小。但因為外延層生長的溫度(比如分子束外延)一般在700℃左右，所以在生長的過程中，仍然需要外延層的厚度保持在體材料襯底的臨界厚度以內(nèi)。這樣就限制了鍺硅外延層的鍺的含量，無法實現(xiàn)高含量鍺的鍺硅薄膜或甚至純鍺薄膜的生長。
以下將參考附圖詳細敘述本發(fā)明的實施例。
圖2為本發(fā)明的一種方法示意圖。其主要思想是通過轉(zhuǎn)化表面的超薄層，形成新的化合物。因為超薄層薄膜在逐漸被消耗，而且位于非晶層之上，在高溫下形成的化合物同殘留的薄膜之間的內(nèi)應(yīng)力將很小。如果超薄層被全部消耗盡，內(nèi)應(yīng)力將全部消失。以硅的絕緣襯底為例，通過相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域人們熟悉的方法形成硅的單晶超薄襯底45。為降低絕緣層40的變軟溫度，可以通過相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域人們熟悉的方法，如注入硼(B)或磷(P)，從而降低內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)移的溫度。在硅的超薄襯底45上，通過高溫碳化，其溫度在900℃-1100℃之間，把硅轉(zhuǎn)化為碳化硅60。如果超薄硅的厚度可以制備在5納米至20納米之間，可以把大部分的硅或全部的硅碳化形成碳化硅。碳化硅將位于非晶薄膜40之上，中間只有極薄的殘余硅65，碳化硅薄膜中將有極小的內(nèi)應(yīng)力或幾乎不存在內(nèi)應(yīng)力。為了抑制晶體缺欠的形成，可以在碳化前，把硅的超薄層刻蝕出小尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(Mesa)，利用位錯等晶體缺欠在高溫處理時向邊界的轉(zhuǎn)移，提高碳化硅的質(zhì)量。
因為碳化硅體襯底的價格高而且不易制備，傳統(tǒng)生長碳化硅的方法除了在藍寶石(Sapphire)上生長之外，是在硅襯底上通過碳化，形成表面的碳化硅薄層，再在其上生長碳化硅。這樣制備的碳化硅層因為內(nèi)應(yīng)力的存在，將出現(xiàn)晶格缺欠。本發(fā)明的方法是在硅的超薄襯底上碳化表面的硅的薄層，其中表面硅的超薄薄膜的厚度在幾個納米至幾十個納米，使碳化過程中存留的硅的超薄襯底屈服于所形成的碳化硅的晶體常數(shù)，或者使硅的超薄層完全碳化，形成無內(nèi)應(yīng)力的碳化硅薄膜。因為這樣形成的碳化硅薄膜是位于非晶層之上，可以從根本上消除內(nèi)應(yīng)力的來源。另外，橫向微尺寸結(jié)構(gòu)(mesa)在高溫退火時可以進一步提高碳化硅的質(zhì)量。
圖3為本發(fā)明的另外一種主要方法示意圖。在體襯底(或超薄襯底)上生長異質(zhì)外延材料。然后通過離子注入，在外延層下形成非晶層，從而消除外延薄膜同體襯底之間的晶格常數(shù)不同引起的內(nèi)應(yīng)力，形成無內(nèi)應(yīng)力的外延層。以鍺硅生長在硅襯底上為例，首先在硅的體襯底或絕緣襯底上生長鍺硅異質(zhì)材料外延層70，其厚度可以在臨界厚度以內(nèi)，也可以在臨界厚度以外。然后通過離子注入，比如氧，在鍺硅的薄膜層下形成非晶層，以消除同襯底之間的內(nèi)應(yīng)力。通過高溫退火，在鍺硅薄膜下形成氧化硅的非晶層，并且高溫處理可以使鍺進一步向表面遷移，形成鍺含量在表面的濃度最高。為了在褪火時提高鍺硅材料的質(zhì)量，可以在褪火前，把外延層刻蝕出小尺寸的凸凹結(jié)構(gòu)(mesa)。如果鍺的含量過高，在大尺寸的mesa上，將有可能形成位錯75。在這樣制備的材料上，可以繼續(xù)生長有內(nèi)應(yīng)力的硅，或任何厚度的高含量鍺的鍺硅材料。因為砷化鎵和鍺有著相似的晶格常數(shù)，這樣制備的材料上可以再生長砷化鎵。
橫向微結(jié)構(gòu)的形成可以在外延層(如鍺硅薄膜)生長之后，通過光刻，干法或濕法刻蝕這些相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域人們熟悉的方法加工而成。高溫褪火可以使內(nèi)應(yīng)力及各種晶體缺欠實現(xiàn)從外延層向微結(jié)構(gòu)邊界的轉(zhuǎn)移，從而將低外延層微結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，抑制晶體缺欠的形成。形成橫向微結(jié)構(gòu)的另外一種方法是在外延層生長之前，通過光刻，干法或濕法刻蝕這些相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的人們熟悉的方法首先把硅襯底刻蝕成深度大體和需要生長的外延層相當(dāng)?shù)暮穸取?br> 橫向微尺寸結(jié)構(gòu)也可以降低絕緣襯底的位錯密度。制備絕緣襯底通常是利用離子注入氧(SIMOX)的工藝或者注入氫(SMART-CUT)的工藝，離子注入過程中產(chǎn)生的位錯等晶體缺欠，一般要通過高溫褪火來降低密度。但即使通過在13500℃下幾個小時的褪火，帶有400納米絕緣層和200納米硅薄膜層的襯底，其位錯密度大約在104-106/cm2，影響了器件的性能。本發(fā)明的方法是在高溫煺火前把襯底刻蝕成微結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力向邊界的轉(zhuǎn)移，從而降低位錯的密度。微結(jié)構(gòu)可以是幾個微米到幾十個微米(或上百微米)的尺寸，深度大約刻蝕到絕緣層，形成硅薄膜的島狀結(jié)構(gòu)。
圖4為橫向微結(jié)構(gòu)的另外一種應(yīng)用。在非晶襯底100上生長多晶材料，比如在玻璃襯底上形成多晶硅(或其它半導(dǎo)體薄膜)110。傳統(tǒng)工藝是在玻璃襯底上淀積非晶硅，然后經(jīng)過熱處理，把非晶硅轉(zhuǎn)變成多晶硅。這樣處理后的多晶硅，各種低能量態(tài)的點缺欠和線缺欠(如位錯)的密度都經(jīng)過褪火而大大降低，形成微觀尺度上一個個單晶顆粒。這種晶粒的尺寸大約在幾個微米至幾十個微米之間。各個單晶體顆粒之間會因為晶向的不同而產(chǎn)生界面，是降低器件性能的主要因素。利用微型結(jié)構(gòu)110可以抑制大尺寸(比如在幾百個微米以上)的多晶薄膜上顆粒界面120的形成，從而實現(xiàn)微觀尺度的單晶，應(yīng)用在薄膜晶體管(thin film transistor)等。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求限定的范圍所做的等效變化與修飾，皆應(yīng)屬于本發(fā)明專利的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種晶體薄膜的生長方法，該方法包括把位于非晶層上的超薄單晶薄膜通過高溫轉(zhuǎn)化為異質(zhì)薄膜，在表面形成很小內(nèi)應(yīng)力或無內(nèi)應(yīng)力的薄膜層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中非晶層可以是硅的絕緣襯底(SOI)上的氧化硅層，單晶超薄層是硅的表面層。通過高溫碳化，把表面的硅層轉(zhuǎn)化為碳化硅。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中硅的表面層的厚度約在5納米至20納米，非晶層的厚度可以在幾十納米至幾百納米之間，碳化的溫度約為700℃-1200℃。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，在高溫轉(zhuǎn)化前在硅的超薄層上刻蝕出小尺寸的橫向微結(jié)構(gòu)(mesa)，從而在熱處理時可以實現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力向邊界的轉(zhuǎn)移，抑制晶體缺欠的形成。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中橫向微結(jié)構(gòu)的尺寸可以在幾個微米(μm)至幾十或者幾百個微米(μm)之間，或者更具體點在幾十微米左右。
6.一種外延薄膜的制備方法，該方法包括在體襯底或超薄襯底上生長異質(zhì)外延材料，通過離子注入形成非晶層來消除表面層同襯底的內(nèi)應(yīng)力，形成無內(nèi)應(yīng)力的外延層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中體襯底是硅，在其上生長鍺硅異質(zhì)外延薄膜。通過離子注入氧等形成非晶層，使表面層同體襯底隔離，從而消除內(nèi)應(yīng)力的來源。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，通過高溫退火來消除離子注入引起的晶體缺欠，同時使鍺向表面遷移。如果注入氧，高溫退火(如1300度)將形成非晶的氧化硅層。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，在離子注入后和在高溫退火前，在硅襯底上刻蝕出橫向微結(jié)構(gòu)，其尺寸可以在幾個微米(μm)至幾十或者幾百個微米(μm)之間，以降低晶體缺欠的密度。
10.一種多晶薄膜的制備方法，在非晶襯底上淀積非晶硅，鍺，砷化鎵，氮化硅，氮化鎵等薄膜材料，并形成微尺寸凸凹結(jié)構(gòu)(mesa)，再通過高溫退火提高多晶的質(zhì)量。
11.如權(quán)利要求10所述，其中的微尺寸結(jié)構(gòu)可以在非晶襯底上刻蝕出橫向微結(jié)構(gòu)，其深度大約和需要淀積的多晶薄膜的厚度相當(dāng)，或者是在多晶薄膜形成后刻蝕，其深度大體是多晶薄膜的厚度。橫向微結(jié)構(gòu)的尺寸可以在幾個微米(μm)至幾十或者幾百個微米(μm)之間，或者更具體點在幾十微米左右。
全文摘要
一種在襯底上制備晶體薄膜或多晶薄膜的方法，包括利用屈服性超薄襯底的材料轉(zhuǎn)化和橫向微型結(jié)構(gòu)來降低外延異質(zhì)晶體的內(nèi)應(yīng)力；以及通過離子注入，在有內(nèi)應(yīng)力的薄膜下面形成非晶層后，利用高溫處理來消除內(nèi)應(yīng)力和降低薄膜的晶體缺欠密度。這樣形成的薄膜厚度可以超過在異質(zhì)襯底上生長均勻薄膜的臨界厚度允許的范圍。除了應(yīng)用于單晶薄膜，該方法還可以應(yīng)用于高質(zhì)量的多晶薄膜的制備。
文檔編號C30B25/18GK1434153SQ0211060
公開日2003年8月6日 申請日期2002年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月21日
發(fā)明者黃風(fēng)義 申請人:黃風(fēng)義