完美论文网提供本科论文、硕士毕业论文写作指导、论文发表及论文查重服务!QQ:505676555

电话:18796337551
当前位置:完美论文网材料论文 → 文章正文

硅基锗薄膜的选择性外延生长研究

作者:完美论文网  来源:www.wmlunwen.com  发布时间:2017/2/5 14:21:06  

0 引 言

随着社会的发展,人们对信息的处理、计算、传输、存储以及速度和能耗控制等技术的要求越来越高,进而对集成电路的性能提出了更高的要求。硅基光电集成技术能够充分利用现有成熟的微电子工艺,将光子传输速率高、抗干扰性强的优点与微电子技术结合,从而克服微电子铜互连等带来的发展瓶颈,因此成为近年来的研究热点[1-3]。由于Ge在1.3~1.55μm 近红外通信波段吸收系数大、载流子迁移率高,能与现有CMOS成熟工艺兼容,使其广泛应用于硅基光电子集成。作为硅基光电集成的重要组成器件之一,近年来利用硅基异质外延Ge薄膜制备的近红外波段波导集成型光电探测器已成为发展趋势[4-9],因此制备高质量的硅基外延Ge薄膜成为制备高响应度、低暗电流、高带宽探测器的关键。

由于Ge和Si原子之间约有4.2%的晶格失配,在Si衬底上直接外延生长Ge会在Ge层引入大量失配位错,并使Ge膜生长质量差、表面粗糙度高,失配位错缺陷将限制载流子的迁移,从而增大器件漏电流,同时粗糙的外延Ge膜表面将增大后续器件制备工艺难度。为此,科研人员采用在Si和Ge之间引入过渡缓冲层来外延Ge,主要有三种缓冲层技术:SiGe 组分渐变的缓冲层技术[10-13]、选区外延技术[14-16] 和低温缓冲层技术[17-19]。要实现探测器的波导集成及后续光电集成,器件尺寸不能太大,所需的缓冲层厚度不能太厚,而SiGe缓冲层技术生长工艺相对复杂且缓冲层较厚、生长周期长,不利于尺寸较小的集成型探测器的应用。对于集成型探测器器件,需要较大面积的外延Ge区域,以充分吸收入射光及便于后续集成,因此外延Ge区深宽比较小,使用图形衬底选区技术无法使位错被侧墙湮灭。本文将低温Ge缓冲层技术和选区外延技术结合,利用低温Ge技术工艺简单及其生长的Ge层作为过渡层薄的优点在Si/SiO2图形衬底上选择性外延高质量的Ge薄膜,以用于后续波导集成探测器的制备及硅基光电集成器件的研究。

1 实 验

本次选择性外延Ge薄膜生长实验是在中国科学院微电子研究所8 英寸(1 英寸=2.54 cm)CMOS工艺线上完成的,外延系统为减压化学气相沉积(RPCVD)系统,RPCVD是外延Ge薄膜的主流技术之一,与UHVCVD相比,其具有工艺简单、生长快、成本低、无需超高真空、便于工业化量产等优点。Ge外延生长的工艺流程为:准备p型Si衬底片(10~12Ω·cm),在其上等离子体增强化学气相沉积(PECVD)500 nm 左右厚的SiO2,然后对样品光刻出大小不一的圆形窗口(直径为10~100μm,每10μm为间隔),以光刻胶作掩膜,用CHF3气体对窗口处SiO2进行电感耦合等离子体刻蚀(ICP),之后进行干法去胶,然后采用集成电路标准清洗工艺对窗口处衬底表面进行清洁处理,去除残胶及可能存在的有机玷污和颗粒,图形衬底片清洗后快速送入外延反应腔体内进行外延生长。在外延反应腔体中,图形衬底硅片首先在825℃高温下预烘烤30 min,以去除硅表面自然氧化层,待温度降到400℃时向反应腔体先通入一定量的GeH4,生长低温Ge缓冲层,然后将反应腔温度升高至650℃生长高温Ge,反应过程中通入刻蚀性气体HCl,通过调节HCl的通入量去除SiO2上的多晶Ge,从而选择性生长Si上的单晶Ge,由于HCl对多晶Ge的腐蚀速率大于单晶Ge的腐蚀速率,所以当SiO2上的多晶Ge完全去除时,Si上的单晶Ge还有剩余,使外延窗口中的单晶Ge能正常生长[15]。随着外延的不断进行,生长的Ge膜厚度大于开窗口深度,使SiO2与Ge接触侧壁缝隙生长完全,停止通气体,825℃下在H2氛围中退火20 min,减少薄膜中的位错和缺陷,最后用化学机械抛光(CMP)研磨平窗口外的Ge膜表面,并得到平滑的Ge表面,利于后续器件工艺的制备。

通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、高分辨率X射线(high resolution X-ray diffraction,HRXRD)、原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)、湿法腐蚀Ge表面位错坑法对选择性外延Ge样品的质量、结构和表面形貌进行了测试表征。

2 结果与讨论

外延前衬底的清洗处理是获得高质量Ge的先决条件,如图1所示是在衬底表面未清洗干净基础上外延生长的Ge膜,生长的外延Ge无法形成成片单晶Ge膜,质量很差。

选择性外延生长Ge要通入适量的选择性刻蚀气体HCl,以保证刻蚀多晶Ge的同时单晶Ge能有效生长成膜。图2是未通入选择性刻蚀气体时外延Ge的表面和侧壁SEM 图,可以看到SiO2表面有大量成核的多晶Ge。图3表明通入体积流量为45 cm3/min的HCl气体时,SiO2表面多晶Ge颗粒有部分残留。增加HCl气体体积流量到65 cm3/min,SiO2上多晶Ge完全去除干净,随着Si上单晶Ge生长到厚约为1.5μm 时,侧壁缝隙填充完整,如图4所示。由于波导集成型探测器尺寸小,有源Ge层厚度不能太厚,而低温Ge缓冲层晶体质量较差,存在较多的点缺陷,不能直接作为有源Ge层集成应用于波导集成器件,因此利用超薄低温Ge缓冲层外延生长高质量Ge本征层是制备性能良好波导集成锗探测器的关键。在利用上述选择性外延Ge条件的基础上,通过调节低温Ge的生长工艺,得到厚度约为40 nm 的低温Ge缓冲层,然后再生长出厚度约为1.5μm的高温Ge层。

首页 上一页 1 2 下一页 末页 

联系方式

客服QQ 505676555
客服热线18796337551
网站地址 www.wmlunwen.com
郑重承诺 原创,包修改,包通过!
完美论文网真诚欢迎新老客户的光临与惠顾!