一種單片原位形成圖形襯底的方法
2023-05-11 18:45:51
一種單片原位形成圖形襯底的方法
【專利摘要】本發明提供一種單片原位形成圖形襯底的方法，所述方法至少包括步驟：提供一襯底，在所述襯底上外延生長具有張應變的結構，並使所述張應變以形成裂縫的形式弛豫，所述裂縫相互交錯形成襯底圖形。本發明的單片原位形成襯底圖形的方法不需對襯底進行預處理，從而防止引入外來雜質，降低了工藝難度，且操作工藝簡單，易控制。另外，在本發明提供的襯底圖形上生長的結構和器件與襯底晶格失配並且可以保持極低的晶體缺陷密度。
【專利說明】一種單片原位形成圖形襯底的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體電子與光電子材料製備領域，特別涉及一種單片原位形成圖形襯底的方法。
【背景技術】
[0002]晶格失配與熱膨脹係數失配一直是制約半導體異質結構設計的重要因素。高質量、大尺寸、低價格的商用襯底種類只有有限幾種，或者特定情況下襯底材料已被選定(例如II1-V與矽基集成)，在這些襯底之上構建電子或光電子器件的時候對材料的選擇只能被局限在與襯底匹配或者極小的可容忍的失配的材料體系中，否則將引起應力弛豫並導致很高的晶體缺陷密度，大幅度降低器件性能，這極大的限制了對器件設計的自由度。
[0003]為了打破該限制，生長一個緩衝層來改變晶格常數成為了一種廣泛的做法。然而，雖然科研界經過數十年的努力嘗試各種緩衝層的設計和優化，此類方法製作出的襯底模板仍然具有過高的缺陷密度，在此之上製造出的器件，尤其是光電子器件，尚無法與普通商用襯底上的器件進行競爭，更不用說超越其性能。最近，對襯底進行預先製作圖形的方法表現出了很好的前景。通過製作圖形，襯底表面被分割成相對獨立的小單元，當在此之上生長具有晶格或者熱膨脹係數失配的結構時，由於幾何尺度很小，一部分應變通過彈性形變弛豫，而由於塑性應變弛豫導致的晶體缺陷如穿透位錯則可以較容易的滑移到圖形的邊緣而消除。從而實現了雖具有失配但缺陷密度很低的新晶體模板。例如，利用該方法，實現了在Si襯底上製作高質量的 Ge 和 GaAs 模板[C.V.Falub, et.al.Science, 335，1330 (2012)]。然而，該方法需要對襯底進行多步驟預處理，包括光刻和腐蝕等，會在本來十分潔淨的商用襯底上引入汙染，並且大幅增加了工藝的難度和生產成本。如襯底表面圖形可以單片原位形成，上述問題則可以解決。
【發明內容】
[0004]鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種的單片原位形成圖形襯底的方法，用於解決現有技術中形成圖形襯底時容易引入雜質造成汙染，增加工藝難度和生產成本的問題。
[0005]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種單片原位形成圖形襯底的方法，所述單片原位形成圖形襯底的方法至少包括步驟:
[0006]提供一襯底，在所述襯底上依次外延生長第一晶體單元和具有張應變的第二晶體單元，並使所述張應變以在所述第二晶體單元表面形成裂縫的形式弛豫，所述裂縫相互交錯形成襯底圖形；所述第二晶體單元的晶格常數小於第一晶體單元頂部的面內晶格常數。
[0007]優選地，所述襯底為半導體商用襯底。
[0008]優選地，所述第一晶體單元為C、S1、Ge、Sn、二元及多元半導體、氧化物中的一種或多種。
[0009]優選地，所述第二晶體單元為C、S1、Ge、Sn、二元及多元半導體、氧化物中的一種或多種。
[0010]優選地，所述第一晶體單元為單層或多層結構，所述第一晶體單元的應變完全或接近完全弛豫，其頂部的面內晶格常數不同於襯底的晶格常數。
[0011]優選地，所述第二晶體單元為單層或多層結構。
[0012]優選地，所述第二晶體單元生長至一定厚度，其張應變以裂縫的形式弛豫。
[0013]優選地,所述厚度大於50nm。
[0014]優選地，所述第二晶體單元在生長結束後的降溫過程中形成裂縫實現張應變的弛豫。
[0015]優選地，在所述第二晶體單元表面形成裂縫之後，還包括在所述第二晶體單元表面依次生長模板單元和器件單元的步驟；所述模板單元和器件單元具有低的晶體缺陷密度。
[0016]優選地，所述晶體缺陷密度小於I X 106/cm2。
[0017]優選地，米用分子束外延、金屬有機化學氣相外延技術、液相外延或熱壁外延形成所述第一晶體單元和第二晶體單元。
[0018]本發明還提供另一種單片原位形成圖形襯底的方法，所述單片原位形成圖形襯底的方法至少包括步驟:
[0019]提供一襯底，在所述襯底上外延生長具有張應變的晶體單元，並使所述張應變以在所述晶體單元表面形成裂縫的形式弛豫，所述裂縫相互交錯形成襯底圖形；所述晶體單元的晶格常數小於所述襯底的晶格常數。
[0020]優選地，所述晶體單元為C、S1、Ge、Sn、二元及多元半導體、氧化物中的一種或多種。
[0021]優選地，所述晶體單元為單層或多層結構。
[0022]優選地，所述晶體單元生長至一定厚度，其張應變以裂縫的形式弛豫。
[0023]優選地,所述厚度大於50nm。
[0024]優選地，所述晶體單元在生長結束後的降溫過程中產生張應變，所述張應變以形成裂縫的方式弛豫。
[0025]優選地，在所述晶體單元表面形成裂縫之後，還包括在所述晶體單元表面依次生長模板單元和器件單元的步驟。
[0026]如上所述，本發明的單片原位形成圖形襯底的方法，具有以下有益效果:本發明的單片原位形成襯底圖形的方法不需對襯底進行預處理，從而防止引入外來雜質，降低了工藝難度，且操作工藝簡單，易控制。在本發明提供的襯底圖形上生長的結構和器件與襯底晶格失配並且可以保持極低的晶體缺陷密度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1a為本發明的單片原位形成圖形襯底的方法的實施例一展示的圖形襯底結構剖面圖。
[0028]圖1b為本發明的單片原位形成圖形襯底的方法的實施例一展示的圖形襯底結構俯視圖。
[0029]圖2為本發明單片原位形成圖形襯底的方法的實施例一中圖形襯底上生長模板結構和器件結構的示意圖。
[0030]圖3為本發明單片原位形成圖形襯底的方法的實施例一中圖形襯底上僅生長器件結構的示意圖。
[0031]圖4為本發明單片原位形成圖形襯底的方法的實施例二中在Si襯底上構建圖形並後續生長GaAs模板單元的示意圖。
[0032]圖5為本發明單片原位形成圖形襯底的方法的實施例三中在GaAs襯底上構建圖形的示意圖。
[0033]圖6為本發明單片原位形成圖形襯底的方法的實施例四中展示的圖形襯底結構示意圖。
[0034]圖7為本發明單片原位形成圖形襯底的方法的實施例五中在InP襯底上構建圖形的示意圖。
[0035]圖8為本發明單片原位形成圖形襯底的方法的實施例六中在Si襯底上利用Ge與Si熱膨脹係數不同構建圖形的示意圖。
[0036]元件標號說明
[0037]I 襯底
[0038]2第一晶體單元
[0039]3第二晶體單元
[0040]4 裂縫
[0041]5模板單元
[0042]6器件單元
[0043]7晶體單元
【具體實施方式】
[0044]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0045]請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。
[0046]實施例一
[0047]本發明提供一種單片原位形成圖形襯底的方法，所述方法至少包括:所述襯底I上依次外延生長第一晶體單元2和具有張應變的第二晶體單元3，並使所述張應變以在所述第二晶體單元3表面形成裂縫4的形式弛豫，所述裂縫4相互交錯形成襯底圖形；所述第二晶體單元3的晶格常數小於第一晶體單元2頂部的面內晶格常數。獲得的圖形襯底結構如圖1a和Ib所示。
[0048]所述襯底I可以是具有任意晶面取向的半導體商用襯底。
[0049]所述第一晶體單元2選自具有任意晶面取向的C、S1、Ge、Sn、二元及多元半導體、氧化物中的一種或多種。
[0050]所述第二晶體單元3也可以選自具有任意晶面取向的C、S1、Ge、Sn、二元及多元半導體、氧化物中的一種或多種。
[0051]下面具體介紹本發明的單片原位形成圖形襯底的方法的主要步驟:
[0052]I)在提供的襯底I上生長第一晶體單元2，所述第一晶體單元2可以為單層結構或者多層結構。所述第一晶體單元2需應變弛豫，其弛豫後的頂部面內晶格常數要與所述襯底I的晶格常數不同。作為示例，弛豫後第一晶體單元2頂部面內晶格常數大於所述襯底I的晶格常數。
[0053]生長所述第一晶體單元2的工藝可以是分子束外延(MBE)、金屬有機化學氣相外延技術(M0CVD)、液相外延(LPE)或熱壁外延(HWE)等，還可以是經過外延生長工藝修改的沉積形式，如液滴外延、遷移增強外延、單原子層外延等，在此不限。
[0054]2)在所述第一晶體單元2表面生長第二晶體單元3。所述第二晶體單元3可以為單層或者多層結構。第二晶體單元3具有比第一晶格單元2頂部的面內晶格常數小的晶格常數，從而具有張應變。
[0055]生長所述第二晶體單元3的工藝可以是分子束外延(MBE)、金屬有機化學氣相外延技術(M0VPE)、液相外延(LPE)或熱壁外延(HWE)等，還可以是經過外延生長工藝修改的沉積形式，如液滴外延、遷移增強外延、單原子層外延等，在此不限。
[0056]3)當所述第二晶體單元3生長至一定厚度之後，所述第二晶體單元3中積累的張應變開始弛豫，並以生成裂縫4的方式弛豫。生成的所述裂縫4相互交錯形成圖形，至此，在所述半導體商用襯底I上完成單片原位構建圖形。
[0057]當然，所述第二晶體單元3除了可以在生長過程產生裂縫4以完成弛豫，還可以通過生長結束後的降溫過程中所述第二晶體單元3與第一晶體單元2間不同熱膨脹係數來產生裂縫4而發生弛豫，這要求第二晶體單元3熱膨脹係數大於第一晶體單元2熱膨脹係數。所生成的裂縫4也是相互交錯形成圖形，完成在商用襯底I上單片原位構建圖形。
[0058]需要說明的是，在第二晶體單元3之上可繼續生長模板單元5。所述模板單元5的晶格常數與襯底I不同。所述模板單元5的應變部分以彈性形變的方式弛豫，或者通過塑性形變來應變弛豫，由此產生的穿透位錯滑移到圖形邊緣而被消除。之後在所述模板單元5之上可繼續生長器件單元6，如圖2所示。所述器件單元6的晶格常數與模板單元5匹配，從而避免進一步產生應變弛豫，降低器件的晶體缺陷密度。
[0059]還需要說明的是，在所述器件單元6的晶格常數與所述第二晶體單元3形成圖形後的頂部面內晶格常數匹配的情況下，所述模板單元5可省略，即直接在所述第二晶體單元3上生長器件單元6,如圖3所示。
[0060]實施例二
[0061]以下以Si襯底上利用Si/Ge/Si的結構構建圖形為例說明該發明單片原位形成圖形的結構和步驟。這些結構和製備步驟可以直接推廣到其他類型的材料體系。以下提到的生長方法包含但不限於分子束外延(MBE)和金屬有機化合物化學氣相沉澱(M0CVD)，具體結構和製備步驟如下，如圖4所示:
[0062](I)在Si襯底I上生長第一晶體單元2Ge層，厚度在I μ m以上從而使應變充分弛豫；[0063](2)在第一晶體單元2Ge層之上生長50~IOOnm的第二晶體單元3Si層；
[0064](3)此第二晶體單元3Si層與下面的第一晶體單元2Ge層存在約4%張應變，應變以裂縫4的方式弛豫，裂縫4相互交錯形成圖形，至此，單片原位圖形構建完畢；
[0065](4)在此圖形之上繼續生長Si，形成Si的臺狀或柱狀結構；
[0066](5)在Si臺狀或柱狀結構之上生長GaAs層，臺柱狀Si與GaAs層共同作為模板單元5，該GaAs層相對下方Si的晶格失配將部分通過彈性形變弛豫，而由塑性形變馳豫導致的穿透位錯將滑移到邊緣而被消除，從而具有極低的晶體缺陷密度，所述晶體缺陷密度約為小於lXlOVcm2。以此GaAs層作為模板單元5可繼續生長與GaAs晶格匹配的器件結構。
[0067]實施例三
[0068]以下以GaAs襯底上利用GaAs/InGaAs/GaAs的結構構建圖形為例說明該發明單片原位形成圖形的結構和步驟。這些結構和製備步驟可以直接推廣到其他類型的材料體系。以下提到的生長方法包含但不限於分子束外延(MBE)和金屬有機化合物化學氣相沉澱(M0CVD)，具體結構和製備步驟如下，如圖5所示:
[0069](I)在GaAs襯底I上生長500nm線性漸變的InxGa^xAs Cx=O~0.3)緩衝層從而得到比GaAs大的晶格常數和平整的表面；
[0070](2)在InGaAs緩衝層上生長100~200nm InQ.2GaQ.8As。該層與其下緩衝層共同構成第一晶體單元2 ；
[0071](3)在 Inci 2Gatl 8As 層上生長 200nm GaAs 第二晶體層 3 ；
[0072](4)此GaAs層與下面的Ina2Gaa8As層存在約1.4%張應變，應變以裂縫4的方式弛豫，裂縫4相互交錯形成圖形，至此，單片原位圖形構建完畢；
[0073](5)在此圖形之上繼續生長與GaAs襯底I存在晶格失配的結構和器件而保持極低的晶體缺陷密度，所述晶體缺陷密度小於5 X 105/cm2。
[0074]實施例四
[0075]本發明提供一種單片原位形成圖形襯底的方法，所述方法至少包括:提供一襯底1，在所述襯底I上外延生長具有張應變的晶體單元7，並使所述張應變以在所述晶體單元7表面形成裂縫4的形式弛豫，所述裂縫4相互交錯形成襯底圖形；所述晶體單元7的晶格常數小於所述襯底I的晶格常數。獲得的圖形襯底結構如圖6所示。
[0076]所述襯底I可以是具有任意晶面取向的半導體商用襯底。
[0077]所述晶體單元7選自具有任意晶面取向的C、S1、Ge、Sn、二元及多元半導體、氧化物中的一種或多種。
[0078]下面具體介紹本發明的單片原位形成圖形襯底的方法的主要步驟:
[0079]I)在提供的襯底I上生長晶體單元7，所述晶體單元7可以為單層結構或者多層結構。所述晶體單元具有比襯底I小的晶格常數。
[0080]生長所述晶體單元7的工藝可以是分子束外延(MBE)、金屬有機化學氣相外延技術(M0CVD)、液相外延(LPE)或熱壁外延(HWE)等，還可以是經過外延生長工藝修改的沉積形式，如液滴外延、遷移增強外延、單原子層外延等，在此不限。
[0081]2)當所述晶體單元7生長至一定厚度之後，所述晶體單元7中積累的張應變開始弛豫，並以生成裂縫4的方式弛豫。生成的所述裂縫4相互交錯形成圖形，至此，在所述半導體商用襯底I上完成單片原位構建圖形。
[0082]當然，所述晶體單元7除了可以在生長過程產生裂縫4以完成弛豫，還可以通過生長結束後的降溫過程中所述晶體單元7與襯底間不同熱膨脹係數來產生裂縫4而發生弛豫，這要求晶體單元7的熱膨脹係數大於襯底I的熱膨脹係數。所生成的裂縫4也是相互交錯形成圖形，完成在商用襯底I上單片原位構建圖形。
[0083]需要說明的是，在晶體單元7之上可繼續生長模板單元。所述模板單元的晶格常數與襯底I不同。所述模板單元的應變部分以彈性形變的方式弛豫，或者通過塑性形變來應變弛豫，由此產生的穿透位錯滑移到圖形邊緣而被消除。之後在所述模板單元之上可繼續生長器件單元。所述器件單元的晶格常數與模板單元匹配，從而避免進一步產生應變弛豫和由此導致的晶體缺陷。
[0084]還需要說明的是，在所述器件單元的晶格常數與所述晶體單元7形成圖形後的頂部面內晶格常數匹配的情況下，所述模板單元可省略，即直接在所述晶體單元7上生長器件單元。
實施例五
[0085]以下以InP襯底上利用GaAs層構建圖形為例說明該發明單片原位形成圖形的結構和步驟。這些結構和製備步驟可以直接推廣到其他類型的材料體系。以下提到的生長方法包含但不限於分子束外延(MBE)和金屬有機化合物化學氣相沉澱(M0CVD)，具體結構和製備步驟如下，如圖7所示:
[0086](I)在InP襯底I上生長50?IOOnm GaAs晶體單元7 ；
[0087](2)此GaAs層與InP襯底存在約3.7%張應變，應變以裂縫4的方式弛豫，裂縫4相互交錯形成圖形，至此，單片原位圖形構建完畢；
[0088](3)在此圖形之上繼續生長與InP襯底存在晶格失配的結構和器件而保持極低的晶體缺陷密度，所述晶體缺陷密度小於5 X 105/cm2。
[0089]實施例六
[0090]以下以Si襯底上利用Ge層構建圖形為例說明該發明單片原位形成圖形的結構和步驟。這些結構和製備步驟可以直接推廣到其他類型的材料體系。以下提到的生長方法包含但不限於分子束外延(MBE)和金屬有機化合物化學氣相沉澱(M0CVD)，具體結構和製備步驟如下，如圖8所示:
[0091](I)在高於500°C的溫度下，在Si襯底I上生長IOOOnm Ge晶體單元7，Ge中應變充分弛豫；
[0092](2)快速降溫至室溫；
[0093](3)由於Ge層的熱膨脹係數是Si襯底的2.23倍，Ge層晶格常數迅速收縮產生張應變，該張應變以裂縫4的方式弛豫，裂縫4相互交錯形成圖形，至此，單片原位圖形構建完畢；
[0094](4)在此圖形之上繼續生長與Ge襯底存在晶格失配的結構和器件而保持極低的晶體缺陷密度，所述晶體缺陷密度小於5 X 105/cm2。
[0095]綜上所述，本發明提供一種單片原位形成圖形襯底的方法，所述方法至少包括步驟:提供一襯底，在所述襯底上外延生長具有張應變的結構，並使所述張應變以形成裂縫的形式弛豫，所述裂縫相互交錯形成襯底圖形。本發明的單片原位形成襯底圖形的方法不需對襯底進行預處理，從而防止引入外來雜質，降低了工藝難度，且操作工藝簡單，易控制。在本發明提供的襯底圖形上生長的結構和器件與襯底晶格失配並且可以保持極低的晶體缺陷密度。
[0096]所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0097]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於，所述單片原位形成圖形襯底的方法至少包括步驟: 提供一襯底，在所述襯底上依次外延生長第一晶體單元和具有張應變的第二晶體單元，並使所述張應變以在所述第二晶體單元表面形成裂縫的形式弛豫，所述裂縫相互交錯形成襯底圖形；所述第二晶體單元的晶格常數小於第一晶體單元頂部的面內晶格常數。
2.根據權利要求1所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述襯底為半導體商用襯底。
3.根據權利要求1所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述第一晶體單元為C、S1、Ge、Sn、二元及多元半導體、氧化物中的一種或多種。
4.根據權利要求1所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述第二晶體單元為C、S1、Ge、Sn、二元及多元半導體、氧化物中的一種或多種。
5.根據權利要求1或3所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述第一晶體單元為單層或多層結構，所述第一晶體單元的應變完全或接近完全弛豫，其頂部的面內晶格常數不同於襯底的晶格常數。
6.根據權利要求1或4所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述第二晶體單元為單層或多層結構。
7.根據權利要求6所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述第二晶體單元生長至一定厚度，其張應變以裂縫的形式弛豫。
8.根據權利要求7所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述厚度大於50nmo
9.根據權利要求6所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述第二晶體單元在生長結束後的降溫過程中產生張應變，所述張應變以形成裂縫的方式弛豫。
10.根據權利要求1所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:在所述第二晶體單元表面形成裂縫之後，還包括在所述第二晶體單元表面依次生長模板單元和器件單元的步驟；所述模板單元和器件單元具有低的晶體缺陷密度。
11.根據權利要求10所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述晶體缺陷密度小於I X IOfVcm2。
12.根據權利要求1所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:採用分子束外延、金屬有機化學氣相外延技術、液相外延或熱壁外延形成所述第一晶體單兀和第二晶體單元。
13.一種單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於，所述單片原位形成圖形襯底的方法至少包括步驟: 提供一襯底，在所述襯底上外延生長具有張應變的晶體單元，並使所述張應變以在所述晶體單元表面形成裂縫的形式弛豫，所述裂縫相互交錯形成襯底圖形；所述晶體單元的晶格常數小於所述襯底的晶格常數。
14.根據權利要求13所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述晶體單元為C、S1、Ge、Sn、二元及多元半導體、氧化物中的一種或多種。
15.根據權利要求13或14所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述晶體單元為單層或多層結構。
16.根據權利要求15所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述晶體單元生長至一定厚度，其張應變以裂縫的形式弛豫。
17.根據權利要求16所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述厚度大於 50nmo
18.根據權利要求15所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:所述晶體單元在生長結束後的降溫過程中產生張應變，所述張應變以形成裂縫的方式弛豫。
19.根據權利要求13所述的單片原位形成圖形襯底的方法，其特徵在於:在所述晶體單元表面形成裂縫之後，還包括在所述晶體單元表面依次生長模板單元和器件單元的步驟。
【文檔編號】H01L33/20GK103618036SQ201310629211
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2013年11月29日
【發明者】宋禹忻, 王庶民 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所