一种CMOS兼容硅衬底上的III-V族化合物材料生长方法

一种cmos兼容硅衬底上的iii-v族化合物材料生长方法
技术领域
1.本公开涉及半导体薄膜材料的异质外延技术领域，尤其涉及一种cmos兼容硅衬底上的iii-v族化合物材料生长方法。


背景技术：

2.随着微电子工业的发展，集成电路面临诸如功耗、传输速率等越来越多的挑战，硅基光电子集成技术以光互连取代传统的电互连方式，提供了可能的解决方案。cmos兼容的si衬底在微电子领域被广泛应用，但在硅基光电子集成技术中，由于具有间接带隙的iv族材料具有极低的发光效率，因此缺少有效的光源成为硅基光电子集成技术中亟需解决的问题。iii-v族化合物半导体材料，具有优异的光学性能和电学输运性能，将iii-v族材料通过直接外延的方式生长到cmos兼容的硅衬底上，可以得到cmos兼容的硅基iii-v族化合物半导体材料，从而解决硅基光电子集成技术中缺少光源的问题，但是，直接在硅衬底上进行iii-v族化合物半导体材料的外延存在一些问题，si衬底上直接生长iii-v族化合物半导体材料时的临界厚度非常小，一旦超过临界厚度，则会在外延层中产生大量的失配位错和穿透位错。除此之外，iv族材料和iii-v族材料的极性差异也会使得在si衬底上生长的iii-v族外延层中出现反相畴界，这些位错、反相畴界等缺陷不仅会影响si基iii-v虚拟衬底上器件的光电性能，还会导致外延层表面大的起伏，影响器件的表面平整度。此外，目前，多采用具有一定斜切角度(通常为4
°
～7
°
)的硅衬底来进行iii-v材料的外延生长，以抑制反相畴界的产生。但是微电子工业所用的硅衬底的斜切角度通常小0.5
°
，衬底的不兼容本质上仍然无法解决硅基光电子集成技术中光源的问题。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本公开提供了一种cmos兼容硅衬底上的iii-v族化合物材料生长方法。
4.根据本公开的第一个方面，提供了一种cmos兼容硅衬底上的iii-v族化合物材料生长方法，包括：
5.对cmos兼容硅衬底进行第一预处理；
6.在第一预处理后的cmos兼容硅衬底的表面生成v族原子浸润层；
7.在生成v族原子浸润层后的cmos兼容硅衬底的上表面生成iii-v族化合物成核层；
8.在成核层的上表面生成iii-v族化合物低温缓冲层；
9.在低温缓冲层的上表面生成iii-v族化合物高温缓冲层；
10.在高温缓冲层的上表面生成iii-v族化合物外延层。
11.可选地，对cmos兼容硅衬底进行第一预处理包括：
12.对cmos兼容硅衬底进行清洗；
13.对清洗后的cmos兼容硅衬底进行第二预处理；
14.对第二预处理后的cmos兼容硅衬底进行脱氧处理。
15.可选地，在第一预处理后的cmos兼容硅衬底的表面生成v族原子浸润层时cmos兼容硅衬底的温度为200～600℃，沉积时间为1～30min。
16.可选地，v族原子浸润层的材料为v族元素中的任意一种；
17.成核层、低温缓冲层、高温缓冲层和外延层的材料为与v族原子浸润层的材料相对应的iii-v族化合物中的任意一种。
18.可选地，成核层的生长温度为200～600℃，生长速度为0.1～0.4原子层每秒，v/iii值为4～8，厚度为1～200原子层；
19.低温缓冲层的生长温度为200～600℃，生长速度为0.1～0.7原子层每秒，v/iii值为2.5～8，厚度为30～100nm；
20.高温缓冲层的生长温度为400～620℃，生长速度为0.7～1原子层每秒，v/iii值为2.5～10，厚度为500～1500nm。
21.可选地，生成成核层、低温缓冲层、高温缓冲层和外延层的方法包括：分子束外延法、化学气相沉积法、金属有机物化学气相沉积法和磁控溅射法中任意一种。
22.可选地，cmos兼容硅衬底的切角小于
±
0.5
°
。
23.可选地，对cmos兼容硅衬底进行清洗包括：
24.将cmos兼容硅衬底放入浓度为5％的氢氟酸中浸没30s，再用去离子水冲洗；
25.重复执行将cmos兼容硅衬底放入浓度为5％的氢氟酸中浸没30s，再用去离子水冲洗的操作至少一次；
26.利用预设浓度的氮气将清洗后的cmos兼容硅衬底吹干。
27.可选地，对清洗后的cmos兼容硅衬底进行第二预处理包括：
28.将清洗后的cmos兼容硅衬底放置在真空腔体中进行第二预处理，使真空腔体中的cmos兼容硅衬底的温度为200～700℃，第二预处理时间为0.5～2h。
29.可选地，脱氧处理的温度需为850～1000℃，脱氧处理的时间为30～60min。
附图说明
30.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
31.图1示意性示出了本公开一实施例提供的一种cmos兼容硅衬底上的iii-v族化合物材料生长方法的流程示意图；
32.图2示意性示出了本公开一实施例提供的一种对cmos兼容硅衬底进行第一预处理的方法的流程示意图；
33.图3示意性示出了采用本公开提供的cmos兼容硅衬底上的iii-v族化合物材料生长方法制备得到的产品的表面形貌图；以及
34.图4示意性示出了采用本公开提供的cmos兼容硅衬底上的iii-v族化合物材料生长方法制备得到的产品的xrd摇摆曲线图。
具体实施方式
35.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
36.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
37.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
38.需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开。
39.在cmos兼容硅衬底上直接外延生长iii-v族材料时，由于si与iii-v材料的晶格常数、极性、热膨胀系数具有相当大的差别，因此外延过程中会产生大量的穿透位错、反相畴等缺陷。最终外延层中的缺陷多少将会影响后续以硅基iii-v族材料作为虚拟衬底生长的光电子器件的性能。本公开中在进行第一预处理后的cmos兼容硅衬底上生成v族原子浸润层，并在v族原子浸润层上依次生成成核层、低温缓冲层和高温缓冲层，可以在界面处形成在生长平面内传播的失配位错阵列，减少向生长方向传播的穿透位错密度，并且v族原子浸润层上的成核层为具有{111}表面的三维岛，因此，在生成成核层后，在成核层上继续生成低温缓冲层时，成核层上的三维岛开始合并，因此向生长方向上传播的同类型缺陷也会发生合并，如果同类型的缺陷传播矢量相反，将会自湮灭。例如，两个具有相反伯格斯矢量的穿透位错相遇后消失，反相畴合并成单畴。因此获得的iii-v族材料的缺陷密度低。下面将结合图1-图4来详细的说明本公开提供的iii-v族化合物材料生长方法。
40.图1示意性示出了本公开一实施例提供的一种cmos兼容硅衬底上的iii-v族化合物材料生长方法的流程示意图。
41.如图1所示，在本公开一实施例中，该方法包括操作s110～操作s160。
42.在操作s110，对cmos兼容硅衬底进行第一预处理。
43.本实施例中选用的cmos兼容硅衬底的切角小于
±
0.5
°
。在cmos兼容硅衬底上生长iii-v族化合物材料之前，为了保证最终生成的iii-v族化合物材料的质量，需要对cmos兼容硅衬底进行第一预处理，例如清洗等等。在本公开一实施例中，对cmos兼容硅衬底的进行第一预处理包括操作s111～操作s113(如图2所示)。
44.在操作s111，对cmos兼容硅衬底进行清洗。
45.对cmos兼容硅衬底进行清洗时，可以将cmos兼容硅衬底放入浓度为5％的氢氟酸
中浸没30s，取出后立即用去离子水冲洗，重复执行将cmos兼容硅衬底放入浓度为5％的氢氟酸中浸没30s，用去离子水冲洗的操作至少一次，例如，在本实施例中重复浸没和冲洗3次，在重复浸没和冲洗之后，利用预设浓度的氮气将清洗后的cmos兼容硅衬底吹干。
46.在操作s112，对清洗后的cmos兼容硅衬底进行第二预处理。
47.在本实施例中，对清洗后的cmos兼容硅衬底进行第二预处理时，将清洗后的cmos兼容硅衬底放置在真空腔体中进行第二预处理，此时应保证真空腔体中的cmos兼容硅衬底的温度为200～700℃，并保证第二预处理的时间为0.5～2h，对清洗后的cmos兼容硅衬底进行第二预处理的目的是为了去除cmos兼容硅衬底表面吸附的杂质气体。为了使cmos兼容硅衬底表面的杂质气体尽可能的被完全去除，在本实施例中，使真空腔体中的cmos兼容硅衬底的温度保持在400℃，且第二预处理的时间为1h。
48.在操作s113，对第二预处理后的cmos兼容硅衬底进行脱氧处理。
49.对进行第二预处理后的cmos兼容硅衬底进行脱氧处理的目的是脱去cmos兼容硅衬底表面的氧化层，在进行脱氧处理时，可以选择将cmos兼容硅衬底放置在生长腔体中，将cmos兼容硅衬底加热至850～1000℃，并保持30～60min，为了达到更好的脱氧处理效果，在本实施例中，将cmos兼容硅衬底加热至1000℃，并保持30min。
50.在操作s120，在第一预处理后的cmos兼容硅衬底的表面生成v族原子浸润层。
51.在本实施例中，v族原子浸润层的材料为v族元素中的任意一种，例如n，p，as，sb，本实施例中以sb为例，采用浸润的方法生成v族原子浸润层，在第一预处理后的cmos兼容硅衬底的表面生成v族原子浸润层时，将经脱氧处理的cmos兼容硅衬底在生长腔体中加热到200～600℃，并暴露在sb束流下，浸润sb原子，浸润时间为1～30min，获得sb原子浸润的cmos兼容硅衬底，例如，将cmos兼容硅衬底加热到430℃，打开sb源炉，控制sb束流为1e-6torr，浸润cmos兼容硅衬底表面7min。当cmos兼容硅衬底的温度不同时，浸润的时间也不同，例如，当cmos兼容硅衬底的温度为390℃时，浸润的时间为5min，当cmos兼容硅衬底的温度为410℃时，浸润的时间为6min，当cmos兼容硅衬底的温度为430℃时，浸润的时间为7min，当cmos兼容硅衬底的温度为450℃时，浸润时间为8min。本实施例中，在cmos兼容硅衬底表面生成v族原子浸润层，例如在cmos兼容硅衬底表面浸润sb原子，可以为后续成核层提供一个sb预层表面，以促进在cmos兼容硅衬底上异质外延生长sb化物成核层时失配位错阵列(传播方向为面内传播)的形成，从而实现减少向生长方向上传播的穿透位错的产生的目的。这是因为在cmos兼容硅衬底上生成v族原子浸润层时，大量应变以失配位错阵列释放，减少了向生长方向传播的穿透位错的形成，同时形成大量三维成核岛，成核岛的表面为{111}晶面，大量穿透位错及反相畴沿{111}面传播，在成核层上继续生成低温缓冲层的过程中，成核层上相邻的三维岛合并，大量伯格斯矢量相反的穿透位错相互合并并自湮灭，反相畴相互合并成单畴，在此基础上获得的cmos兼容硅衬底上的iii-v族材料，大多数位错、反相畴等缺陷存在于iii-v/si异质界面及最初的iii-v族材料中，最终获得的iii-v外延层具有低的缺陷密度，晶体质量较高。
52.在操作s130，在生成v族原子浸润层后的cmos兼容硅衬底的上表面生成iii-v族化合物成核层。
53.在操作s140，在成核层的上表面生成iii-v族化合物低温缓冲层。
54.在操作s150，在低温缓冲层的上表面生成iii-v族化合物高温缓冲层。
55.在操作s160，在高温缓冲层的上表面生成iii-v族化合物外延层。
56.元素周期表中iii族包括b，al，ga，in，v族包括n，p，as，sb，iii-v族化合物的表示式为a(iii)b(v)，如bsb，alsb，gasb，insb等等。在本实施例中，v族原子浸润层的材料为v族元素中的任意一种，成核层、低温缓冲层、高温缓冲层和外延层的材料为与v族原子浸润层的材料相对应的iii-v族化合物中的任意一种，例如，若本实施例中v族原子浸润层的材料仍以sb为例，则成核层、低温缓冲层、高温缓冲层和外延层的材料可以是bsb，alsb，gasb，insb中任意一种，成核层、低温缓冲层、高温缓冲层和外延层中每一层的材料可以与其它层相同，也可以不同。成核层的生长温度为200～600℃，生长速度为0.1～0.4原子层每秒，v/iii值为4～8，厚度为1～200原子层，例如，若成核层的材料为alsb，则在生成成核层时，将cmos兼容硅衬底加热到430℃，打开al源炉、sb源炉，开始al原子、sb原子的沉积，控制生长速度为0.4原子层每秒，sb/al比为6，生长的alsb成核层厚度为17原子层，生长过程中可以通过分子束外延设备原位监测仪器反射高能电子衍射(rheed)进行观测，可看到线状条纹转变为点，点再拉长为短线的变化过程，表明alsb起始生长模式为三维岛状生长，随后相邻岛开始合并，并开始进行二维层状生长。低温缓冲层的生长温度为200～600℃，生长速度为0.1～0.7原子层每秒，v/iii值为2.5～8，厚度为30～100nm，例如，若低温缓冲层的材料为gasb，则在生成低温缓冲层时，将cmos兼容硅衬底加热到430℃，打开ga源炉、sb源炉，开始ga原子、sb原子的沉积，控制生长速度为0.7原子层每秒，sb/ga值为3，生长的gasb低温缓冲层厚度为45nm，生长过程中可以通过rheed观察到3
×
3混合再构，说明此时gasb生长模式为层状生长，并且混合再构表明此时为多畴结构。高温缓冲层的生长温度为400～620℃，生长速度为0.7～1原子层每秒，v/iii值为2.5～10，厚度为500～1500nm，例如，若高温缓冲层的材料为gasb，则在生成高温缓冲层时，将si衬底加热到490℃，打开ga源炉、sb源炉，开始ga原子、sb原子的沉积，控制生长速度为0.7原子层每秒，sb/ga值为3，生长的gasb高温缓冲层厚度为550nm，生长过程中可通过rheed观察到gasb的1
×
3再构，表明此时大部分反相畴湮灭，gasb开始单畴生长。当成核层和低温缓冲层的材料相同时，例如都为alsb，此时因为成核层和低温缓冲层的生长温度范围相同，因此，可以一次生成成核层和低温缓冲层，此时，应将生长速度控制在成核层的生长速度和低温缓冲层的生长速度的交集内，即此时的生长速度为0.1～0.4原子层每秒。当外延层的材料不同时，生长方法也不同，例如，假设高温缓冲层的材料为gasb，在400～510℃的生长温度下在高温缓冲层上生长gasb外延层；或在400～490℃的生长温度下，在高温缓冲层上生长inas外延层；或在400～500℃的生长温度下，在高温缓冲层上生长inp外延层；或在400～620℃的生长温度下，在高温缓冲层上生长gaas外延层。当外延层的材料为gasb时，具体的生长方法为：将cmos兼容硅衬底加热到490℃，打开ga源炉、sb源炉，开始ga原子、sb原子的沉积，控制生长速度为0.7原子层每秒，sb/ga值为3，生长的gasb外延层厚度为900nm，生长结束后降温，降温过程可通过rheed观察到在300℃时gasb表面1
×
3到2
×
5的再构转变。
57.本公开提供的cmos兼容硅衬底上的iii-v族化合物材料生长方法包括：对cmos兼容硅衬底进行第一预处理，在第一预处理后的cmos兼容硅衬底的表面生成v族原子浸润层，在生成v族原子浸润层后的cmos兼容硅衬底的上表面生成iii-v族化合物成核层，在成核层的上表面生成iii-v族化合物低温缓冲层，在低温缓冲层的上表面生成iii-v族化合物高温缓冲层，在高温缓冲层的上表面生成iii-v族化合物外延层。因为本公开在预处理后的cmos
兼容硅衬底上直接生成v族原子浸润层，以及在v族原子浸润层上生成成核层，可以在衬底和成核层的界面处形成在生长平面内传播的失配位错阵列，减少向生长方向传播的穿透位错密度，并且成核层为具有{111}表面的三维岛，在成核层上生成低温缓冲层时，成核表面的三维岛开始合并，因此向生长方向上传播的同类型缺陷也会发生合并，如果同类型的缺陷传播矢量相反，将会自湮灭，例如，两个具有相反伯格斯矢量的穿透位错相遇后消失，反相畴合并成单畴。如图3所示，采用本公开提供的cmos兼容硅衬底上的iii-v族化合物材料生长方法制备得到的最终产品表面无反相畴存在，且十分平整，得到的cmos兼容硅衬底上的gasb材料表面均方根粗糙程度为0.76nm。同时最终产品还具有穿透位错密度低、反相畴密度低特点，达到了减少位错、反相畴界等缺陷对器件的光电性能的影响，以及对器件表面平整度的影响的目的。
58.图4示意性示出了采用本公开提供的cmos兼容硅衬底上的iii-v族化合物材料生长方法制备得到的产品的xrd摇摆曲线图。
59.在本实施例中，v族原子浸润层的材料为锑，成核层、低温缓冲层、高温缓冲层和外延层为锑化物，采用本公开提供的cmos兼容硅衬底上的iii-v族化合物材料生长方法进行制备，并对最终得到的产品进行x射线衍射测试，测试结果如图4所示，所得到的cmos兼容硅衬底上的gasb产品的xrd摇摆曲线半峰全宽为252弧秒，通过图4可知，采用本公开提供的cmos兼容硅衬底上的iii-v族化合物材料生长方法最终得到的产品的外延层晶体质量好，缺陷密度低。
60.附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的方法的可能实现的体系架构、功能和操作。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。
61.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
62.以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。