超高真空化学气相生长用于应变硅的高质量SiGe缓冲层

半　导　体　学　报

CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORS

Vol.26　No.11

Nov.,2005

超高真空化学气相生长用于应变硅

的高质量SiGe缓冲层3

吴贵斌　叶志镇　刘国军　赵炳辉　崔继峰

(浙江大学硅材料国家重点实验室,杭州　310027)

摘要:采用UHV/CVD技术,以多层SiGe/Si结构作为缓冲层来生长应变弛豫SiGe虚衬底,并在此基础上生长出了具有张应力的Si层.利用高分辨X射线、二次离子质谱仪和原子力显微镜分别对薄膜的晶体质量、厚度以及平整度进行了分析.结果表明,通过这种方法制备的SiGe虚衬底,不仅可以有效提高外延层中Ge含量,以达到器件设计需要,而且保证很好的晶体质量和平整的表面.Schimmel液腐蚀后观察到的位错密度只有1×106cm-2.关键词:超高真空化学气相沉积;锗硅;缓冲层

PACC:8115H;6855;7320D

中图分类号:TN304　　　文献标识码:A　　　文章编号:025324177(2005)1122139204

1　引言

近些年来,锗硅/硅(SiGe/Si)异质结构材料因其优异的性能被广泛应用于Si基集成电路中,尤其是利用应变弛豫的SiGe外延层作为虚衬底来生长应变Si材料。当Si中双轴面内应变为1%时,能够显著提高电子的迁移率[1～3],室温下迁移率可达到

4000cm2/(V・s)[4]。这一值比本征Si材料的电子迁移率大2倍多,为制备出性能优异的Si基MOS2FET[5]提供了一条途径,目前已成为微电子学研究

衬底[10]等,但是利用前两种方法一般很难提高Ge

的含量(Ge含量一般小于30%),而成分渐变法生长需要几微米的缓冲层以及精确控制Ge的含量,并且SiGe缓冲层表面较为粗糙,影响了器件性能.Hartmann等人[11]采用SiGe/Si多层结构作为缓冲

层,生长出了高质量的SiGe应变弛豫层,但他们采用的是多周期、恒定Ge含量,并没有报道改变Ge含量的多层缓冲层结构1本文对采用Ge含量变化的GeSi/Si多层结构代替常规使用的GeSi渐变缓冲层进行了实验和探讨,通过依次提高每层GeSi层中的Ge含量,制备出了Ge含量高达50%的虚衬底,并在其上生长出了一层具有张应力的Si盖帽层,证明该方法可用作生长应变Si虚衬底的SiGe弛豫衬底层.

领域的前沿课题之一.而制备出Ge含量较高,无应变以及位错密度低的SiGe虚衬底则是能否实现器件优异性能的关键所在.

由于Si和Ge之间较大的晶格失配,SiGe薄膜在硅衬底上的应变弛豫是通过在SiGe和Si界面引入高密度的失配位错、穿透位错,因而降低了材料的质量.一旦穿透位错扩展进入器件有源区将对器件性能造成严重的破坏.目前已有几种方法可以生长出质量较好的SiGe缓冲层,例如,离子注入[6],低温生长Si缓冲层[7,8],成分渐变SiGe缓冲层[9],柔化

2　样品的制备

实验采用75mm(100)Si片作为衬底,在自行研制的超高真空化学气相沉积系统(UHV/CVD2)[12]外延生长GeSi/Si多层结构.该系统与Ⅱ

[13]UHV/CVD2Ⅰ设备相比,生长室的本底真空可

3国家攀登计划(批准号:981101040),浙江计划(批准号:991110535)资助项目

　吴贵斌　男,1979年出生,博士研究生,从事SiGe半导体材料及器件研究.Email:wuguibin@zju.edu.cn　叶志镇　男,1955年出生,教授,博士生导师,主要从事半导体薄膜和器件研究.Email:yezz@cmsce.zju.edu.cn　2005204227收到,2005207203定稿

Ζ2005中国电子学会

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半　导　体　学　报第26卷

达3×10-8Pa.在做实验前,设备经过长时间的烘

烤,将有害气体杂质含量降至最低.在进行外延生长前,先经常规方法清洗Si片;放入氢氟酸(HF)30s后,装入外延生长系统,外延生长温度设定为550℃,先通入2sccm的SiH4,生长5min的Si缓冲层,以改善Si片表面状况;然后再生长SiGe/Si多层缓冲层结构,多层结构见图1.在生长缓冲层时,SiH4流量调整至6sccm,生长SiGe时,依次通入014,1和2sccm的GeH4,最后在SiGe层上生长一

层具有应力的应变Si材料,生长压力为011～1Pa.

采用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)、Raman光谱和二次离子质谱仪(SIMS)对外延层的应力弛豫、层厚进行了测试分析,并用原子力显微镜(AFM)对样品的平整度进行了测量.

图1　缓冲层的结构图

Fig.1　Crosssectionofthestructureofbufferlayer

3　实验结果与讨论

图2是样品的二次离子质谱(SIMS),从图中可

以清楚地看出外延层中Ge含量的分布随距离的不同而不同,每个Ge峰对应着不同GeSi层中的Ge含量.由于SIMS很难对Ge含量进行定量测量,较难比较每一层Ge含量的相对大小,但可以很清楚地看到样品的多层结构.这与实验过程基本相符.GeSi层厚度分别为200,150和100nm,SiGe层之间为Si层,最外一层Si层的厚度约为100nm左右.层与层之间界面过渡区较为陡峭,整个缓冲层厚度约为1

μm.与其他生长缓冲层的方法相比,利用此方法生长的缓冲层尽管最外层Ge含量较高,但由于中间Si层的作用,使得外延层的平均Ge含量并不高,不仅不会降低外延薄膜的晶体质量,而且可以较为有效地释放薄膜中的应力,并提高外延层中的Ge含量.

图3是SiGe/Si多层结构的高分辨X衍射图,其中左边3个峰分别来自Ge含量不同的三层SiGe

图2　样品的二次离子质谱图

Fig.2　SIMSprofileofsample

的衍射峰,最右边为应变Si层的衍射峰,说明利用

此方法生长出了质量较好的具有应变的Si层.分别对样品进行了(004)对称与(115)非对称衍射峰测试,经过软件计算得到最上层缓冲层完全弛豫,根据峰位得到的三层Ge含量分别为0105,0119和0154.为了进一步验证,每一步生长的SiGe层用Raman光谱来测定薄膜的应变弛豫程度,如表1所示.可见最外层薄膜已完全弛豫,与HRXRD测试结果一致.同时还对薄膜腐蚀进行了位错观察,如图4所示,计算得出穿透位错为1×106cm-2.由于最

上一层的锗含量较高,超过50%,造成样品表面位错密度较高,因而还需进一步对Ge含量分布以及厚度进行优化,以获得位错密度较低的样品.

图3　样品(004)摇摆曲线图

Fig.3　Rockingcurveofsample表1　样品的喇曼谱和光学显微镜测试数据

Table1　Ramanandopticalmicroscopyanalysisdetails实验步骤Ge含量弛豫度/%失配位错/μm穿透位错/cm-2

第一层SiGe-177-第二层SiGe-50--第三层SiGe0.54100141×106

图5显示了样品的AFM图,可以看出尽管Ge2

第11期吴贵斌等:　超高真空化学气相生长用于应变硅的高质量SiGe缓冲层

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图4　样品经过腐蚀后表面显微镜照片(70μm×70

μm)Fig.4　Opticalmicroscopyimageofsample

Si层中Ge含量很高,但样品表面的平均粗糙度却

只有515nm,小于采用渐变Ge含量等方法生长的SiGe缓冲层[14]粗糙度.这是因为SiGe层之间的Si

层起到了压力释放的作用[15].因此,利用这种方法

生长的SiGe缓冲层不仅能很快释放应变,而且可以获得较为平坦的表面.由于样品表面有Si盖帽层,

并且Ge含量较高,20μm×20μm区域较小,所以没有明显的cross2hatch出现.

图5　样品的AFM表面形貌图

Fig.5　AFMfigureofsample

4　结论

利用超高真空化学气相沉积方法在Si衬底上

生长出了Ge含量依次增加的多层SiGe/Si结构的缓冲层,进行了AFM、SIMS和HRXRD的研究.结

果发现,厚度为1

μm的多层SiGe/Si缓冲层结构可以有效改善薄膜的应力状态,并且由于Si层的应力释放作用,即使外延层中Ge含量较高,样品仍具有较好的平整度,为材料在应力Si器件中的应用打下了坚实的基础.

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半　导　体　学　报第26卷

UHV/CVDGrownStrainRelaxedSiGeBufferLayersforStrainedSilicon

WuGuibin,YeZhizhen,LiuGuojun,ZhaoBinghui,andCuiJifeng

(StateKeyLaboratoryofSiliconMaterials,ZhejiangUniversity,Hangzhou　310027,China)

Abstract:MultiSiGe/SilayerswithincreasingGecontentaregrownusingultrahighvacuumchemicalvapordeposition.Relax2ationandGecontentareinvestigatedwithhighresolutionX2raydiffraction,SIMS,andAFM.ByadoptingthisstructuretheGecontentsareremarkablyimproved,andathinstrain2relaxedSiGebufferlayerwithhighquality,lowdislocationdensity,andsmoothmorphologyisrealized.Thedensityofdislocationsiscalculatedtobe1×106cm-2throughopticalmicroscopy.Keywords:UHV/CVD;SiGe;bufferlayerPACC:8115H;6855;7320D

ArticleID:025324177(2005)1122139204

3ProjectsupportedbytheClimbingProgramofMinistryofScienceandTechnologyofChina(No.981101040),andtheProgramofZhejiang

Province(No.991110535)

　WuGuibin　male,wasbornin1979,PhDcandidate.Hisresearchinterestsfocusonsilicongermaniummaterialsandrelateddevices.　YeZhizhen　male,wasbornin1955,professor.Hisresearchinterestincludessemiconductorfilmsanddevices.　Received27April2005,revisedmanuscriptreceived3July2005

Ζ2005ChineseInstituteofElectronics