一种外延层的横向外延生长方法

技术领域

本发明涉及外延生长技术领域，尤其涉及一种外延层的横向外延生长方法。

背景技术

目前，在单晶衬底上外延生长外延层时的主要问题在于当两者材料之间的晶格常数存在差异时会导致外延层中产生高密度的穿透位错。例如，在单晶硅衬底上外延生长单晶锗时由于硅和锗之间的晶格常数存在4.2％的差异会导致锗外延层中产生高密度的穿透位错。目前降低位错密度的关键技术之一是横向外延，即通过在单晶衬底(例如，硅基底)上生长一层掩膜材料(如二氧化硅)并刻蚀出特定的图形窗口，再进行外延生长，由于外延层材料(例如，锗)在掩膜上的形核能较大，因此外延层材料(例如，锗)仅在窗口处生长，并在外延层厚度超过掩膜厚度之后开始逐渐横向扩张，最后形成覆盖在掩膜上的连续外延层(例如，锗外延层)。在实际应用中，对外延层的厚度、晶体质量都存在特定的需求。外延层的厚度取决于横向外延生长的速度以及生长时间。因此，调控横向外延生长过程中横向外延生长的速度具有重要意义。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种外延层的横向外延生长方法，旨在能够实现调控外延层横向外延生长时的生长速度使得外延层的厚度满足特定需求并提高外延层晶体质量。

本发明的技术方案如下：

本发明的第一方面，提供一种外延层的横向外延生长方法，其中，包括步骤：

提供单晶衬底，所述单晶衬底具有第一晶向；

在所述单晶衬底上形成掩膜板，使得所述掩膜板包括开口窗口和位于所述开口窗口中的掩膜条；所述掩膜条的某一边与所述第一晶向之间的夹角为θ，在与所述掩膜条的某一边成预设角度的方向上，所述掩膜条的宽度为d；

通过调控θ和/或d的值调控横向外延生长外延层时的生长速度，在含有掩膜板的单晶衬底上横向外延生长得到外延层。

可选地，θ＝0～45°。

可选地，通过调控d的值逐渐减小使得横向外延生长外延层时的生长速度逐渐增大。

可选地，所述在所述单晶衬底上形成掩膜板，使得所述掩膜板包括开口窗口和位于所述开口窗口中的掩膜条的步骤具体包括：

在所述单晶衬底上形成掩膜板材料层；

通过光刻蚀、湿法刻蚀或干法刻蚀在所述掩膜板材料层中刻蚀出开口窗口和位于所述开口窗口中的掩膜条。

可选地，所述掩膜板材料层中的掩膜板材料包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种。

可选地，所述横向外延生长外延层时采用的方法包括化学气相沉积法、分子束外延法中的一种。

可选地，所述在所述含有掩膜板的单晶衬底上横向外延生长得到外延层的步骤具体包括：

在所述含有掩膜板的单晶衬底上生长一层厚度小于掩膜板厚度的过渡层，然后在所述过渡层上横向外延生长得到外延层。

可选地，所述单晶衬底由单晶衬底材料构成，所述单晶衬底材料包括单晶硅、单晶砷化镓、单晶氮化镓、单晶磷化铟、单晶锗中的至少一种。

可选地，所述外延层由外延层材料构成，所述外延层材料的晶格常数为单晶衬底材料晶格常数的95％～105％。

可选地，所述单晶衬底为单晶硅衬底，所述第一晶向为[110]晶向，所述掩膜板材料为二氧化硅，所述外延层为锗外延层。

有益效果：本发明提供一种横向外延生长速度可调的外延层的生长方法，通过调控θ和/或d的值实现横向外延生长外延层时生长速度的调控，能够使得外延层的厚度满足特定需求。同时本发明实施例提供的横向外延生长方法能够实现衬底材料与外延层材料的晶格适配差异较大时的高质量外延。

附图说明

图1中(a)为本发明实施例掩膜板中掩膜条的取向θ和宽度d连续可调的示意图，其中(a)为俯视示意图，(b)为图(a)中A-A'方向的截面图。

图2为本发明实施例中Ge在SiO

图3中(a)为本发明实施例1中表面含有SiO

图4中(a)为本发明实施例2中表面含有SiO

图5中(a)为本发明实施例2中在表面含有SiO

图6中(a)为本发明实施例3中表面含有SiO

具体实施方式

本发明提供一种外延层的横向外延生长方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

需要说明的是，如无特殊说明本发明中的外延层指的是单晶锗外延层。

本发明实施例提供一种外延层的横向外延生长方法，其中，如图1所示，包括步骤：

S1、提供单晶衬底，所述单晶衬底具有第一晶向；

S2、在所述单晶衬底上形成掩膜板，使得所述掩膜板包括开口窗口1和位于所述开口窗口中的掩膜条2；所述掩膜条的某一边与所述第一晶向之间的夹角为θ(或者说掩膜条的取向为θ)，在与所述掩膜条的某一边成预设角度的方向上，所述掩膜条的宽度为d；

S3、通过调控θ和/或d的值调控横向外延生长外延层时的生长速度，在含有掩膜板的单晶衬底上横向外延生长得到外延层。

本发明不限定掩膜条的具体形状，只要构成掩膜条的边中的某一边能够与所述第一晶向形成夹角θ，或者在与掩膜条的某一边成预设角度的方向上，所述掩膜条的宽度为d即可。作为举例，所述掩膜条的形状可以为长条形、三角形等。所述掩膜条可以是一个或多个。所述开口窗口可以是半开放式或全开放式。

下面以如图1所示的掩膜板为例进行说明，所述掩膜条为长条状，构成掩膜条的边中包括长边和短边，则上文所述掩膜条的某一边指的是长边，所述预设角度为90°。也就是说，所述掩膜条的长边与所述第一晶向之间的夹角为θ，具体地，可以理解为所述掩膜条的长边所在直线(即图1中的虚线a)与所述第一晶向之间的夹角为θ；在与所述掩膜条的长边方向垂直(成90°)的方向上，所述掩膜条的宽度为d，可以理解为在与所述掩膜条的长边所在直线垂直的方向上，所述掩膜条的宽度为d。如图1所示，所述生长窗口位于所述掩膜条的一侧，所述生长窗口为半开放式。

本发明实施例提供一种横向外延生长速度可调的外延层的生长方法，通过调控θ和/或d的值(即通过调控θ的值，或通过调控d的值，或通过同时调控θ和d的值)实现横向外延生长外延层时生长速度的调控，能够使得外延层的厚度满足特定需求。同时本发明实施例提供的横向外延生长方法能够实现衬底材料与外延层材料的晶格适配差异较大时的高质量外延。

本实施例中，所述外延层的材料在所述掩膜条上的形核能大于所述外延层材料在所述单晶衬底上的形核能。如此，使得外延层材料优先在开口窗口中的单晶衬底上生长而不在掩膜板的掩膜条上生长，当外延层厚度超过掩膜板厚度时，开始往掩膜板的掩膜条上生长即横向外延生长。

如图1中(a)所示，以单晶硅(Si)衬底上的二氧化硅(SiO

本实施例中，掩膜条的数量可以根据实际需要进行设置。当所述掩膜板具有多个掩膜条时，可通过调控不同掩膜条的θ值和d值，实现不同掩膜条位置处具有不同的生长速度以实现复杂的生长模式。例如，当某个掩膜条位置处需要外延层薄一些时，调控此掩膜条的取向即θ值使得外延层材料在此处具有较大的生长速度，或调控此掩膜条的d值使得外延层材料在此处具有较大的生长速度。反之，当某个掩膜条位置处需要外延层厚一些时，就调控此掩膜条的取向即θ值使得外延层材料在此处具有较小的生长速度，或调控此掩膜条的d值使得外延层材料在此处具有较小的生长速度。另外，当需要以某个特定的生长速度才能生长得到高质量的外延层时，可预先调控θ和/或d的值至预设值，然后再进行横向外延生长，以实现高质量外延层的制备。

步骤S1中，在一种实施方式中，所述单晶衬底由单晶衬底材料构成，所述单晶衬底材料包括单晶硅、单晶砷化镓、单晶氮化镓、单晶磷化铟、单晶锗中的至少一种。也就是说，所述单晶衬底包括单晶Si衬底、单晶砷化镓衬底、单晶氮化镓衬底、单晶磷化铟衬底、单晶锗衬底中的至少一种。

步骤S2中，在一种实施方式中，θ＝0～45°，示例性地，θ为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°或45°等。θ的选取可根据实际需要进行设置。在0～45°的范围内，横向外延生长外延层时的生长速度随着θ值的变化发生改变。在一种实施方式中，通过调控d的值逐渐减小使得横向外延生长外延层时的生长速度逐渐增大，也就是说，横向外延生长外延层时的生长速度随着d值的减小而增大。

在一种实施方式中，所述在所述单晶衬底上形成掩膜板，使得所述掩膜板包括开口窗口和位于所述开口窗口中的掩膜条的步骤具体包括：

在所述单晶衬底上形成掩膜板材料层(此为常规操作，本发明不再对其详细步骤进行赘述)；

通过包括但不限于光刻蚀、湿法刻蚀或干法刻蚀在所述掩膜板材料层中刻蚀出开口窗口和位于所述开口窗口中的掩膜条。

在一种实施方式中，所述掩膜板材料层中掩膜板材料包括SiO

步骤S3中，在一种实施方式中，所述横向外延生长外延层时采用的方法包括化学气相沉积法、分子束外延法中的一种，但不限于此。

在一种实施方式中，所述化学气相沉积法包括超真空化学气相沉积(UHV-CVD)法、氢化物气相外延法、有机金属化合物气相沉积法中的一种，但不限于此。

在一种实施方式中，所述外延层由外延层材料构成，所述外延层材料的晶格常数为单晶衬底材料晶格常数的95％～105％。此比例可保证外延层材料在单晶沉底上生长。

在一些实施方式中，所述在所述含有掩膜板的单晶衬底上横向外延生长得到外延层的步骤具体包括：

在所述含有掩膜板的单晶衬底上生长一层厚度小于掩膜板厚度的过渡层，然后在所述过渡层上横向外延生长得到外延层。

锗(Ge)具有已知半导体材料中最高的空穴迁移率、较低的禁带宽度以及红外透过率高等优越性能，使得其在高频率、高速电子器件和光电器件方面具有广泛的应用；此外，与现有CMOS兼容的优点使得其成为发展下一代高速晶体管的备选材料。由于Si在地球上储量丰富，且提纯工艺成熟，而Ge的储量较少，价格比较昂贵，因此以Si为衬底外延生长单晶Ge材料表现出巨大的应用潜力。因此，在本发明的一种实施方式中，所述单晶衬底为单晶Si衬底，所述第一晶向为[110]晶向，所述掩膜板材料为SiO

下面通过具体的实施例进行详细说明。

实施例1

本实施例提供一种Ge外延层的横向外延生长方法，包括如下步骤：

提供商业单晶Si衬底，将其置于NH

将清洁的单晶Si衬底转移到热氧化炉中，在1000℃下生长厚度为80nm的高质量SiO

将含有SiO

实施例2

本实施例提供一种外延层的横向外延生长方法，与实施例1的区别仅在于：如图4中(a)所示，掩膜条的宽度d为0.9μm，掩膜条的长边与单晶Si衬底[110]晶向之间存在夹角θ。

结果为：如图4中(b)所示，外延生长4小时后，横向外延生长距离l＝18.8μm。

对于实施例2中获得的Ge外延层进行TEM表征，结果如图5所示。如图5中(b)所示，锗直接在单晶Si衬底上选区外延生长时的界面具有较高的位错密度。如图5中(c)所示，通过快速横向外延生长的Ge晶体质量得到明显提高，横截面TEM未观察到位错。

实施例3

本实施例提供一种外延层的横向外延生长方法，与实施例2的区别仅在于：如图6中(a)所示，掩膜条的宽度d增加到1.8μm，θ值不变。

结果为：如图6中(b)所示，外延生长4小时后，横向外延距离l＝0.4μm.

通过比较实施例1和实施例2的结果可以说明掩膜条的取向也即θ值影响横向外延生长速度，在一定θ范围内，随着θ值的增大，横向外延生长速度增大；通过比较实施例2和实施例3的结果可以说明掩膜条的宽度d也影响横向外延生长速度，且宽度越大，横向外延生长速度越大。

综上所述，本发明提供一种横向外延生长速度可调的外延层的生长方法，通过调控θ和/或d的值实现横向外延生长外延层时生长速度的调控，能够使得外延层的厚度满足特定需求。同时本发明实施例提供的横向外延生长方法能够实现衬底材料与外延层材料的晶格适配差异较大时的高质量外延。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。