一种单片原位形成图形衬底的方法
【专利摘要】本发明提供一种单片原位形成图形衬底的方法，所述方法至少包括步骤：提供一衬底，在所述衬底上外延生长具有张应变的结构，并使所述张应变以形成裂缝的形式弛豫，所述裂缝相互交错形成衬底图形。本发明的单片原位形成衬底图形的方法不需对衬底进行预处理，从而防止引入外来杂质，降低了工艺难度，且操作工艺简单，易控制。另外，在本发明提供的衬底图形上生长的结构和器件与衬底晶格失配并且可以保持极低的晶体缺陷密度。
【专利说明】一种单片原位形成图形衬底的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体电子与光电子材料制备领域，特别涉及一种单片原位形成图形衬底的方法。
【背景技术】
[0002]晶格失配与热膨胀系数失配一直是制约半导体异质结构设计的重要因素。高质量、大尺寸、低价格的商用衬底种类只有有限几种，或者特定情况下衬底材料已被选定(例如II1-V与硅基集成)，在这些衬底之上构建电子或光电子器件的时候对材料的选择只能被局限在与衬底匹配或者极小的可容忍的失配的材料体系中，否则将引起应力弛豫并导致很高的晶体缺陷密度，大幅度降低器件性能，这极大的限制了对器件设计的自由度。
[0003]为了打破该限制，生长一个缓冲层来改变晶格常数成为了一种广泛的做法。然而，虽然科研界经过数十年的努力尝试各种缓冲层的设计和优化，此类方法制作出的衬底模板仍然具有过高的缺陷密度，在此之上制造出的器件，尤其是光电子器件，尚无法与普通商用衬底上的器件进行竞争，更不用说超越其性能。最近，对衬底进行预先制作图形的方法表现出了很好的前景。通过制作图形，衬底表面被分割成相对独立的小单元，当在此之上生长具有晶格或者热膨胀系数失配的结构时，由于几何尺度很小，一部分应变通过弹性形变弛豫，而由于塑性应变弛豫导致的晶体缺陷如穿透位错则可以较容易的滑移到图形的边缘而消除。从而实现了虽具有失配但缺陷密度很低的新晶体模板。例如，利用该方法，实现了在Si衬底上制作高质量的 Ge 和 GaAs 模板[C.V.Falub, et.al.Science, 335，1330 (2012)]。然而，该方法需要对衬底进行多步骤预处理，包括光刻和腐蚀等，会在本来十分洁净的商用衬底上引入污染，并且大幅增加了工艺的难度和生产成本。如衬底表面图形可以单片原位形成，上述问题则可以解决。
【发明内容】
[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种的单片原位形成图形衬底的方法，用于解决现有技术中形成图形衬底时容易引入杂质造成污染，增加工艺难度和生产成本的问题。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单片原位形成图形衬底的方法，所述单片原位形成图形衬底的方法至少包括步骤:
[0006]提供一衬底，在所述衬底上依次外延生长第一晶体单元和具有张应变的第二晶体单元，并使所述张应变以在所述第二晶体单元表面形成裂缝的形式弛豫，所述裂缝相互交错形成衬底图形；所述第二晶体单元的晶格常数小于第一晶体单元顶部的面内晶格常数。
[0007]优选地，所述衬底为半导体商用衬底。
[0008]优选地，所述第一晶体单元为C、S1、Ge、Sn、二元及多元半导体、氧化物中的一种或多种。
[0009]优选地，所述第二晶体单元为C、S1、Ge、Sn、二元及多元半导体、氧化物中的一种或多种。
[0010]优选地，所述第一晶体单元为单层或多层结构，所述第一晶体单元的应变完全或接近完全弛豫，其顶部的面内晶格常数不同于衬底的晶格常数。
[0011]优选地，所述第二晶体单元为单层或多层结构。
[0012]优选地，所述第二晶体单元生长至一定厚度，其张应变以裂缝的形式弛豫。
[0013]优选地,所述厚度大于50nm。
[0014]优选地，所述第二晶体单元在生长结束后的降温过程中形成裂缝实现张应变的弛豫。
[0015]优选地，在所述第二晶体单元表面形成裂缝之后，还包括在所述第二晶体单元表面依次生长模板单元和器件单元的步骤；所述模板单元和器件单元具有低的晶体缺陷密度。
[0016]优选地，所述晶体缺陷密度小于I X 106/cm2。
[0017]优选地，米用分子束外延、金属有机化学气相外延技术、液相外延或热壁外延形成所述第一晶体单元和第二晶体单元。
[0018]本发明还提供另一种单片原位形成图形衬底的方法，所述单片原位形成图形衬底的方法至少包括步骤:
[0019]提供一衬底，在所述衬底上外延生长具有张应变的晶体单元，并使所述张应变以在所述晶体单元表面形成裂缝的形式弛豫，所述裂缝相互交错形成衬底图形；所述晶体单元的晶格常数小于所述衬底的晶格常数。
[0020]优选地，所述晶体单元为C、S1、Ge、Sn、二元及多元半导体、氧化物中的一种或多种。
[0021]优选地，所述晶体单元为单层或多层结构。
[0022]优选地，所述晶体单元生长至一定厚度，其张应变以裂缝的形式弛豫。
[0023]优选地,所述厚度大于50nm。
[0024]优选地，所述晶体单元在生长结束后的降温过程中产生张应变，所述张应变以形成裂缝的方式弛豫。
[0025]优选地，在所述晶体单元表面形成裂缝之后，还包括在所述晶体单元表面依次生长模板单元和器件单元的步骤。
[0026]如上所述，本发明的单片原位形成图形衬底的方法，具有以下有益效果:本发明的单片原位形成衬底图形的方法不需对衬底进行预处理，从而防止引入外来杂质，降低了工艺难度，且操作工艺简单，易控制。在本发明提供的衬底图形上生长的结构和器件与衬底晶格失配并且可以保持极低的晶体缺陷密度。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1a为本发明的单片原位形成图形衬底的方法的实施例一展示的图形衬底结构剖面图。
[0028]图1b为本发明的单片原位形成图形衬底的方法的实施例一展示的图形衬底结构俯视图。
[0029]图2为本发明单片原位形成图形衬底的方法的实施例一中图形衬底上生长模板结构和器件结构的示意图。
[0030]图3为本发明单片原位形成图形衬底的方法的实施例一中图形衬底上仅生长器件结构的示意图。
[0031]图4为本发明单片原位形成图形衬底的方法的实施例二中在Si衬底上构建图形并后续生长GaAs模板单元的示意图。
[0032]图5为本发明单片原位形成图形衬底的方法的实施例三中在GaAs衬底上构建图形的示意图。
[0033]图6为本发明单片原位形成图形衬底的方法的实施例四中展示的图形衬底结构示意图。
[0034]图7为本发明单片原位形成图形衬底的方法的实施例五中在InP衬底上构建图形的示意图。
[0035]图8为本发明单片原位形成图形衬底的方法的实施例六中在Si衬底上利用Ge与Si热膨胀系数不同构建图形的示意图。
[0036]元件标号说明
[0037]I 衬底
[0038]2第一晶体单元
[0039]3第二晶体单元
[0040]4 裂缝
[0041]5模板单元
[0042]6器件单元
[0043]7晶体单元
【具体实施方式】
[0044]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0045]请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0046]实施例一
[0047]本发明提供一种单片原位形成图形衬底的方法，所述方法至少包括:所述衬底I上依次外延生长第一晶体单元2和具有张应变的第二晶体单元3，并使所述张应变以在所述第二晶体单元3表面形成裂缝4的形式弛豫，所述裂缝4相互交错形成衬底图形；所述第二晶体单元3的晶格常数小于第一晶体单元2顶部的面内晶格常数。获得的图形衬底结构如图1a和Ib所示。
[0048]所述衬底I可以是具有任意晶面取向的半导体商用衬底。
[0049]所述第一晶体单元2选自具有任意晶面取向的C、S1、Ge、Sn、二元及多元半导体、氧化物中的一种或多种。
[0050]所述第二晶体单元3也可以选自具有任意晶面取向的C、S1、Ge、Sn、二元及多元半导体、氧化物中的一种或多种。
[0051]下面具体介绍本发明的单片原位形成图形衬底的方法的主要步骤:
[0052]I)在提供的衬底I上生长第一晶体单元2，所述第一晶体单元2可以为单层结构或者多层结构。所述第一晶体单元2需应变弛豫，其弛豫后的顶部面内晶格常数要与所述衬底I的晶格常数不同。作为示例，弛豫后第一晶体单元2顶部面内晶格常数大于所述衬底I的晶格常数。
[0053]生长所述第一晶体单元2的工艺可以是分子束外延(MBE)、金属有机化学气相外延技术(M0CVD)、液相外延(LPE)或热壁外延(HWE)等，还可以是经过外延生长工艺修改的沉积形式，如液滴外延、迁移增强外延、单原子层外延等，在此不限。
[0054]2)在所述第一晶体单元2表面生长第二晶体单元3。所述第二晶体单元3可以为单层或者多层结构。第二晶体单元3具有比第一晶格单元2顶部的面内晶格常数小的晶格常数，从而具有张应变。
[0055]生长所述第二晶体单元3的工艺可以是分子束外延(MBE)、金属有机化学气相外延技术(M0VPE)、液相外延(LPE)或热壁外延(HWE)等，还可以是经过外延生长工艺修改的沉积形式，如液滴外延、迁移增强外延、单原子层外延等，在此不限。
[0056]3)当所述第二晶体单元3生长至一定厚度之后，所述第二晶体单元3中积累的张应变开始弛豫，并以生成裂缝4的方式弛豫。生成的所述裂缝4相互交错形成图形，至此，在所述半导体商用衬底I上完成单片原位构建图形。
[0057]当然，所述第二晶体单元3除了可以在生长过程产生裂缝4以完成弛豫，还可以通过生长结束后的降温过程中所述第二晶体单元3与第一晶体单元2间不同热膨胀系数来产生裂缝4而发生弛豫，这要求第二晶体单元3热膨胀系数大于第一晶体单元2热膨胀系数。所生成的裂缝4也是相互交错形成图形，完成在商用衬底I上单片原位构建图形。
[0058]需要说明的是，在第二晶体单元3之上可继续生长模板单元5。所述模板单元5的晶格常数与衬底I不同。所述模板单元5的应变部分以弹性形变的方式弛豫，或者通过塑性形变来应变弛豫，由此产生的穿透位错滑移到图形边缘而被消除。之后在所述模板单元5之上可继续生长器件单元6，如图2所示。所述器件单元6的晶格常数与模板单元5匹配，从而避免进一步产生应变弛豫，降低器件的晶体缺陷密度。
[0059]还需要说明的是，在所述器件单元6的晶格常数与所述第二晶体单元3形成图形后的顶部面内晶格常数匹配的情况下，所述模板单元5可省略，即直接在所述第二晶体单元3上生长器件单元6,如图3所示。
[0060]实施例二
[0061]以下以Si衬底上利用Si/Ge/Si的结构构建图形为例说明该发明单片原位形成图形的结构和步骤。这些结构和制备步骤可以直接推广到其他类型的材料体系。以下提到的生长方法包含但不限于分子束外延(MBE)和金属有机化合物化学气相沉淀(M0CVD)，具体结构和制备步骤如下，如图4所示:
[0062](I)在Si衬底I上生长第一晶体单元2Ge层，厚度在I μ m以上从而使应变充分弛豫；[0063](2)在第一晶体单元2Ge层之上生长50~IOOnm的第二晶体单元3Si层；
[0064](3)此第二晶体单元3Si层与下面的第一晶体单元2Ge层存在约4%张应变，应变以裂缝4的方式弛豫，裂缝4相互交错形成图形，至此，单片原位图形构建完毕；
[0065](4)在此图形之上继续生长Si，形成Si的台状或柱状结构；
[0066](5)在Si台状或柱状结构之上生长GaAs层，台柱状Si与GaAs层共同作为模板单元5，该GaAs层相对下方Si的晶格失配将部分通过弹性形变弛豫，而由塑性形变驰豫导致的穿透位错将滑移到边缘而被消除，从而具有极低的晶体缺陷密度，所述晶体缺陷密度约为小于lXlOVcm2。以此GaAs层作为模板单元5可继续生长与GaAs晶格匹配的器件结构。
[0067]实施例三
[0068]以下以GaAs衬底上利用GaAs/InGaAs/GaAs的结构构建图形为例说明该发明单片原位形成图形的结构和步骤。这些结构和制备步骤可以直接推广到其他类型的材料体系。以下提到的生长方法包含但不限于分子束外延(MBE)和金属有机化合物化学气相沉淀(M0CVD)，具体结构和制备步骤如下，如图5所示:
[0069](I)在GaAs衬底I上生长500nm线性渐变的InxGa^xAs Cx=O~0.3)缓冲层从而得到比GaAs大的晶格常数和平整的表面；
[0070](2)在InGaAs缓冲层上生长100~200nm InQ.2GaQ.8As。该层与其下缓冲层共同构成第一晶体单元2 ；
[0071](3)在 Inci 2Gatl 8As 层上生长 200nm GaAs 第二晶体层 3 ；
[0072](4)此GaAs层与下面的Ina2Gaa8As层存在约1.4%张应变，应变以裂缝4的方式弛豫，裂缝4相互交错形成图形，至此，单片原位图形构建完毕；
[0073](5)在此图形之上继续生长与GaAs衬底I存在晶格失配的结构和器件而保持极低的晶体缺陷密度，所述晶体缺陷密度小于5 X 105/cm2。
[0074]实施例四
[0075]本发明提供一种单片原位形成图形衬底的方法，所述方法至少包括:提供一衬底1，在所述衬底I上外延生长具有张应变的晶体单元7，并使所述张应变以在所述晶体单元7表面形成裂缝4的形式弛豫，所述裂缝4相互交错形成衬底图形；所述晶体单元7的晶格常数小于所述衬底I的晶格常数。获得的图形衬底结构如图6所示。
[0076]所述衬底I可以是具有任意晶面取向的半导体商用衬底。
[0077]所述晶体单元7选自具有任意晶面取向的C、S1、Ge、Sn、二元及多元半导体、氧化物中的一种或多种。
[0078]下面具体介绍本发明的单片原位形成图形衬底的方法的主要步骤:
[0079]I)在提供的衬底I上生长晶体单元7，所述晶体单元7可以为单层结构或者多层结构。所述晶体单元具有比衬底I小的晶格常数。
[0080]生长所述晶体单元7的工艺可以是分子束外延(MBE)、金属有机化学气相外延技术(M0CVD)、液相外延(LPE)或热壁外延(HWE)等，还可以是经过外延生长工艺修改的沉积形式，如液滴外延、迁移增强外延、单原子层外延等，在此不限。
[0081]2)当所述晶体单元7生长至一定厚度之后，所述晶体单元7中积累的张应变开始弛豫，并以生成裂缝4的方式弛豫。生成的所述裂缝4相互交错形成图形，至此，在所述半导体商用衬底I上完成单片原位构建图形。
[0082]当然，所述晶体单元7除了可以在生长过程产生裂缝4以完成弛豫，还可以通过生长结束后的降温过程中所述晶体单元7与衬底间不同热膨胀系数来产生裂缝4而发生弛豫，这要求晶体单元7的热膨胀系数大于衬底I的热膨胀系数。所生成的裂缝4也是相互交错形成图形，完成在商用衬底I上单片原位构建图形。
[0083]需要说明的是，在晶体单元7之上可继续生长模板单元。所述模板单元的晶格常数与衬底I不同。所述模板单元的应变部分以弹性形变的方式弛豫，或者通过塑性形变来应变弛豫，由此产生的穿透位错滑移到图形边缘而被消除。之后在所述模板单元之上可继续生长器件单元。所述器件单元的晶格常数与模板单元匹配，从而避免进一步产生应变弛豫和由此导致的晶体缺陷。
[0084]还需要说明的是，在所述器件单元的晶格常数与所述晶体单元7形成图形后的顶部面内晶格常数匹配的情况下，所述模板单元可省略，即直接在所述晶体单元7上生长器件单元。
实施例五
[0085]以下以InP衬底上利用GaAs层构建图形为例说明该发明单片原位形成图形的结构和步骤。这些结构和制备步骤可以直接推广到其他类型的材料体系。以下提到的生长方法包含但不限于分子束外延(MBE)和金属有机化合物化学气相沉淀(M0CVD)，具体结构和制备步骤如下，如图7所示:
[0086](I)在InP衬底I上生长50?IOOnm GaAs晶体单元7 ；
[0087](2)此GaAs层与InP衬底存在约3.7%张应变，应变以裂缝4的方式弛豫，裂缝4相互交错形成图形，至此，单片原位图形构建完毕；
[0088](3)在此图形之上继续生长与InP衬底存在晶格失配的结构和器件而保持极低的晶体缺陷密度，所述晶体缺陷密度小于5 X 105/cm2。
[0089]实施例六
[0090]以下以Si衬底上利用Ge层构建图形为例说明该发明单片原位形成图形的结构和步骤。这些结构和制备步骤可以直接推广到其他类型的材料体系。以下提到的生长方法包含但不限于分子束外延(MBE)和金属有机化合物化学气相沉淀(M0CVD)，具体结构和制备步骤如下，如图8所示:
[0091](I)在高于500°C的温度下，在Si衬底I上生长IOOOnm Ge晶体单元7，Ge中应变充分弛豫；
[0092](2)快速降温至室温；
[0093](3)由于Ge层的热膨胀系数是Si衬底的2.23倍，Ge层晶格常数迅速收缩产生张应变，该张应变以裂缝4的方式弛豫，裂缝4相互交错形成图形，至此，单片原位图形构建完毕；
[0094](4)在此图形之上继续生长与Ge衬底存在晶格失配的结构和器件而保持极低的晶体缺陷密度，所述晶体缺陷密度小于5 X 105/cm2。
[0095]综上所述，本发明提供一种单片原位形成图形衬底的方法，所述方法至少包括步骤:提供一衬底，在所述衬底上外延生长具有张应变的结构，并使所述张应变以形成裂缝的形式弛豫，所述裂缝相互交错形成衬底图形。本发明的单片原位形成衬底图形的方法不需对衬底进行预处理，从而防止引入外来杂质，降低了工艺难度，且操作工艺简单，易控制。在本发明提供的衬底图形上生长的结构和器件与衬底晶格失配并且可以保持极低的晶体缺陷密度。
[0096]所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0097]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于，所述单片原位形成图形衬底的方法至少包括步骤: 提供一衬底，在所述衬底上依次外延生长第一晶体单元和具有张应变的第二晶体单元，并使所述张应变以在所述第二晶体单元表面形成裂缝的形式弛豫，所述裂缝相互交错形成衬底图形；所述第二晶体单元的晶格常数小于第一晶体单元顶部的面内晶格常数。
2.根据权利要求1所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述衬底为半导体商用衬底。
3.根据权利要求1所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述第一晶体单元为C、S1、Ge、Sn、二元及多元半导体、氧化物中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述第二晶体单元为C、S1、Ge、Sn、二元及多元半导体、氧化物中的一种或多种。
5.根据权利要求1或3所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述第一晶体单元为单层或多层结构，所述第一晶体单元的应变完全或接近完全弛豫，其顶部的面内晶格常数不同于衬底的晶格常数。
6.根据权利要求1或4所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述第二晶体单元为单层或多层结构。
7.根据权利要求6所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述第二晶体单元生长至一定厚度，其张应变以裂缝的形式弛豫。
8.根据权利要求7所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述厚度大于50nmo
9.根据权利要求6所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述第二晶体单元在生长结束后的降温过程中产生张应变，所述张应变以形成裂缝的方式弛豫。
10.根据权利要求1所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:在所述第二晶体单元表面形成裂缝之后，还包括在所述第二晶体单元表面依次生长模板单元和器件单元的步骤；所述模板单元和器件单元具有低的晶体缺陷密度。
11.根据权利要求10所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述晶体缺陷密度小于I X IOfVcm2。
12.根据权利要求1所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:采用分子束外延、金属有机化学气相外延技术、液相外延或热壁外延形成所述第一晶体单兀和第二晶体单元。
13.一种单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于，所述单片原位形成图形衬底的方法至少包括步骤: 提供一衬底，在所述衬底上外延生长具有张应变的晶体单元，并使所述张应变以在所述晶体单元表面形成裂缝的形式弛豫，所述裂缝相互交错形成衬底图形；所述晶体单元的晶格常数小于所述衬底的晶格常数。
14.根据权利要求13所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述晶体单元为C、S1、Ge、Sn、二元及多元半导体、氧化物中的一种或多种。
15.根据权利要求13或14所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述晶体单元为单层或多层结构。
16.根据权利要求15所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述晶体单元生长至一定厚度，其张应变以裂缝的形式弛豫。
17.根据权利要求16所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述厚度大于 50nmo
18.根据权利要求15所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:所述晶体单元在生长结束后的降温过程中产生张应变，所述张应变以形成裂缝的方式弛豫。
19.根据权利要求13所述的单片原位形成图形衬底的方法，其特征在于:在所述晶体单元表面形成裂缝之后，还包括在所述晶体单元表面依次生长模板单元和器件单元的步骤。
【文档编号】H01L33/20GK103618036SQ201310629211
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】宋禹忻, 王庶民 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所