一种在衬底上制备晶体薄膜或多晶薄膜的方法，包括利用屈服性超薄衬底的材料转化和横向微型结构来降低外延异质晶体的内应力；以及通过离子注入，在有内应力的薄膜下面形成非晶层后，利用高温处理来消除内应力和降低薄膜的晶体缺欠密度。这样形成的薄膜厚度可以超过在异质衬底上生长均匀薄膜的临界厚度允许的范围。除了应用于单晶薄膜，该方法还可以应用于高质量的多晶薄膜的制备。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是关于晶体薄膜或多晶薄膜的制备方法，特别是关于利用可塑性(或屈服性)超薄(纳米尺寸)基底(即衬底)，及利用横向微型结构来制备高质量无内应力的外延异质晶体或薄膜材料的方法。薄膜的生长和制备工艺是现代半导体和其它新型材料和器件领域一个重要的环节，比如多晶硅(poly-silicon)的制备就是一个有广泛应用的薄膜工艺。其方法是在非晶(如玻璃)基底上利用薄膜淀积(deposition)生长一层非晶硅，然后经过高温热褪火(thermal anneal)来使非晶硅(或质量较差的多晶硅)转变成质量较好的多晶硅。为了制备高质量的单晶(single crystal)薄膜，则需要依靠外延技术(epitaxy)在经过严格清洗的单晶基底上生长。分子束外延(molecular beam epitaxy，or MBE)，化学气相淀积(chemical vapordeposition，or CVD)，及金属有机气相外延(metal-organic vapor phaseepitaxy，or MOVPE)等，就是几种常用的单晶生长方法。外延生长的一个主要特点是可以控制所生长的材料在单原子层尺度的精确性，包括其厚度，掺杂浓度等。而且外延材料可以是和基底完全不同的材料(即异质外延)。以下是外延生长的几个例子(1)在硅忖底(厚度一般在100微米至500微米之间)上，生长硅薄膜，其厚度可以在10纳米(100埃)至1微米或者更厚；(2)在砷化镓忖底(厚度一般在100微米至500微米)上生长砷化镓或铝镓砷(AlGaAs)材料，其厚度可以在10纳米至1微米之间或者更厚；(3)在硅的忖底上，生长锗硅外延材料，或者碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料。在以上的例子中，例(1)和例(2)的外延材料是同质材料(如硅薄膜生长在硅忖底上)，或晶格结构和晶格常数(晶体中原子的距离)相同的异质材料(如砷化镓上生长镓铝砷)。其外延材料和忖底材料之间没有内应力，所以外延层的厚度可以从几个原子层到几个微米。厚度对外延层的晶体质量没有影响。而在例(3)中，锗硅的晶格常数和硅衬底的晶格常数有较大的差异(体材料硅的晶格常数是a1＝5.4埃，而锗的晶格常数是a2＝5.6埃)。锗硅体材料的晶格常数a视锗的百分比P而定，a＝a1+(a2-a1)P。在硅忖底上生长锗硅(或者锗)时，在一定的厚度范围内，锗硅外延层的晶格常数将屈服于衬底的硅材料。但由于晶格常数的不匹配，将有内应力在外延层中累积。随着外延层厚度的增加，当内应力足够大时，外延层将不能维持衬底的晶格常数，而出现晶格缺欠。如位错就是一种最常见的形式。晶格缺欠的形成将不利于外延材料在器件上的应用，从而降低器件的性能。为了实现高质量单晶薄膜的生长，传统的方法是在外延生长异质材料时，控制其厚度在临界厚度之内。当外延层超过临界厚度时，内应力使薄膜变得不稳定，在一定的条件下(如高温)将出现晶体缺欠。比如含20％的锗的锗硅材料(Si0.8Ge0.2)，其临界厚度约是200纳米，即在这个厚度以下生长在硅衬底上的锗硅外延层可以是无位错的单晶材料；而超过这个厚度之后，就会产生晶体缺欠。对于锗硅材料而言，在硅衬底上的临界厚度随锗的含量增高而减小。纯锗的临界厚度只有大约20埃(2纳米)，远远满足不了一般常用器件的厚度要求。在实际应用中，有很多场合需要在异质材料衬底上生长无内应力的外延层，或者在晶格常数不匹配的异质衬底上生长很厚的外延层。具体应用包括硅忖底上生长无内应力的锗硅外延层，再在其上生长有内应力的硅外延层；砷化镓材料杂化在硅衬底上；及在硅衬底上生长碳化硅或氮化镓等材料。外延生长方面一个有重要意义的突破是在有屈服性(或可塑性)硅的绝缘衬底上生长锗硅外延材料。A.R.Powell，S.S.Iyer，and F.K.Legoues，[Appl.Phys.Lett.(应用物理通讯)47，322(1985)322](以下简称文献1)最先报道了内应力在可塑性绝缘衬底上从锗硅外延层向超薄硅衬底层的转移。此领域其他的实验和理论工作包括F.Y.Huang(黄风义)and K.L.Wang，″Strain transfer between thin films and its applications inhetero-epitaxial crystal growth，″[内应力在薄膜之间的转移及在异质材料生长的应用]Philosophical Magazine Letters，(哲学杂志通讯)72，(1995)231(文献2)；M.A.Chu，M.Tanner，F.y.Huang(黄风义)，等人″Photoluminescence and x-ray studies of low dislocation SiGe alloygrown on compliant SOI substrate，″[光致荧光和X射线对低位错锗硅生长在可塑性忖底上的研究]J.Cryst.Growth(晶体生长杂志)，175，1278(1997)(文献3)；F.Huang(黄风义)，等人″High qualitySiGealloygrown oncompliantSOIsubstrate，″[高质量的锗硅合金生长在可塑性绝缘忖底上]Appl.Phys.Lett.(应用物理通讯)76，2680(2000)(文献4)。可塑性衬底的一项开创性理论工作发表在《物理评论通讯》上F.Huang(黄风义)，″Theory of Strain relaxation in expitaxial layers grown onfinite-sized substrate，″[生长在有限尺寸忖底上的外延层的内应力转移]Phys.Rev.Lett.，(物理评论通讯)85，(2000)784-787(文献5)。其中的衬底除了在纵向(即和衬底表面垂直的方向)有超薄的厚度(纳米尺寸)，在横向(即和衬底表面平行的方向)也加工成微米尺寸的凸凹结构(mesastructure)。理论证明了超薄衬底和横向的微型结构都可以使外延层的内应力降低。这个途径可以实现锗硅外延薄膜的生长，其厚度超过了经典的临界厚度的限制，并且实现外延层中大部分的内应力转移或消失。然而，所有以前的工作都是针对无内应力的锗硅外延材料的生长，其中锗的含量一般不超过50％，如文献3和文献4所述。这是因为当外延层生长在超薄衬底上时，一般需要高温褪火(thermal anneal)处理后，其内应力才能实现向超薄衬底的转移。但外延层生长的温度(比如分子束外延约700度)一般远小于内应力的转移温度。所以在生长的过程中仍然需要外延层的厚度保持在体材料衬底的临界厚度以内。这样就限制了锗硅外延层的锗的含量。文献4中介绍了一种降低内应力转移所需要的淬火温度的办法，即在硅的绝缘衬底上的绝缘层(二氧化硅层)中注入硼(B)或磷(P)以使二氧化硅在更低的温度下变软，但即使把热处理温度降低到和外延层的生长温度相当，生长高含量锗的锗硅外延层(或甚至是纯锗材料)也无法用现有的工艺来实现。另外，对凸凹结构的理论研究(文献5)也只限于内应力的转移。这种结构对晶体缺欠的影响及在材料制备上的应用仍待开发。在实际应用中，硅衬底上的纯锗外延材料、含锗成分本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种晶体薄膜的生长方法，该方法包括把位于非晶层上的超薄单晶薄膜通过高温转化为异质薄膜，在表面形成很小内应力或无内应力的薄膜层。
【技术特征摘要】
1.一种晶体薄膜的生长方法，该方法包括把位于非晶层上的超薄单晶薄膜通过高温转化为异质薄膜，在表面形成很小内应力或无内应力的薄膜层。2.如权利要求1所述的方法，其中非晶层可以是硅的绝缘衬底(SOI)上的氧化硅层，单晶超薄层是硅的表面层。通过高温碳化，把表面的硅层转化为碳化硅。3.如权利要求2所述的方法，其中硅的表面层的厚度约在5纳米至20纳米，非晶层的厚度可以在几十纳米至几百纳米之间，碳化的温度约为700℃-1200℃。4.如权利要求1所述的方法，在高温转化前在硅的超薄层上刻蚀出小尺寸的横向微结构(mesa)，从而在热处理时可以实现内应力向边界的转移，抑制晶体缺欠的形成。5.如权利要求4所述的方法，其中横向微结构的尺寸可以在几个微米(μm)至几十或者几百个微米(μm)之间，或者更具体点在几十微米左右。6.一种外延薄膜的制备方法，该方法包括在体衬底或超薄衬底上生长异质外延材料，通过离子注入形成非晶层来消除表面层同衬底的内应力，形成无内应力的外延层。7.如权利要求6...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄风义，
申请(专利权)人：黄风义，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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