專利名稱：具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別指一種利用離子束外延設(shè)備制備的具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底。
背景技術(shù)：
硅(Si)除具有品質(zhì)好、價(jià)格低、大尺寸、器件工藝成熟及可集成等優(yōu)點(diǎn)之外，還具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性，因此常被作為大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)及氮化鋁(AlN)等外延生長的襯底使用?？墒怯捎诖嬖诖蟮木Ц袷浜蜔崤蛎浵禂?shù)差異以及界面化學(xué)問題的影響，直接生長很難取得令人滿意的結(jié)果。采用襯底制備技術(shù)是解決大失配外延問題的主要手段，即通過改變襯底表面的晶體結(jié)構(gòu)、物理及化學(xué)性質(zhì)來使襯底更適合異質(zhì)外延生長，如傳統(tǒng)緩沖層技術(shù)、常規(guī)可協(xié)變(柔性)襯底技術(shù)以及圖形襯底技術(shù)等。雖然進(jìn)行了許多嘗試，然而現(xiàn)有的各種襯底制備技術(shù)一直難以從根本上解決上述重要的寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料的大失配問題，致使其商業(yè)化應(yīng)用與推廣受到極大制約和影響。因此，繼續(xù)發(fā)展新的襯底制備技術(shù)仍然是大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料制備生長研究中的重要課題。
近年來在傳統(tǒng)緩沖層技術(shù)和基于“無支撐襯底”模型的常規(guī)可協(xié)變襯底技術(shù)的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種被稱為超薄中間層可協(xié)變襯底的新可協(xié)變襯底技術(shù)。即在某一失配外延體系中的襯底和外延層之間引入滿足一定條件的超薄中間層，而把包含具有失配應(yīng)變協(xié)調(diào)作用強(qiáng)鍵合超薄中間層的襯底就稱為超薄中間層可協(xié)變襯底。陳涌海等人在發(fā)表于2005年《半導(dǎo)體學(xué)報(bào)》第26卷第9期1740頁的學(xué)術(shù)論文中，利用所提出的“超薄中間層襯底”模型對引入強(qiáng)鍵合超薄中間層的失配外延體系的失配應(yīng)變作用機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)地理論探討和分析，并給出了理想可協(xié)變超薄中間層應(yīng)滿足的基本條件(1)與支撐襯底和外延層之間的晶格失配度符號(hào)相反，即一正一負(fù)或者一負(fù)一正，并盡可能與支撐襯底和外延層都有更好的晶格匹配關(guān)系；(2)盡可能薄，最好小于其與襯底和外延層之間的最小臨界厚度，且表面光滑平整。此外，考慮到實(shí)際的外延生長情況，還應(yīng)盡可能符合如下條件(3)具有良好的熱、化學(xué)穩(wěn)定性。不易與襯底和外延層之間發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)或者存在化學(xué)成分互擴(kuò)散，致使中間層的失配應(yīng)變協(xié)調(diào)作用減弱或喪失；(4)與現(xiàn)有的半導(dǎo)體技術(shù)兼容的材料；(5)制備工藝簡單、低成本。這既為可協(xié)變超薄中間層的選擇和制備提供了基本的理論依據(jù)和指導(dǎo)，還對一些利用超薄中間層解決大失配外延問題的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給予了解釋說明。比如，2001年美國摩托羅拉實(shí)驗(yàn)室的研究人員以與GaAs外延層有較大失配(3.2％)的12nm厚超薄SrTiO3為中間層成功的在Si襯底上制備生長得到接近零位錯(cuò)密度的大尺寸GaAs薄膜材料，而在此之前，許多人嘗試以與GaAs外延層有更好匹配關(guān)系(-0.1％)的超薄Ge或GexSi1-x為中間層卻都未在Si襯底上制備生長得到令人滿意的GaAs薄膜材料。這是因?yàn)镾rTiO3中間層與Si襯底和GaAs外延層的晶格失配度分別為-1.6％和3.2％，符號(hào)一負(fù)一正，而且僅有12nm厚，符合可協(xié)變超薄中間層的基本條件，而Ge或GexSi1-x為中間層與Si襯底和GaAs外延層的晶格失配度分別為-4.0％和-0.1％，符號(hào)都為負(fù)，不符合可協(xié)變超薄中間層的基本條件，因此難以取得很理想結(jié)果?？梢?，如何選擇符合可協(xié)變超薄中間層基本條件的超薄中間層，是實(shí)現(xiàn)Si襯底上的大失配外延層高質(zhì)量生長的重要前提。相比原有的各種基于“無支撐襯底”理論模型的常規(guī)可協(xié)變襯底，這類超薄中間層可協(xié)變襯底的制備工藝簡單、重復(fù)性好且低成本，僅通過簡單的超薄層生長就可獲得結(jié)晶質(zhì)量好且表面光滑平整的可協(xié)變層，而無需復(fù)雜的鍵合技術(shù)或者高能離子注入與納米尺度的化學(xué)減薄技術(shù)，還可能避免二次外延過程中引入雜質(zhì)污染。
對于Si襯底上制備生長具有近似晶格常數(shù)的寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料ZnO、GaN和AlN而言，具有立方結(jié)構(gòu)的3C-SiC超薄中間層符合可協(xié)變中間層的基本條件，即與Si襯底的失配度為3.68％，與ZnO、GaN和AlN外延層的失配度分別為-5.40％、-3.44％和-0.95％，并且3C-SiC超薄中間層具有良好的熱、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱特性，此外，還與成熟的Si基半導(dǎo)體器件工藝兼容。然而，目前現(xiàn)有的常規(guī)SiC薄膜制備生長工藝，如化學(xué)氣相沉積(CVD)、磁控濺射及等離子體輔助沉積等，都難以實(shí)現(xiàn)3C-SiC薄膜在Si襯底上的低溫(1000℃以下)超薄(幾到幾十納米)高純優(yōu)質(zhì)生長，因而無法獲得具有很高結(jié)晶質(zhì)量和光滑平整表面的Si基超薄3C-SiC中間層可協(xié)變襯底。因此，發(fā)展新超薄3C-SiC中間層的Si基可協(xié)變襯底制備技術(shù)具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種可協(xié)變襯底，特別是指一種利用離子束外延設(shè)備制備的具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底，利用離子束外延設(shè)備實(shí)現(xiàn)超薄3C-SiC薄膜材料在Si(111)襯底上的高質(zhì)量生長，為大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料氧化鋅、氮化鎵及氮化鋁等的外延生長提供一種具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底，并為研制開發(fā)新型的光電子器件奠定基礎(chǔ)。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明一種具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底，其特征在于，包括如下幾部分一硅襯底，該硅襯底起支撐的作用；一超薄3C-SiC中間層，該超薄3C-SiC中間層制備在硅襯底上，起失配應(yīng)變協(xié)調(diào)的作用，并與硅襯底一起構(gòu)成硅基可協(xié)變襯底；一外延層，該外延層制備在超薄3C-SiC中間層上，并與底部硅襯底有較大晶格失配。
其中超薄3C-SiC中間層的厚度為5-30nm，材料為單晶和多晶碳化硅薄膜材料。
其中外延層與超薄3C-SiC中間層之間的晶格失配度符號(hào)和中間超薄3C-SiC中間層與硅襯底的晶格失配度符號(hào)相反，即一負(fù)一正，并且外延層與超薄3C-SiC中間層的晶格失配度數(shù)值為0-10％。
其中外延層的材料為氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁及碳化硅薄膜材料，該些材料是采用磁控濺射、金屬有機(jī)氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、分子束外延及離子束外延方法制備的。
本發(fā)明一種具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底的制備方法，其特征在于，制備方法包含如下步驟取一硅襯底；采用離子束外延的方法，在硅襯底上制備超薄3C-SiC中間層；采用磁控濺射的方法，在超薄3C-SiC中間層上制備一外延層。
其中超薄3C-SiC中間層的制備步驟如下步驟1選用純度要求不高的氬氣作為低能雙離子束外延設(shè)備I束離子源產(chǎn)生用于襯底表面干法濺射清洗的氬離子束原材料；步驟2選用純度要求不高的一氧化碳?xì)怏w作為低能雙離子束外延設(shè)備II束離子源產(chǎn)生用于碳化硅薄膜制備生長的碳離子束原材料；步驟3將Si(111)襯底置入低能雙離子束外延設(shè)備生長室；步驟4抽低能雙離子束外延設(shè)備整個(gè)系統(tǒng)的真空；步驟5對兩個(gè)離子源進(jìn)行烘烤去氣；步驟6對生長室內(nèi)的硅襯底進(jìn)行烘烤去氣和表面高溫脫氧處理；步驟7利用低能雙離子束外延設(shè)備I束產(chǎn)生出的同位素純低能氬離子束轟擊濺射干法清洗硅襯底表面；步驟8關(guān)閉低能雙離子束外延設(shè)備I束的氬離子束；步驟9利用低能雙離子束外延設(shè)備II束產(chǎn)生出的同位素純低能碳離子束在Si(111)襯底上進(jìn)行超薄3C-SiC中間層2的低溫高純生長。
其中步驟5中烘烤去氣前兩個(gè)離子源內(nèi)真空度達(dá)到5-9×10-4Pa，烘烤加熱的溫度為120-300℃。
其中步驟6中硅襯底烘烤去氣和表面高溫脫氧前生長室內(nèi)的真空度應(yīng)達(dá)到1-5×10-5Pa，加熱溫度為750-850℃，時(shí)間20-30分鐘。
其中步驟7中用于硅襯底表面轟擊濺射干法清洗的同位素純低能氬離子束的束流密度應(yīng)為50-100μA/cm2，氬離子能量為200-300eV，干法清洗時(shí)間為2-5分鐘。
其中步驟9中得到的同位素純低能碳離子束是通過調(diào)整II束的磁四極透鏡裝置與輔助的磁導(dǎo)向裝置的磁場及靜電偏轉(zhuǎn)電極裝置的電場來控制沉積在襯底上的低能碳離子束束斑形狀和大小，輔助襯底小角度左右掃描擺動(dòng)以提高所制備碳化硅薄膜的均勻性和增大成膜面積。
其中步驟9中的同位素純低能碳離子束束流密度應(yīng)為50-100μA/cm2，能量應(yīng)為20-100eV，劑量應(yīng)為1-8×1017dose，生長溫度應(yīng)為700-800℃。
其中在制備外延層氧化鋅薄膜時(shí)，應(yīng)采用60-100W交流射頻濺射功率濺射純度為99.99％-99.999％氧化鋅靶材，工作氣體氬氣與輔助反應(yīng)氣體氧氣流量配比應(yīng)為4∶1-9∶1，總工作氣壓應(yīng)為0.2-1.0Pa，生長溫度應(yīng)為450℃-550℃，無輔助反應(yīng)氣體氧氣的預(yù)生長時(shí)間應(yīng)為1-5分鐘，有輔助反應(yīng)氣體氧氣的生長時(shí)間應(yīng)為120-240分鐘。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的有益效果相比現(xiàn)有的常規(guī)SiC薄膜制備生長工藝，如化學(xué)氣相沉積(CVD)、磁控濺射及等離子體輔助沉積等，本發(fā)明采用離子束外延方法在Si襯底上可以實(shí)現(xiàn)3C-SiC薄膜在1000℃以下的低溫超薄高純優(yōu)質(zhì)生長，幾到幾十納米厚薄膜具有高結(jié)晶質(zhì)量的單一3C-SiC(111)取向，且表面還比較光滑平整，因而獲得了具有高質(zhì)量超薄3C-SiC中間層的Si基可協(xié)變襯底。
相比現(xiàn)有的各種基于“無支撐襯底”理論模型的常規(guī)可協(xié)變襯底，本發(fā)明的Si基超薄3C-SiC中間層可協(xié)變襯底的制備工藝簡單、重復(fù)性好且低成本。僅通過簡單的離子束外延超薄層低溫高純生長就可實(shí)現(xiàn)，而且可協(xié)變層的結(jié)晶質(zhì)量好、表面光滑平整，而無需復(fù)雜的鍵合技術(shù)或者高能離子注入與納米尺度的化學(xué)減薄技術(shù)，還可以避免雜質(zhì)污染問題。
相比普通硅襯底和現(xiàn)有的各種傳統(tǒng)緩沖層技術(shù)，本發(fā)明的Si基超薄3C-SiC中間層可協(xié)變襯底具有更好的失配應(yīng)變協(xié)調(diào)作用，其上所制備生長的大失配外延層氧化鋅材料生長質(zhì)量提高，而殘余張應(yīng)力減小。該襯底同時(shí)也適用于大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料氮化鎵和氮化鋁的外延生長。因此為實(shí)現(xiàn)這些具有優(yōu)越光電性能的重要寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料與成熟的Si基微電子器件工藝完美結(jié)合和研制開發(fā)新型的光電子器件奠定基礎(chǔ)。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1、具有超薄3C-SiC中間層的Si基可協(xié)變襯底結(jié)構(gòu)示意圖其中21為底部Si(111)襯底；22為超薄3C-SiC中間層，制備在21上，并與1一起構(gòu)成Si基可協(xié)變襯底；23為大失配外延層，制備在22上，與21有較大晶格失配，并與21、22一起構(gòu)成大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。
圖2、制備超薄3C-SiC中間層的低能雙離子束外延設(shè)備示意圖其中I束產(chǎn)生用于干法濺射清洗硅襯底表面的同位素純低能氬離子束，II束產(chǎn)生用于碳化硅襯底表面外延生長超薄3C-SiC中間層的同位素純低能碳離子束，1為離子源，2為離子源束流調(diào)控裝置，3為磁分析器裝置，4.1為氬離子(Ar+)束，4.2為碳離子(C+)束，5.1為電四極透鏡裝置，5.2為磁四極透鏡裝置，6為靜電偏轉(zhuǎn)電極裝置，7為減速透鏡裝置，8為襯底，9為離子束束流監(jiān)測裝置，10為超高真空生長室。
圖3、Si(111)襯底上采用離子束外延方法制備得到的超薄3C-SiC中間層測試分析結(jié)果a為原子力表面形貌測試(AFM)，b為X射線衍射測試(XRD)，c為俄歇能譜深度分析(AES)。
圖4、在普通Si(111)襯底(a)和具有超薄3C-SiC中間層的Si基可協(xié)變襯底(b)上，采用相同的磁控濺射生長工藝制備得到的ZnO薄膜樣品的原子力表面形貌(AFM)測試分析結(jié)果。
圖5、在普通Si(111)襯底(a)和具有超薄3C-SiC中間層的Si基可協(xié)變襯底(b)上，采用相同的磁控濺射生長工藝制備得到的ZnO薄膜樣品的X射線衍射(XRD)測試分析結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明一種具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底，其特征在于，包括如下幾部分一硅襯底21，該硅襯底21起支撐的作用；一超薄3C-SiC中間層22，該超薄3C-SiC中間層22制備在硅襯底21上，起失配應(yīng)變協(xié)調(diào)的作用，并與硅襯底21一起構(gòu)成硅基可協(xié)變襯底；其中超薄3C-SiC中間層2的厚度為5-30nm，材料為單晶和多晶碳化硅薄膜材料；一外延層23，該外延層制備在超薄3C-SiC中間層22上，并與底部硅襯底21有較大晶格失配；該外延層23與超薄3C-SiC中間層22之間的晶格失配度符號(hào)和中間超薄3C-SiC中間層22與硅襯底21的晶格失配度符號(hào)相反，即一負(fù)一正，并且外延層3與超薄3C-SiC中間層22的晶格失配度數(shù)值為0-10％；該外延層23的材料為氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁及碳化硅薄膜材料，該些材料是采用磁控濺射、金屬有機(jī)氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、分子束外延及離子束外延方法制備的。
請?jiān)賲㈤唸D1，本發(fā)明一種具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底的制備方法，其特征在于，制備方法包含如下步驟取一硅襯底21；采用離子束外延的方法，在硅襯底21上制備超薄3C-SiC中間層22；采用磁控濺射的方法，在超薄3C-SiC中間層22上制備一外延層23。
該超薄3C-SiC中間層22的制備步驟如下步驟1選用純度要求不高的氬氣作為低能雙離子束外延設(shè)備I束離子源產(chǎn)生用于襯底表面干法濺射清洗的氬離子束原材料；步驟2選用純度要求不高的一氧化碳?xì)怏w作為低能雙離子束外延設(shè)備II束離子源產(chǎn)生用于碳化硅薄膜制備生長的碳離子束原材料；步驟3將Si(111)襯底置入低能雙離子束外延設(shè)備生長室；步驟4抽低能雙離子束外延設(shè)備整個(gè)系統(tǒng)的真空；
步驟5對兩個(gè)離子源進(jìn)行烘烤去氣，該烘烤去氣前兩個(gè)離子源內(nèi)真空度達(dá)到5-9×10-4Pa，烘烤加熱的溫度為120-300℃；步驟6對生長室內(nèi)的硅襯底進(jìn)行烘烤去氣和表面高溫脫氧處理，該硅襯底烘烤去氣和表面高溫脫氧前生長室內(nèi)的真空度應(yīng)達(dá)到1-5×10-5Pa，加熱溫度為750-850℃，時(shí)間20-30分鐘；步驟7利用低能雙離子束外延設(shè)備I束產(chǎn)生出的同位素純低能氬離子束轟擊濺射干法清洗硅襯底表面，該用于硅襯底表面轟擊濺射干法清洗的同位素純低能氬離子束的束流密度應(yīng)為50-100μA/cm2，氬離子能量為200-300eV，干法清洗時(shí)間為2-5分鐘；步驟8關(guān)閉低能雙離子束外延設(shè)備I束的氬離子束；步驟9利用低能雙離子束外延設(shè)備II束產(chǎn)生出的同位素純低能碳離子束在Si(111)襯底上進(jìn)行超薄3C-SiC中間層22的低溫高純生長，得到的同位素純低能碳離子束是通過調(diào)整II束的磁四極透鏡裝置與輔助的磁導(dǎo)向裝置的磁場及靜電偏轉(zhuǎn)電極裝置的電場來控制沉積在襯底上的低能碳離子束束斑形狀和大小，輔助襯底小角度左右掃描擺動(dòng)以提高所制備碳化硅薄膜的均勻性和增大成膜面積，該同位素純低能碳離子束束流密度應(yīng)為50-100μA/cm2，能量應(yīng)為20-100eV，劑量應(yīng)為1-8×1017dose，生長溫度應(yīng)為700-800℃。
其中在制備外延層氧化鋅薄膜時(shí)，應(yīng)采用60-100W交流射頻濺射功率濺射純度為99.99％-99.999％氧化鋅靶材，工作氣體氬氣與輔助反應(yīng)氣體氧氣流量配比應(yīng)為4∶1-9∶1，總工作氣壓應(yīng)為0.2-1.0Pa，生長溫度應(yīng)為450℃-550℃，無輔助反應(yīng)氣體氧氣的預(yù)生長時(shí)間應(yīng)為1-5分鐘，有輔助反應(yīng)氣體氧氣的生長時(shí)間應(yīng)為120-240分鐘。
實(shí)現(xiàn)發(fā)明的最好方式1.實(shí)現(xiàn)發(fā)明的主要設(shè)備半導(dǎo)體薄膜制備設(shè)備(如離子束外延(IBE)系統(tǒng)、分子束外(MBE)系統(tǒng)、磁控濺射(MS)設(shè)備、脈沖激光沉積(PLD)系統(tǒng)、金屬有機(jī)氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng)及化學(xué)氣相沉積(CVD)系統(tǒng)等)；真空設(shè)備(如機(jī)械真空泵、渦輪分子泵、低溫冷凝泵、離子泵、升華泵等)；半導(dǎo)體襯底材料的清洗設(shè)備。
2.根據(jù)生長設(shè)備的功能特點(diǎn)和具體情況，對超薄3C-SiC中間層和大失配外延層的生長技術(shù)路線進(jìn)行調(diào)整。
3.利用離子束外(IBE)系統(tǒng)進(jìn)行超薄3C-SiC中間層的制備生長，利用磁控濺射(MS)設(shè)備、分子束外(MBE)系統(tǒng)、脈沖激光沉積(PLD)系統(tǒng)、金屬有機(jī)氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng)及化學(xué)氣相沉積(CVD)系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行大失配外延層的制備生長。
4.對于半導(dǎo)體薄膜制備系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)，視具體情況而定。
實(shí)施例具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底的結(jié)構(gòu)參見圖1，其主要的技術(shù)參數(shù)見表1。
表1具有超薄碳化硅中間層硅基可協(xié)變襯底的主要技術(shù)參數(shù)


參照圖1中的Si基可協(xié)變襯底示意圖和圖2中的低能雙離子束外延(IBE)設(shè)備示意圖及表2中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)與試分析結(jié)果，敘述具有超薄3C-SiC中間層22的Si基可協(xié)變襯底的離子束外延(IBE)方法制備過程，具體包含如下步驟步驟1選用氬氣作為低能雙離子束外延設(shè)備I束離子源2產(chǎn)生用于襯底21表面干法濺射清洗的氬離子束4.1原材料；步驟2選用一氧化碳?xì)怏w作為低能雙離子束外延設(shè)備II束離子源2產(chǎn)生用于碳化硅薄膜制備生長的碳離子束4.2原材料；步驟3將硅襯底21置入離子束外延設(shè)備生長室10；步驟4抽整個(gè)離子束外延設(shè)備系統(tǒng)的真空；步驟5對兩個(gè)離子源進(jìn)行烘烤去氣；步驟6對生長室10內(nèi)的硅襯底21進(jìn)行烘烤去氣和表面高溫脫氧處理；步驟7利用低能雙離子束外延設(shè)備I束產(chǎn)生出的同位素純低能氬離子束4.1轟擊濺射干法清洗硅襯底21的表面；步驟8關(guān)閉低能雙離子束外延設(shè)備I束的氬離子束4.1；步驟9利用低能雙離子束外延設(shè)備II束產(chǎn)生出的同位素純低能碳離子束4.2在襯底21上進(jìn)行超薄3C-SiC中間層22的低溫高純生長。
步驟10對制備的超薄3C-SiC中間層22進(jìn)行原子力表面形貌(AFM)、X射線衍射(XRD)及俄歇能譜(AES)測試分析。
表2離子束外延方法制備超薄3C-SiC中間層的實(shí)驗(yàn)參數(shù)與測試結(jié)果


利用交流射頻磁控濺射方法，在所制備的具有超薄3C-SiC中間層22的Si基可協(xié)變襯底上進(jìn)行大失配外延層氧化鋅材料23的制備生長實(shí)驗(yàn)，并與普通Si(111)襯底上結(jié)果進(jìn)行對比，主要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)參見表3，氧化鋅外延層樣品的測試結(jié)果參見圖4和圖5。
表3交流射頻磁控濺射方法制備氧化鋅外延層的主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)


由圖4的原子力表面形貌(AFM)測試分析結(jié)果給出a、b兩個(gè)ZnO薄膜樣品在5×5μm尺度內(nèi)的二維表面粗糙度(RMS)分別為6.4nm和3.9nm。表明具有3C-SiC薄中間層的Si基可協(xié)變襯底上的ZnO薄膜樣品a表面更加光滑平整。普通Si(111)襯底上的ZnO薄膜樣品b的表面形貌相對比較差，說明是膜層內(nèi)積聚較大的應(yīng)力。從圖5的X射線衍射(XRD)測試結(jié)果可以看出，普通Si(111)襯底上的ZnO樣品a沒有實(shí)現(xiàn)C軸單一擇優(yōu)取向生長，XRD譜中除了觀察到比較強(qiáng)的C軸取向ZnO(002)衍射峰34.403°和ZnO(004)衍射峰72.537°，還觀察到比較弱的非C軸取向的ZnO(100)衍射峰31.743°、ZnO(101)衍射峰36.232°和ZnO(103)衍射峰62.840°，而且ZnO(002)衍射峰2θ角的半高寬(FWHM)為0.418°，計(jì)算得到ZnO(002)面面間距d值為2.6047，而標(biāo)準(zhǔn)值d0為2.6033，計(jì)算得到的晶粒尺寸(D)為19.7nm，表明該樣品的結(jié)晶質(zhì)量比較差，并且膜層內(nèi)積聚較大的壓應(yīng)力。
相比較而言，具有超薄3C-SiC中間層的Si基可協(xié)變襯底上的ZnO樣品b實(shí)現(xiàn)了C軸單一擇優(yōu)取向生長，XRD譜中僅觀察到很強(qiáng)的C軸取向ZnO(002)衍射峰34.450°和ZnO(004)衍射峰72.642°，并且ZnO(002)衍射峰的2θ角半高寬(FWHM)值也比較小0.351°，計(jì)算得到的ZnO(002)面間距的d值為2.6014，晶粒尺寸(D)為23.4nm。表明該樣品具有比較好的結(jié)晶質(zhì)量，且僅殘存部分張應(yīng)力。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明具有超薄3C-SiC中間層的Si基可協(xié)變襯底具有比較好的失配應(yīng)變協(xié)調(diào)作用，其上采用交流射頻磁控濺射方法制備生長的大失配外延層ZnO材料的晶質(zhì)量提高、表面形貌大幅度改善，且膜層內(nèi)殘余應(yīng)力減小。所以是一種提高ZnO薄膜材料生長質(zhì)量的新型Si基襯底，并且也可用于GaN和AlN外延層的制備生長。
權(quán)利要求
1.一種具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底，其特征在于，包括如下幾部分一硅襯底，該硅襯底起支撐的作用；一超薄3C-SiC中間層，該超薄3C-SiC中間層制備在硅襯底上，起失配應(yīng)變協(xié)調(diào)的作用，并與硅襯底一起構(gòu)成硅基可協(xié)變襯底；一外延層，該外延層制備在超薄3C-SiC中間層上，并與底部硅襯底有較大晶格失配。
2.權(quán)利要求1所述的具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底，其特征在于，其中超薄3C-SiC中間層的厚度為5-30nm，材料為單晶和多晶碳化硅薄膜材料。
3.權(quán)利要求1所述的具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底，其特征在于，其中外延層與超薄3C-SiC中間層之間的晶格失配度符號(hào)和中間超薄3C-SiC中間層2與硅襯底的晶格失配度符號(hào)相反，即一負(fù)一正，并且外延層與超薄3C-SiC中間層的晶格失配度數(shù)值為0-10％。
4.權(quán)利要求1、3所述的具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底，其特征在于，其中外延層的材料為氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁及碳化硅薄膜材料，該些材料是采用磁控濺射、金屬有機(jī)氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、分子束外延及離子束外延方法制備的。
5.一種具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底的制備方法，其特征在于，制備方法包含如下步驟取一硅襯底；采用離子束外延的方法，在硅襯底上制備超薄3C-SiC中間層；采用磁控濺射的方法，在超薄3C-SiC中間層上制備一外延層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底的制備方法，其特征在于，其中超薄3C-SiC中間層的制備步驟如下步驟1選用純度要求不高的氬氣作為低能雙離子束外延設(shè)備I束離子源產(chǎn)生用于襯底表面干法濺射清洗的氬離子束原材料；步驟2選用純度要求不高的一氧化碳?xì)怏w作為低能雙離子束外延設(shè)備II束離子源產(chǎn)生用于碳化硅薄膜制備生長的碳離子束原材料；步驟3將Si(111)襯底置入低能雙離子束外延設(shè)備生長室；步驟4抽低能雙離子束外延設(shè)備整個(gè)系統(tǒng)的真空；步驟5對兩個(gè)離子源進(jìn)行烘烤去氣；步驟6對生長室內(nèi)的硅襯底進(jìn)行烘烤去氣和表面高溫脫氧處理；步驟7利用低能雙離子束外延設(shè)備I束產(chǎn)生出的同位素純低能氬離子束轟擊濺射干法清洗硅襯底表面；步驟8關(guān)閉低能雙離子束外延設(shè)備I束的氬離子束；步驟9利用低能雙離子束外延設(shè)備II束產(chǎn)生出的同位素純低能碳離子束在Si(111)襯底上進(jìn)行超薄3C-SiC中間層的低溫高純生長。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底的制備方法，其特征在于，其中步驟5中烘烤去氣前兩個(gè)離子源內(nèi)真空度達(dá)到5-9×10-4Pa，烘烤加熱的溫度為120-300℃。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底的制備方法，其特征在于，其中步驟6中硅襯底烘烤去氣和表面高溫脫氧前生長室內(nèi)的真空度應(yīng)達(dá)到1-5×10-6Pa，加熱溫度為750-850℃，時(shí)間20-30分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底的制備方法，其特征在于，其中步驟7中用于硅襯底表面轟擊濺射干法清洗的同位素純低能氬離子束的束流密度應(yīng)為50-100μA/cm2，氬離子能量為200-300eV，干法清洗時(shí)間為2-5分鐘。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底的制備方法，其特征在于，其中步驟9中得到的同位素純低能碳離子束是通過調(diào)整II束的磁四極透鏡裝置與輔助的磁導(dǎo)向裝置的磁場及靜電偏轉(zhuǎn)電極裝置的電場來控制沉積在襯底上的低能碳離子束束斑形狀和大小，輔助襯底小角度左右掃描擺動(dòng)以提高所制備碳化硅薄膜的均勻性和增大成膜面積。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底的制備方法，其特征在于，其中步驟9中的同位素純低能碳離子束束流密度應(yīng)為50-100μA/cm2，能量應(yīng)為20-100eV，劑量應(yīng)為1-8×1017dose，生長溫度應(yīng)為700-800℃。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底的制備方法，其特征在于，其中在制備外延層氧化鋅薄膜時(shí)，應(yīng)采用60-100W交流射頻濺射功率濺射純度為99.99％-99.999％氧化鋅靶材，工作氣體氬氣與輔助反應(yīng)氣體氧氣流量配比應(yīng)為4∶1-9∶1，總工作氣壓應(yīng)為0.2-1.0Pa，生長溫度應(yīng)為450℃-550℃，無輔助反應(yīng)氣體氧氣的預(yù)生長時(shí)間應(yīng)為1-5分鐘，有輔助反應(yīng)氣體氧氣的生長時(shí)間應(yīng)為120-240分鐘。
全文摘要
一種具有超薄碳化硅中間層的硅基可協(xié)變襯底，其特征在于，包括如下幾部分一硅襯底，該硅襯底起支撐的作用；一超薄3C－SiC中間層，該超薄3C－SiC中間層制備在硅襯底上，起失配應(yīng)變協(xié)調(diào)的作用，并與硅襯底一起構(gòu)成硅基可協(xié)變襯底；一外延層，該外延層制備在超薄3C－SiC中間層上，并與底部硅襯底有較大晶格失配。
文檔編號(hào)H01L21/20GK101017864SQ20061000307
公開日2007年8月15日 申請日期2006年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月8日
發(fā)明者楊少延, 楊霏, 李成明, 范海波, 陳涌海, 劉志凱, 王占國 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所