[0001] 本发明涉及半导体生产应用领域，尤其涉及一种锗虚衬底外延制造方法。

[0002] 在CMOS逻辑片上光电子应用的半导体领域中，IV族半导体锗锡合金正引发广泛的研究热潮。相较于传统的硅和锗材料，锗锡展现出了更为优越的特性，其载流子迁移率和带隙能量不仅更高，还具备可调控性。当锡含量超过8％时，锗锡合金的带隙特性将从间接带隙转变为直接带隙，这使得它成为制造IV族光电器件如发光二极管、激光器和高速光电探测器等的理想选择。随着IV族电子和光子学逻辑技术的不断扩展以及片上系统(SOC)集成的发展，锗锡合金正逐步成为未来集成电路(IC)领域的明星材料。但由于硅材料与锗锡材料之间存在极大的晶格失配，直接在硅衬底上外延生长锗锡薄膜会产生大量的失配位错，不利于用于半导体器件的制造。一种可行的解决方案是首先在硅衬底上外延一层锗缓冲层作为虚衬底，然后再锗虚衬底继续外延锗锡薄膜。通过这样的方式，可以减缓锗锡材料与单晶硅衬底之间巨大的晶格失配。

[0003] 然而现有的虚衬底制作方法得到的锗薄膜缺陷和位错较多或者表面较为粗糙影像后续器件制作质量以及光学性能。

[0030] 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。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0031] 需要说明的是，以下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。

[0032] 经发明人研究发现：

[0033] 由于硅材料与锗锡材料之间存在极大的晶格失配，直接在硅衬底上外延生长锗锡薄膜会产生大量的失配位错，不利于用于半导体器件的制造。一种可行的解决方案是首先在硅衬底上外延一层锗缓冲层作为虚衬底，然后再锗虚衬底继续外延锗锡薄膜。通过这样的方式，可以减缓锗锡材料与Si衬底之间巨大的晶格失配。

[0034] 请参阅图1，图1为其中一种传统外延锗薄膜方法的流程示意图以及结构示意图。

[0035] 该方法包括以下步骤：

[0036] 1‑1、采用RCA(Radio Corporation of America)标准清洗，去除硅片表面的有机物、颗粒、金属等污染物，同时钝化硅片表面；

[0037] 1‑2、高温脱氧去除硅片表面钝化层，得到洁净衬底101；

[0038] 1‑3、在101上低温(～300℃)外延锗薄膜102；

[0039] 1‑4、对102高温循环退火2‑3次，温度区间500‑750℃，得到单晶锗薄膜。

[0040] 这种外延方法中低温导致锗层101在生长的过程中会产生大量的点缺陷，形成非辐射复合中心和光散射中心，这对光学薄膜的性能会产生不利影响，虽然后续的高温退火会降低缺陷密度，但由于晶格失配产生的穿透位错会向晶圆表面延申扩散，形成新的非辐射复合中心。

[0041] 请参阅图2，图2为另一种传统外延锗薄膜方法的流程示意图以及结构示意图。

[0042] 该方法包括以下步骤：

[0043] 2‑1、采用RCA(Radio Corporation of America)标准清洗，去除硅片表面的有机物、颗粒、金属等污染物，同时钝化硅片表面；

[0044] 2‑2、高温脱氧去除硅片表面钝化层，得到洁净衬底201；

[0045] 2‑3、低温(～300‑350℃)外延锗薄膜202；

[0046] 2‑4、高温(～450‑550℃)外延锗薄膜203，得到单晶锗薄膜。

[0047] 这种外延方法虽然将位错和点缺陷压制在低温锗层201中，但高温生长会导致薄膜202的表面粗糙度会显著上升，会影响后续CMP工艺流程，导致光学薄膜各层分布不均匀，影响产品的光场分布，进而造成产品不稳定。

[0048] 基于以上现有方法存在的问题，本申请提出一种锗虚衬底外延制造方法及锗虚衬底，下面结合具体实施例对本申请技术方案进行详细阐述。

[0049] 请参阅图3，图3为本申请一实施例中锗虚衬底外延制造方法的流程示意图。本申请实施例提供的方法包括以下步骤：

[0050] 步骤S300，提供单晶硅衬底。具体地，衬底可采用硅衬底。提供衬底的步骤可包括：对晶圆依次进行清洗、烘干和脱氧处理。在进行脱氧处理时，可将晶圆置于真空腔室，并在
1000℃下脱氧30分钟，然后在晶圆的基础上进行外延生长。

[0051] 步骤S310，在所述衬底上依次低温外延和高温外延生长锗薄膜，得到第一样品，其中所述第一样品包括依次堆叠的低温外延锗层和高温外延锗层。

[0052] 在一实施例中，低温外延时将衬底温度调节至第一目标温度后，按照预设的生长速度进行外延生长，其中第一目标温度不高于380℃，示例性地，低温外延的温度可设置为330℃、360℃或380℃等，具体可根据实际生产应用需求进行设置和调整，这里不作限制。低温外延生长的锗薄膜厚度(即低温外延锗层的厚度)可设置为150nm。

[0053] 在一实施例中，在完成低温外延后不终止外延生长，继续基于预设升温梯度将衬底温度升高至所述高温外延的第二目标温度。具体的升温梯度可根据实际应用需求进行设置和调整，这里不作限制。第二目标温度可以设置为600℃。经过高温外延的得到的高温外延锗层的厚度可包括200nm。

[0054] 在一实施例中，在进行低温外延时，可调节锗源温度至1150℃，在进行高温外延时可调节锗源温度至900℃。在对应的锗源温度下进行外延生长。

[0055] 步骤S320，对所述第一样品进行高温原位退火，以消除所述低温外延锗层和所述高温外延锗层点缺陷并使得失配位错被压制在所述低温外延锗层。

[0056] 在一实施例中，高温退火的工艺条件包括：提升衬底温度至800℃进行原位退火30分钟。通过高温退火消除高温外延锗层中的点缺陷，并且将失配位错压制在低温外延锗层。

[0057] 步骤S330，将所述衬底的温度降低至低温外延生长的第一目标温度后再依次低温外延和高温外延生长锗薄膜，得到第二样品。在第一次高温外延后的样品寄出上进行同质外延，几乎不会存在失配位错，可极大地提高晶体质量。

[0058] 步骤S340，对所述第二样品进行高温原位退火，得到目标外延锗薄膜。

[0059] 请参阅图4，图4为本申请一实施例中锗虚衬底外延制造方法的流程示意图以及对应的结构示意图。

[0060] 制造方法的工艺步骤如下所示：

[0061] 1)采用RCA(Radio Corporation of America)标准清洗，去除硅片表面的有机物、颗粒、金属等污染物，同时钝化硅片表面；

[0062] 2)高温脱氧去除硅片表面钝化层，得到洁净衬底301；

[0063] 3)低温外延锗薄膜得到第一低温外延锗层302；

[0064] 4)高温外延锗薄膜，得到第一高温外延锗层303；

[0065] 5)高温原位退火；

[0066] 6)降低衬底温度后再次外延锗薄膜，得到第二低温外延锗层304；

[0067] 7)高温外延锗薄膜，得到第二高温外延锗层305；

[0068] 8)高温原位退火，得到目标外延锗虚衬底薄膜。

[0069] 本发明在硅衬底上低温/高温外延锗薄膜后高温原位退火再循环外延退火一次的方式得到高质量的锗虚衬底薄膜，第一低温外延锗层302具有较高的点缺陷可以降低由于晶格失配产生的线位错密度，而在高温条件下，可以在低温锗上外延生长出质量良好的第一高温外延锗层303，经过第一次高温退火，可将第一低温外延锗层302中的点缺陷密度大量降低，得到高晶体质量的单晶锗薄膜，但这牺牲了薄膜的平整度。第二低温外延锗层304，相对于第一次已经形成单晶的第一高温外延锗层303来讲是同质外延，这使得第二次外延的低温锗薄膜304几乎不会再产生失配位错，且低温外延会使得薄膜表面平整，但第二低温外延锗层304层仍旧存在大量的点缺陷，继续外延生长第二高温外延锗层305，由于第二低温外延锗层304已经是平整薄膜，所以薄膜305粗糙度也极低，再次退火后便可以得到晶体质量高、表面粗糙度极低的外延锗薄膜，可用于后续锗锡薄膜外延的虚衬底。

[0070] 实施例一

[0071] 本申请实施例的锗虚衬底外延制造方法所用设备为在一台自主搭建的双腔室超高真空化学气相沉积(UHV‑CVD)系统，该系统其中一侧的生长室装备了分子束外延(MBE)束源炉。所用束源炉为氮化硼(p‑BN)坩埚中的本征Ge(99.9999％纯度)，选用四吋单面抛光的n型本征Si(001)晶圆作为外延Ge薄膜的衬底，电阻率为0.1Ω.cm‑1.2Ω.cm。

[0072] 一、Si基底材料的处理：

[0073] 1)在定制的石英杯中配置III号液H2SO4:H2O2＝3:1，去除硅片表面的部分金属及重有机污染。将硅片放入溶液中煮沸10min，然后取出用去离子水冲洗15遍清洗干净。

[0074] 2)将III号液清洗后的硅片放入DHF(HF:H2O＝1:20)溶液中浸泡4min，去除硅片表面氧化膜，同时去除硅片表面附着的Fe、Al、Zn等金属，然后取出用去离子水冲洗15遍清洗干净。

[0075] 3)在DHF清洗后，配I号液NH4OH:H2O2:H2O＝1:1:4，去除硅衬底表面的颗粒。将硅片放入溶液中煮沸10min，然后取出用去离子水冲洗15遍清洗干净。

[0076] 4)将I号液清洗后的硅片放入DHF(HF:H2O＝1:20)溶液中浸泡4min，去除硅片表面氧化，然后取出用去离子水冲洗15遍清洗干净。

[0077] 5)最后，配置II号HPM溶液HCl:H2O2:H2O＝1:1:4，用于去除硅片表面的Na、Fe、Mg等金属污染。将硅片放入溶液中煮沸10min，硅片表面再次形成SiO2钝化膜，最后将硅片使用去离子水冲洗15次。

[0078] 二、Ge薄膜的外延生长：

[0079] 1)将清洗后的硅片用甩干机在4000rpm甩干30s后放入沉积系统，后在200℃下烘烤以去除衬底表面的残余水气。然后将样品装入生长室，生长室的背景真空度是1x10‑7 Pa。在进行外延生长之前，可在真空腔室中1000℃条件下脱氧处理30分钟。

[0080] 2)调节锗源温度1150℃，样品托转速为10rpm，衬底温度为330℃，在硅(001)衬底上外延150nm的锗薄膜，外延速率为1.2nm/min；

[0081] 3)线性提升衬底温度(在此过程中不要终止外延过程)至600℃，升温速率为5℃/min，继续外延200nm的锗薄膜；

[0082] 4)暂停外延锗薄膜，降低锗源温度至900℃，降温速率维持2‑5℃/min，提升衬底温度至800℃进行原位退火30min，第一次外延锗薄膜结束；

[0083] 5)降低衬底温度至330℃，将锗源温度再次提升至1150℃，继续外延150nm的锗薄膜；

[0084] 6)线性提升衬底温度(在此过程中不要终止外延过程)至600℃，升温速率为5℃/min，继续外延200nm的锗薄膜；

[0085] 7)暂停外延锗薄膜，降低锗源温度至900℃，降温速率维持2‑5℃/mi，提升衬底温度至800℃进行原位退火30min，第二次外延锗薄膜结束。

[0086] 8)将外延得到的锗薄膜进行HRXRD和AFM测试，从图6可以看出，外延的锗薄膜为晶体质量较高的单晶薄膜，从图图7可以看出，外延的锗薄膜表面平整，粗糙度(RMS)为0.56nm，已接近图5的硅衬底RMS＝0.208nm。

[0087] 实施例二

[0088] 本申请实施例的锗虚衬底外延制造方法所用设备为在一台自主搭建的双腔室超高真空化学气相沉积(UHV‑CVD)系统，该系统其中一侧的生长室装备了分子束外延(MBE)束源炉。所用束源炉为氮化硼(p‑BN)坩埚中的本征Ge(99.9999％纯度)，选用四吋单面抛光的n型本征Si(001)晶圆作为外延Ge薄膜的衬底，电阻率为0.1Ω.cm‑1.2Ω.cm。

[0089] 一、Si基底材料的处理：

[0090] 1)在定制的石英杯中配置III号液H2SO4:H2O2＝3:1，去除硅片表面的部分金属及重有机污染。将硅片放入溶液中煮沸10min，然后取出用去离子水冲洗15遍清洗干净。

[0091] 2)将III号液清洗后的硅片放入DHF(HF:H2O＝1:20)溶液中浸泡4min，去除硅片表面氧化膜，同时去除硅片表面附着的Fe、Al、Zn等金属，然后取出用去离子水冲洗15遍清洗干净。

[0092] 3)在DHF清洗后，配置I号液NH4OH:H2O2:H2O＝1:1:4，去除硅衬底表面的颗粒。将硅片放入溶液中煮沸10min，然后取出用去离子水冲洗15遍清洗干净。

[0093] 4)将I号液清洗后的硅片放入DHF(HF:H2O＝1:20)溶液中浸泡4min，去除硅片表面氧化，然后取出用去离子水冲洗15遍清洗干净。

[0094] 5)最后，配置II号HPM溶液HCl:H2O2:H2O＝1:1:4，用于去除硅片表面的Na、Fe、Mg等金属污染。将硅片放入溶液中煮沸10min，硅片表面再次形成SiO2钝化膜，最后将硅片使用去离子水冲洗15次。

[0095] 二、Ge薄膜的外延生长：

[0096] 1)将清洗后的硅片用甩干机在4000rpm甩干30s后放入沉积系统，后在200℃下烘烤以去除衬底表面的残余水气。然后将样品装入生长室，生长室的背景真空度是1x10‑7 Pa。在进行外延生长之前，可在真空腔室中1000℃条件下脱氧处理30分钟。

[0097] 2)调节锗源温度1150℃，样品托转速为10rpm，衬底温度为360℃，在硅(001)衬底上外延150nm的锗薄膜，外延速率为1.2nm/min；

[0098] 3)线性提升衬底温度(在此过程中不要终止外延过程)至600℃，升温速率为5℃/min，继续外延200nm的锗薄膜；

[0099] 4)暂停外延锗薄膜，降低锗源温度至900℃，降温速率维持2‑5℃/min，提升衬底温度至800℃进行原位退火30min，第一次外延锗薄膜结束；

[0100] 5)降低衬底温度至360℃，将锗源温度再次提升至1150℃，继续外延150nm的锗薄膜；

[0101] 6)线性提升衬底温度(在此过程中不要终止外延过程)至600℃，升温速率为5℃/min，继续外延200nm的锗薄膜；

[0102] 7)暂停外延锗薄膜，降低锗源温度至900℃，降温速率维持2‑5℃/mi，提升衬底温度至800℃进行原位退火30min，第二次外延锗薄膜结束。

[0103] 8)将外延得到的锗薄膜进行HRXRD和AFM测试，从图8可以看出，外延的锗薄膜为晶体质量较高的单晶薄膜，从图9可以看出，外延的锗薄膜表面平整，粗糙度(RMS)为0.30nm，已接近图5的硅衬底RMS＝0.208nm，较第一实例平整度更低。

[0104] 实施例三

[0105] 本申请实施例提供的锗虚衬底外延制造方法所用设备为在一台自主搭建的双腔室超高真空化学气相沉积(UHV‑CVD)系统，该系统其中一侧的生长室装备了分子束外延(MBE)束源炉。所用束源炉为氮化硼(p‑BN)坩埚中的本征Ge(99.9999％纯度)，选用四吋单面抛光的n型本征Si(001)晶圆作为外延Ge薄膜的衬底，电阻率为0.1Ω.cm‑1.2Ω.cm。

[0106] 一、Si基底材料的处理：

[0107] 1)在定制的石英杯中配置III号液H2SO4:H2O2＝3:1，去除硅片表面的部分金属及重有机污染。将硅片放入溶液中煮沸10min，然后取出用去离子水冲洗15遍清洗干净。

[0108] 2)将III号液清洗后的硅片放入DHF(HF:H2O＝1:20)溶液中浸泡4min，去除硅片表面氧化膜，同时去除硅片表面附着的Fe、Al、Zn等金属，然后取出用去离子水冲洗15遍清洗干净。

[0109] 3)在DHF清洗后，配I号液NH4OH:H2O2:H2O＝1:1:4，去除硅衬底表面的颗粒。将硅片放入溶液中煮沸10min，然后取出用去离子水冲洗15遍清洗干净。

[0110] 4)将I号液清洗后的硅片放入DHF(HF:H2O＝1:20)溶液中浸泡4min，去除硅片表面氧化，然后取出用去离子水冲洗15遍清洗干净。

[0111] 5)最后，配置II号HPM溶液HCl:H2O2:H2O＝1:1:4，用于去除硅片表面的Na、Fe、Mg等金属污染。将硅片放入溶液中煮沸10min，硅片表面再次形成SiO2钝化膜，最后将硅片使用去离子水冲洗15次。

[0112] 二、Ge薄膜的外延生长：

[0113] 1)将清洗后的硅片用甩干机在4000rpm甩干30s后放入沉积系统，后在200℃下烘烤以去除衬底表面的残余水气。然后将样品装入生长室，生长室的背景真空度是1x10‑7 Pa。在进行外延生长之前，可在真空腔室中1000℃条件下脱氧处理30分钟。

[0114] 2)调节锗源温度1150℃，样品托转速为10rpm，衬底温度为380℃，在硅(001)衬底上外延150nm的锗薄膜，外延速率为1.2nm/min；

[0115] 3)线性提升衬底温度(在此过程中不要终止外延过程)至600℃，升温速率为5℃/min，继续外延200nm的锗薄膜；

[0116] 4)暂停外延锗薄膜，降低锗源温度至900℃，降温速率维持2‑5℃/min，提升衬底温度至800℃进行原位退火30min，第一次外延锗薄膜结束；

[0117] 5)降低衬底温度至380℃，将锗源温度再次提升至1150℃，继续外延150nm的锗薄膜；

[0118] 6)线性提升衬底温度(在此过程中不要终止外延过程)至600℃，升温速率为5℃/min，继续外延200nm的锗薄膜；

[0119] 7)暂停外延锗薄膜，降低锗源温度至900℃，降温速率维持2‑5℃/min，提升衬底温度至800℃进行原位退火30min，第二次外延锗薄膜结束。

[0120] 8)将外延得到的锗薄膜进行HRXRD和AFM测试，从图10可以看出，外延的锗薄膜为晶体质量较高的单晶薄膜，从图11可以看出，外延的锗薄膜表面平整，粗糙度(RMS)为0.22nm，已完全接近图5的硅衬底RMS＝0.208nm，得到了晶体质量高，表面平整度高的外延锗薄膜。

[0121] 参考图5‑11所示，本申请的实施例所得的HRXRD和AFM表征图，经过合理的温度调控，外延锗薄膜的晶体质量高，表面平整度几乎接近衬底，可用于后续外GeSn薄膜的虚衬底，完成光学薄膜制造工艺。

[0122] 在一实施例中，本申请还提供一种锗虚衬底，该锗虚衬底是基于前述锗虚衬底外延制造方法得到的，具体制造过程这里不再赘述。

[0123] 以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，并同时给出了可实施证据，但并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明的原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改变，比如说更改外延方式为CVD、溅射等，这些也应该视为本发明的保护范围。