專利名稱：利用準(zhǔn)分子激光退火制作SiGe或Ge量子點(diǎn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及 一 種利用 激光退火制作納米量級(jí)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)的方法。
背景技術(shù)：
自從1 9 9 0年Eaglesham禾口 Cerullo首次用TEM 證實(shí)無(wú)位錯(cuò)的Ge島以來(lái)，這種通過三維生長(zhǎng)方式得到 的納米尺寸的島狀結(jié)構(gòu)，因其尺寸上具有令人驚奇的 均勻性，可以被用來(lái)制作對(duì)載流子三維限制的量子點(diǎn)， 被人成為自組織量子點(diǎn)，并逐漸成為研究熱點(diǎn)。Ge或 S i Ge量子點(diǎn)因其結(jié)構(gòu)上的三維特性，而在光學(xué)和電學(xué) 上表現(xiàn)出特有性質(zhì)，利用這些性質(zhì)制作新的功能器件 能在微電子和光電子應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。諸如，量 子點(diǎn)對(duì)載流子三維限制有助于提高激子的束縛能，提 高SiGe/Si結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率；由于Ge/Si的II型帶邊 結(jié)構(gòu)可用Ge量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)在"軌道"上只限制空穴的"人
工原子"；小尺寸的Ge量子點(diǎn)將具有庫(kù)侖阻塞效應(yīng)， 可用來(lái)制作單電子晶體管。
目前得到的Ge或者S i Ge量子點(diǎn)的方法主要是利 用S-K (Stranski-Krastanow)模式夕卜延生長(zhǎng)量子點(diǎn)。 根據(jù)論文 Spencer et Physics Review Letters,
Vol. 95， p206101， 2005禾口其中的相關(guān) 文獻(xiàn)分析，用這種方法得到S i Ge量子點(diǎn)直徑很難小于 3 0 nm ，從而很難真正實(shí)現(xiàn)三維量子限制。根據(jù)論文 Liao et al.，Phyiscs Review B， Vol. 6 0, pi 5 6 0 5 ， 1 9 9 9中給出的形成量子點(diǎn)的 S — K模型。生 長(zhǎng)在Si或者SiGe襯底上的SiGe或者Ge的外延層， 當(dāng)外延層厚度超過臨界厚度的時(shí)候，將通過產(chǎn)生量子 點(diǎn)來(lái)釋放應(yīng)力。在量子點(diǎn)的形成長(zhǎng)大過程中表面原子 和襯底中的原子都向量子點(diǎn)擴(kuò)散，在生長(zhǎng)過程或者熱 退火過程中這兩種擴(kuò)散都是不可避免的，所以利用 S _ K模式得到SiGe或者Ge量子點(diǎn)直徑都大于3 0 nm。
論文 Applied Physics Letters.,Vol. 5 7 ，pl 5 0 2,1 9 9 0報(bào)道的S i原子的體擴(kuò)散系數(shù)小于1 0 -2'm2s—'，而論文 Physics Review Letters, Vol.9 5 ， p 2 0 6 1 0 1 ，2 0 0 5報(bào)道表面原子的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn) 大于1 0 —"m2"1 。每個(gè)激光脈沖輻照引起的高溫過程只 有幾十納秒，而準(zhǔn)分子激光的脈沖頻率最大不超過幾
200710121073.6
說明書第3/7頁(yè)
十赫茲，退火激光脈沖照射后外延層在幾十納秒后恢 復(fù)到室溫，整個(gè)退火過程中沒有溫度的積累。所以在 一個(gè)脈沖過程中擴(kuò)散不能發(fā)生，整個(gè)過程擴(kuò)散也就不 能發(fā)生。體擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)太小，在幾十納秒的時(shí)間 內(nèi)不能發(fā)生擴(kuò)散，所以從襯底向量子點(diǎn)的體擴(kuò)散被禁 止，而表面擴(kuò)散可以發(fā)生。量子點(diǎn)的產(chǎn)生完全是由于 表面的擴(kuò)散造成的，得到的量子點(diǎn)比用S — K模式外延
生長(zhǎng)的SiGe或者Ge量子點(diǎn)小的多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是，用脈沖寬度只有幾十 納秒的準(zhǔn)分子激光退火S i或者S iGe襯底上生長(zhǎng)的含 有壓應(yīng)力的SiGe或者Ge的外延層，由于激光退火使 得應(yīng)力外延層產(chǎn)生了瞬時(shí)的高溫，外延層將通過產(chǎn)生 量子點(diǎn)來(lái)釋放應(yīng)力。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供 一 種利用準(zhǔn)分 子激光退火制作S iGe或Ge量子點(diǎn)的方法，其特征在 于，量子點(diǎn)制作步驟如下
步驟1 :取 一 襯底；
步驟2:在襯底上生長(zhǎng)SiGe或者Ge的外延層；
步驟3 :用激光對(duì)外延層進(jìn)行退火處理，在外延 層上得到SiGe或Ge量子點(diǎn)。
6其中所述生長(zhǎng)外延層所用襯底是S i襯底或是S i Ge 贗襯底或S 0 I襯底。
其中所述外延層為壓應(yīng)力層。
其中所述的退火外延層所用的激光是準(zhǔn)分子激光。
其中退火所用的激光束是均勻的平面光斑或是將 光束聚成窄的線光斑或者點(diǎn)光斑進(jìn)行線掃描或者點(diǎn)掃
描o


為了進(jìn) 一 步說明本發(fā)明的效果，下面結(jié)合附圖和 實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn) 一 步的詳細(xì)說明，其中
圖1是本發(fā)明的流程圖2是波長(zhǎng)為1 9 3納米的ArF準(zhǔn)分子激光單脈 沖功率隨時(shí)間分布圖3是單個(gè)激光脈沖輻照到S i Ge外延層表面上引 起的溫度過程圖4是單個(gè)激光脈沖輻照到S i Ge外延層表面上引 起的溫度過程圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明 一 種利用準(zhǔn)分子激光退
火制作S iGe或Ge量子點(diǎn)的方法，其特征在于，量子 點(diǎn)制作步驟如下
步驟1 :取 一 襯底(步驟S 10 )，所述襯底是S i
襯底或是SiGe贗襯底；
步驟2 :在襯底上生長(zhǎng)SiGe或者Ge的外延層(步 驟S 2 0 )，所述外延層為壓應(yīng)力層；
步驟3 :用激光對(duì)外延層進(jìn)行退火處理，在外延 層上得到SiGe或Ge量子點(diǎn)(步驟S3 0 )，所述的退 火外延層所用的激光是準(zhǔn)分子激光，所述退火所用的 激光束是均勻的平面光斑或是將光束聚成窄的線光斑 或者點(diǎn)光斑進(jìn)行線掃描或者點(diǎn)掃描。
實(shí)施例1
本實(shí)例用波長(zhǎng)為1 9 3納米的ArF準(zhǔn)分子激光退 火在Si襯底上生長(zhǎng)的SiGe的外延層得到了直徑為1 5 2 0纟內(nèi)米的SiGe量子點(diǎn)；圖2為l 9 3納米的ArF
準(zhǔn)分子激光單脈沖功率隨時(shí)間分布圖。其步驟如下(結(jié) 合參閱圖1 ):
步驟1 :取 一 襯底(步驟S 10 )
步驟2 :用超高真空化學(xué)淀積系統(tǒng)在S i襯底上生 長(zhǎng) 一 層SiGe外延層(步驟S 2 0 )。
步驟3 :用波長(zhǎng)為1 9 3納米的ArF準(zhǔn)分子激光 退火上述SiGe外延層(步驟S3 0 )。激光器的脈沖半 高寬度為2 0納秒，如圖3所示。激光脈沖在SiGe外 延層表面引起的溫度持續(xù)時(shí)間大約為5 0納秒，如圖 4所示。用勻質(zhì)器將激光束變成平面方形光斑。光斑 能量密度小于S i Ge層的破壞閾值。本次實(shí)驗(yàn)是在氖氣 的保護(hù)下進(jìn)行的，以防止SiGe被氧化和污染。實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證即使沒有保護(hù)氣體，由于高溫過程非常短，基本不 會(huì)發(fā)生表面被氧化的現(xiàn)象。但是如果環(huán)境比較臟，需 要在保護(hù)氣體中進(jìn)行激光退火。
退火之后在 S i G e外延層上得到了密度為1 . 8 X 1 0 McnT2的SiGe量子點(diǎn)，量子點(diǎn)的直徑為1 5 2 0
實(shí)施例2
本實(shí)例用波長(zhǎng)為1 9 3納米的ArF準(zhǔn)分子激光退 火在S i襯底上生長(zhǎng)的Ge的外延層得到了直徑為2 0 2 5纟內(nèi)米的SiGe量子點(diǎn)；圖2為1 9 3纟內(nèi)米的ArF 準(zhǔn)分子激光單脈沖功率隨時(shí)間分布圖。其步驟如下(結(jié) 合參閱圖1 ):
步驟1 :取 一 襯底(步驟S 10 )
步驟2 :用超高真空化學(xué)淀積系統(tǒng)在S i襯底上生
長(zhǎng) 一 層Ge外延層(步驟S 2 0 )。
步驟3 :用波長(zhǎng)為1 9 3納米的ArF準(zhǔn)分子激光 退火上述Ge外延層。激光器的脈沖半高寬度為2 0納 秒，如圖1所示。激光脈沖在G e外延層表面引起的溫 度持續(xù)時(shí)間大約為5 0納秒，如圖4所示。用勻質(zhì)器 將激光束變成平面方形光斑。光斑能量密度小于Ge層 的破壞閾值。本次實(shí)驗(yàn)是在氖氣的保護(hù)下進(jìn)行的，以 防止Ge被氧化和污染。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證即使沒有保護(hù)氣體， 由于高溫過程非常短，基本不會(huì)發(fā)生表面被氧化的現(xiàn) 象。但是如果環(huán)境比較臟，需要在保護(hù)氣體中進(jìn)行激 光退火。
退火之后在Ge外延層上得到了密度為6 X 1 0 '"cm —2的Ge量子點(diǎn)，量子點(diǎn)的直徑為2 0 2 5 nm。
權(quán)利要求
1. 一種利用準(zhǔn)分子激光退火制作SiGe或Ge量子點(diǎn)的方法，其特征在于，量子點(diǎn)制作步驟如下步驟1取一襯底；步驟2在襯底上生長(zhǎng)SiGe或者Ge的外延層；步驟3用激光對(duì)外延層進(jìn)行退火處理，在外延層上得到SiGe或Ge量子點(diǎn)。
2 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用準(zhǔn)分子激光退火 制作SiGe或Ge量子點(diǎn)的方法，其特征在于，其中所 述生長(zhǎng)外延層所用襯底是Si襯底或是SiGe贗襯底或 S 0 I襯底。
3 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用準(zhǔn)分子激光退火 制作S iGe或Ge量子點(diǎn)的方法，其特征在于，其中所 述外延層為壓應(yīng)力層。
4 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用準(zhǔn)分子激光退火 制作SiGe或Ge量子點(diǎn)的方法，其特征在于，其中所 述的退火外延層所用的激光是準(zhǔn)分子激光。
5 .根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的利用準(zhǔn)分子激光 退火制作SiGe或Ge量子點(diǎn)的方法，其特征在于，其 中退火所用的激光束是均勻的平面光斑或是將光束聚成窄的線光斑或者點(diǎn)光斑進(jìn)行線掃描或者點(diǎn)掃描
全文摘要
一種利用準(zhǔn)分子激光退火制作SiGe或Ge量子點(diǎn)的方法，其特征在于，量子點(diǎn)制作步驟如下步驟1取一襯底；步驟2在襯底上生長(zhǎng)SiGe或者Ge的外延層；步驟3用激光對(duì)外延層進(jìn)行退火處理，在外延層上得到SiGe或Ge量子點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101378016SQ20071012107
公開日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月29日
發(fā)明者余金中, 曾玉剛, 韓根全 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所