引言

有應(yīng)變和無(wú)應(yīng)變的絕緣體上鍺(GOI)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管因其高空穴遷移率和低寄生電容而引起了人們對(duì)其作為未來(lái)高性能金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管之一的強(qiáng)烈興趣。為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的(應(yīng)變的)GOI溝道層，在GOI或絕緣體上硅鍺(SGOI)襯底上外延生長(zhǎng)鍺是一種很有前途的技術(shù)。GOI和SGOI襯底的表面清潔是獲得所需溝道層的最重要問(wèn)題之一。另一方面，在清洗具有薄半導(dǎo)體層的襯底如SOI襯底時(shí)，已知必須降低退火溫度以防止表面粗糙化。因此，GOI襯底的清洗溫度上限可以認(rèn)為是大約500℃或更低。然而，傳統(tǒng)的高頻蝕刻不適合在薄(S)GOI表面清潔中與這樣的低溫工藝結(jié)合，因?yàn)槿コ龤埩綦s質(zhì)的能力不足。因此，對(duì)于(S)GOI基底強(qiáng)烈要求更有效的濕法清洗工藝。

在本報(bào)告中，提出了一種針對(duì)GOI和富鍺SGOI表面優(yōu)化的有效濕法清洗工藝，該工藝可與低溫?zé)崆逑聪嘟Y(jié)合。此外，還演示了使用這種清洗方法在(S)GOI襯底上外延生長(zhǎng)(應(yīng)變)鍺層。

實(shí)驗(yàn)

(S)?????? 采用鍺縮凝工藝制備了厚度為25-30nm、有效成分xeff分別為0.5、0.6和1.0的GOI底物。這里，有效成分意味著假定完全松弛SiGe晶體的SiGe層的平面內(nèi)鍺成分。這些(S)GOI襯底和體鍺襯底被用于檢查清洗過(guò)程。用稀釋的HF溶液去除Ge冷凝過(guò)程中形成的二氧化硅層后，將(S)GOI底物在稀釋的銨根OH溶液中浸泡2分鐘，以去除剩余的金屬和有機(jī)材料，并在超純水中沖洗5分鐘。隨后將它們浸入各種酸溶液(氫氟酸、鹽酸、溴化氫和它們的混合溶液)中以清潔它們的表面。浸漬時(shí)間為2分鐘，除非另有說(shuō)明。濕法清洗后，在化學(xué)氣相沉積室中，在700帕的氫氣氣氛中，在400℃至600℃的各種溫度下，對(duì)GOI襯底進(jìn)行熱退火。隨后，在相同的化學(xué)氣相沉積室中，使用鍺四作為源氣體，在這些(硫)GOI襯底上生長(zhǎng)鍺層。生長(zhǎng)溫度從300℃到400℃，生長(zhǎng)壓力從1帕到100帕。用x光電子能譜(XPS)和熱脫附譜(TDS)對(duì)化學(xué)清洗后的襯底表面進(jìn)行了分析。分別用透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡觀察了樣品的結(jié)構(gòu)和表面形貌。用面外和面內(nèi)X射線衍射測(cè)量了鍺的組成和弛豫比。

結(jié)果和討論

GOI基板的熱清洗-氫烘焙：

首先，評(píng)估熱清洗的溫度上限。用原子力顯微鏡測(cè)量的和鍺襯底的均方根值(@ 10米*10米)隨焙燒溫度的變化如圖1所示。即使清洗溫度升至600攝氏度，鍺塊表面也不會(huì)出現(xiàn)表面粗糙現(xiàn)象。然而，當(dāng)溫度高于450攝氏度時(shí)，GOI層的表面會(huì)變得更加粗糙。已經(jīng)證實(shí)，GOI襯底的熱清洗上限低于鍺體襯底。因此，在濕法清洗過(guò)程中，非常需要更有效地去除殘留的表面氧化物和雜質(zhì)。

圖1 薄GOI襯底和鍺襯底均方根值隨氫烘烤溫度的變化

鍺表面的濕法清洗：

接下來(lái)，優(yōu)化濕法清洗工藝。各種濕法清洗后鍺襯底的鍺-三維XPS光譜如圖2所示。這些樣品的光電子發(fā)射角設(shè)置為30°，以增強(qiáng)來(lái)自表面的信號(hào)。如前所述，GeO2和GeOx (x<2)可以被HBr溶液最有效地蝕刻。然而，在我們的實(shí)驗(yàn)中，如圖3 (a)所示，在HBr蝕刻后，在大氣中保持約30分鐘的鍺表面上產(chǎn)生了顆粒狀產(chǎn)物，盡管在HBr蝕刻后的表面上沒(méi)有觀察到它們。證實(shí)了這些顆粒狀產(chǎn)物不歸因于HBr溶液，因?yàn)樗鼈儧](méi)有出現(xiàn)在HBr處理的二氧化硅表面上。此外，原子力顯微鏡證實(shí)它們的尺寸和密度隨著時(shí)間的推移而增加。結(jié)果，由于不穩(wěn)定的表面終止，顆粒狀產(chǎn)物可能是蝕刻過(guò)程后產(chǎn)生的任何產(chǎn)物。另一方面，HF+HCl溶液可以像HBr溶液一樣有效地蝕刻GeO2和GeOx (x<2)，而沒(méi)有顆粒狀產(chǎn)物和表面粗糙化。因此，它被認(rèn)為HF+HCl刻蝕是去除外延前處理剩余氧化物的最合適方法。

GOI襯底上鍺同質(zhì)外延生長(zhǎng)：

在HF+基質(zhì)被HCl清洗并在450℃的H2中烘烤后，Ge層在400℃的GOI基質(zhì)上外延生長(zhǎng)。這里，由不同溶液清洗的襯底被一起裝載到沉積室中，并且鍺層同時(shí)在其上生長(zhǎng)。在HF清洗的GOI襯底上的鍺層的表面上觀察到許多凹坑，這些凹坑被認(rèn)為是由GOI襯底上剩余的表面氧化物形成的，而具有平坦表面的鍺層生長(zhǎng)在HF+HCl清洗的GOI襯底上。由此發(fā)現(xiàn)，HF+HCl清洗是最適合的濕式清洗方法，可以與低溫?zé)崆逑聪嘟Y(jié)合。

SGOI襯底上的應(yīng)變鍺外延生長(zhǎng)：

最后，證明了利用上述方法在薄SGOI襯底上外延生長(zhǎng)應(yīng)變鍺層。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為了避免表面粗糙化，與晶格匹配襯底上的情況相比，在晶格不匹配襯底上的外延中需要降低生長(zhǎng)溫度。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在低于325℃的生長(zhǎng)溫度下可以獲得具有平坦表面的應(yīng)變鍺層。如圖7所示：

?圖7 生長(zhǎng)在SGOI (Xeff = 0.6)襯底上的10納米厚應(yīng)變鍺層的均方根值隨生長(zhǎng)溫度的變化

通過(guò)XTEM圖像和面內(nèi)XRD測(cè)量還發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變鍺層在300℃下成功地生長(zhǎng)在SGOI襯底上而沒(méi)有晶格弛豫，而在325℃下生長(zhǎng)的同樣具有平坦表面的鍺層由于更高的生長(zhǎng)溫度而部分弛豫，如表1所示。因此，通過(guò)采用HF+HCl清洗、低溫H2烘烤和低溫鍺外延相結(jié)合的方法，成功地制造了應(yīng)變GOI襯底。

總結(jié)

總之，我們提出了一種有效的表面清潔工藝，該工藝針對(duì)在GOI和富鍺復(fù)合SGOI襯底上的低溫外延生長(zhǎng)進(jìn)行了優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，HF+HCl清洗是最適合在薄GOI層上生長(zhǎng)外延膜的濕法清洗方法，需要低于450℃的熱清洗溫度。最后，通過(guò)將這些濕法和熱清洗工藝應(yīng)用于薄的SGOI起始襯底，已經(jīng)證明了應(yīng)變GOI結(jié)構(gòu)的成功形成。


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