用于Ge外延生长的GOI和SGOI衬底的表面清洁研究

引言

有应变和无应变的绝缘体上锗(GOI)金属氧化物半导体场效应晶体管因其高空穴迁移率和低寄生电容而引起了人们对其作为未来高性能金属氧化物半导体场效应晶体管之一的强烈兴趣。为了实现高质量的(应变的)GOI沟道层，在GOI或绝缘体上硅锗(SGOI)衬底上外延生长锗是一种很有前途的技术。GOI和SGOI衬底的表面清洁是获得所需沟道层的最重要问题之一。另一方面，在清洗具有薄半导体层的衬底如SOI衬底时，已知必须降低退火温度以防止表面粗糙化。因此，GOI衬底的清洗温度上限可以认为是大约500℃或更低。然而，传统的高频蚀刻不适合在薄(S)GOI表面清洁中与这样的低温工艺结合，因为去除残留杂质的能力不足。因此，对于(S)GOI基底强烈要求更有效的湿法清洗工艺。

在本报告中，提出了一种针对GOI和富锗SGOI表面优化的有效湿法清洗工艺，该工艺可与低温热清洗相结合。此外，还演示了使用这种清洗方法在(S)GOI衬底上外延生长(应变)锗层。

实验

(S)       采用锗缩凝工艺制备了厚度为25-30nm、有效成分xeff分别为0.5、0.6和1.0的GOI底物。这里，有效成分意味着假定完全松弛SiGe晶体的SiGe层的平面内锗成分。这些(S)GOI衬底和体锗衬底被用于检查清洗过程。用稀释的HF溶液去除Ge冷凝过程中形成的二氧化硅层后，将(S)GOI底物在稀释的铵根OH溶液中浸泡2分钟，以去除剩余的金属和有机材料，并在超纯水中冲洗5分钟。随后将它们浸入各种酸溶液(氢氟酸、盐酸、溴化氢和它们的混合溶液)中以清洁它们的表面。浸渍时间为2分钟，除非另有说明。湿法清洗后，在化学气相沉积室中，在700帕的氢气气氛中，在400℃至600℃的各种温度下，对GOI衬底进行热退火。随后，在相同的化学气相沉积室中，使用锗四作为源气体，在这些(硫)GOI衬底上生长锗层。生长温度从300℃到400℃，生长压力从1帕到100帕。用x光电子能谱(XPS)和热脱附谱(TDS)对化学清洗后的衬底表面进行了分析。分别用透射电子显微镜和原子力显微镜观察了样品的结构和表面形貌。用面外和面内X射线衍射测量了锗的组成和弛豫比。

结果和讨论

GOI基板的热清洗-氢烘焙：

首先，评估热清洗的温度上限。用原子力显微镜测量的和锗衬底的均方根值(@ 10米*10米)随焙烧温度的变化如图1所示。即使清洗温度升至600摄氏度，锗块表面也不会出现表面粗糙现象。然而，当温度高于450摄氏度时，GOI层的表面会变得更加粗糙。已经证实，GOI衬底的热清洗上限低于锗体衬底。因此，在湿法清洗过程中，非常需要更有效地去除残留的表面氧化物和杂质。

图1 薄GOI衬底和锗衬底均方根值随氢烘烤温度的变化

锗表面的湿法清洗：

接下来，优化湿法清洗工艺。各种湿法清洗后锗衬底的锗-三维XPS光谱如图2所示。这些样品的光电子发射角设置为30°，以增强来自表面的信号。如前所述，GeO2和GeOx (x<2)可以被HBr溶液最有效地蚀刻。然而，在我们的实验中，如图3 (a)所示，在HBr蚀刻后，在大气中保持约30分钟的锗表面上产生了颗粒状产物，尽管在HBr蚀刻后的表面上没有观察到它们。证实了这些颗粒状产物不归因于HBr溶液，因为它们没有出现在HBr处理的二氧化硅表面上。此外，原子力显微镜证实它们的尺寸和密度随着时间的推移而增加。结果，由于不稳定的表面终止，颗粒状产物可能是蚀刻过程后产生的任何产物。另一方面，HF+HCl溶液可以像HBr溶液一样有效地蚀刻GeO2和GeOx (x<2)，而没有颗粒状产物和表面粗糙化。因此，它被认为HF+HCl刻蚀是去除外延前处理剩余氧化物的最合适方法。

GOI衬底上锗同质外延生长：

在HF+基质被HCl清洗并在450℃的H2中烘烤后，Ge层在400℃的GOI基质上外延生长。这里，由不同溶液清洗的衬底被一起装载到沉积室中，并且锗层同时在其上生长。在HF清洗的GOI衬底上的锗层的表面上观察到许多凹坑，这些凹坑被认为是由GOI衬底上剩余的表面氧化物形成的，而具有平坦表面的锗层生长在HF+HCl清洗的GOI衬底上。由此发现，HF+HCl清洗是最适合的湿式清洗方法，可以与低温热清洗相结合。

SGOI衬底上的应变锗外延生长：

最后，证明了利用上述方法在薄SGOI衬底上外延生长应变锗层。实验发现，为了避免表面粗糙化，与晶格匹配衬底上的情况相比，在晶格不匹配衬底上的外延中需要降低生长温度。结果，发现在低于325℃的生长温度下可以获得具有平坦表面的应变锗层。如图7所示：

​图7 生长在SGOI (Xeff = 0.6)衬底上的10纳米厚应变锗层的均方根值随生长温度的变化

通过XTEM图像和面内XRD测量还发现，应变锗层在300℃下成功地生长在SGOI衬底上而没有晶格弛豫，而在325℃下生长的同样具有平坦表面的锗层由于更高的生长温度而部分弛豫，如表1所示。因此，通过采用HF+HCl清洗、低温H2烘烤和低温锗外延相结合的方法，成功地制造了应变GOI衬底。

总结

总之，我们提出了一种有效的表面清洁工艺，该工艺针对在GOI和富锗复合SGOI衬底上的低温外延生长进行了优化。研究发现，HF+HCl清洗是最适合在薄GOI层上生长外延膜的湿法清洗方法，需要低于450℃的热清洗温度。最后，通过将这些湿法和热清洗工艺应用于薄的SGOI起始衬底，已经证明了应变GOI结构的成功形成。


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