鄧海量，楊 帆，張軒雄，

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093;2.中國科學(xué)院 微電子研究所，北京 100029)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，器件尺寸的不斷縮小和芯片面積的增加，導(dǎo)致現(xiàn)有的硅材料［1］和硅工藝已經(jīng)接近硅的物理極限，已無法滿足集成電路的要求，同時(shí)在現(xiàn)代集成電路應(yīng)用中體硅材料出現(xiàn)一系列的問題，譬如硅MOS 電路中的閂鎖效應(yīng)、漏源區(qū)的寄生電容、易形成淺結(jié)［2］等。因此，影響了半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性和應(yīng)用，絕緣體上的硅［3］(Silicon on Insulator)SOI是在頂層硅與襯底之間引入了一層埋氧層，作為全介質(zhì)隔離結(jié)構(gòu)，SOI 材料具有硅材料無法比擬的優(yōu)越性，消除了硅的CMOS 電路的寄生通道。然而隨著摩爾定律的延續(xù)，科研人員不得不考慮將具有更高遷移率的材料引入到場效應(yīng)管中。由于鍺材料［4］具有較高的空穴遷移率和電子遷移率，基于鍺材料的MOS 場效應(yīng)晶體管受到研究人員不斷關(guān)注和研究，同時(shí)鍺材料可兼容現(xiàn)有成熟的硅工藝平臺(tái)技術(shù)，但Ge 的禁帶寬度為0.66 eV，存在著較大漏電風(fēng)險(xiǎn)，不易于在集成電路中應(yīng)用。

科研人員想到利用類似于SOI 結(jié)構(gòu)的GeOI［5］(Germanium－on－Insulator)結(jié)構(gòu)來抑制漏電，同時(shí)能克服Ge 材料的缺點(diǎn)。智能剝離技術(shù)［6］(Smart－cut)是近年來用于制備GeOI 晶片常用的方法之一。如圖1所示為Smart－cut 制備GeOI 晶片的工藝流程圖，其原理是向一個(gè)Ge 片中注入H 離子［7］，然后在低溫下與另一塊通過熱生長方法在表面生長氧化層SiO2的Si 片對(duì)粘起來形成鍵合片，鍵合完成后將鍵合片加熱退火處理，使Ge 片內(nèi)的氣泡層氣體膨脹產(chǎn)生壓力，隨著壓力的不斷增大達(dá)到臨界值時(shí)，注入氫的Ge［8－9］片會(huì)在氣泡層脫離下來并與表面生長SiO2的襯底Si片結(jié)合在一起形成GeOI 晶片，從而實(shí)現(xiàn)鍺的薄層轉(zhuǎn)移［10］。因?yàn)樵摲椒ㄉa(chǎn)出來的產(chǎn)品質(zhì)量好，頂層膜的厚度可根據(jù)注入離子的能量來控制，能滿足大規(guī)模集成電路技術(shù)的使用。要想制備出符合器件制作要求的高質(zhì)量GeOI 晶圓片，需要對(duì)制備過程、制備條件等做大量的研究，還需要進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。在GeOI 材料的制備過程中，由于在晶圓裂片(Splitting)后需要對(duì)表層Ge 進(jìn)行平整化，同時(shí)去除由于H 離子注入所造成的表面損傷，因此需化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。故本研究是對(duì)Splitting 后的GeOI 晶片進(jìn)行濕法化學(xué)腐蝕，探討濕法化學(xué)腐蝕對(duì)GeOI 上層薄膜(Ge 膜)表面粗糙度的影響。同時(shí)，觀察非晶層的去除狀況，為制備高質(zhì)量的GeOI 晶片提供參考。

圖1 智能剝離技術(shù)的工藝流程

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用直徑50 mm 的P 型(100)拋光Ge 片，Ge 片經(jīng)清洗后去除表面的雜質(zhì)，然后向Ge 片中注入能量為100 keV 劑量為3.5×1016cm－2的H 離子，注入時(shí)離子偏離法線7°用于避免溝道效應(yīng);N 型Si 片表面生長一層厚度300 nm 致密氧化層，將Ge 片與表面生長SiO2層的Si 片在低溫下形成鍵合，然后再將鍵合片放在爐管中以3 ℃/min 加熱到270 ℃保溫40 h 后退火處理，退火處理后使Ge 片從微腔層發(fā)生剝離現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鍵合片在H+射程Rp 附近分離(Splitting)，出現(xiàn)Ge 片表層薄膜轉(zhuǎn)移到SiO2片上，形成GeOI。GeOI 制備好后將樣品切割成兩塊，分別編號(hào)為樣品A、樣品B，樣品A 清洗后未對(duì)其進(jìn)行操作，樣品B 清洗后在室溫條件下浸泡在用配置好的溶液NH3H2O:H2O2:H2O(1∶2∶200)中進(jìn)行腐蝕，腐蝕1 min后，然后用去離子水清洗干凈樣品B 表面，清洗完成后用蔡司光學(xué)顯微鏡(OM)型號(hào)為imager.M2 觀察Splitting 后Ge 表面形貌，用原子力顯微鏡(AFM)測試表面粗糙度，用透射電鏡(TEM)觀察GeOI 的鍵合界面和Ge 表層的晶格像。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

為確定晶圓剝離溫度，文中對(duì)不同劑量的H 離子注入Ge 晶圓退火后所發(fā)生的起泡(Blistering)動(dòng)力學(xué)做了研究，研究表明，Ge 材料動(dòng)力學(xué)曲線從低溫到高溫轉(zhuǎn)折方向和其他材料相反，如圖2 所示，Ge 表面起泡過程中，氣泡內(nèi)部的H 來自于注入時(shí)產(chǎn)生缺陷復(fù)合物的解析，解析過程按照結(jié)合能的大小，H 逐漸從缺陷復(fù)合物中釋放出來，同時(shí)復(fù)合物的解離過程處于一種競爭機(jī)制下，當(dāng)劑量比較高時(shí)，兩種競爭機(jī)制會(huì)出現(xiàn)一定的融合。

H 離子注入Ge 片后，會(huì)在離子注入射程附近產(chǎn)生大量的缺陷，同時(shí)因?yàn)镠 離子注入后會(huì)使Ge 片在H離子射程附近兩邊產(chǎn)生大量的非晶區(qū)，所以文中在利用智能剝離技術(shù)時(shí)需要考慮離子注入與低溫鍵合以及它們之間的相互影響，找到溫度和退火時(shí)間的最佳組合，這就是動(dòng)力學(xué)曲線的意義。此時(shí)如果樣品鍵合在襯底片上，隨著退火時(shí)間的增加，裂紋不斷地橫向擴(kuò)張直至整個(gè)發(fā)生斷裂從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移層。

圖2 不同劑量的H 離子注入Ge 片的動(dòng)力學(xué)曲線

根據(jù)起泡動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)果，用智能剝離技術(shù)(Smart－cut)制備出的GeOI 樣品首先用光學(xué)顯微鏡觀察樣品表面的形貌，樣品A(未經(jīng)腐蝕)即為沒做過任何處理的GeOI 晶圓的光學(xué)顯微鏡圖像，如圖3 所示，未經(jīng)過任何處理的樣品A 表面有明顯的連續(xù)起伏坡面同時(shí)有明顯的紋路，由此得出經(jīng)智能剝離技術(shù)(Smart－cut)制備出的GeOI 晶圓轉(zhuǎn)移Ge 層(Splitting)表面相對(duì)比較粗糙。

圖3 樣品表面的光學(xué)顯微鏡圖像

為了能直觀觀察濕法化學(xué)腐蝕對(duì)樣品的表面粗糙度的影響，文中用原子力顯微鏡(AFM)對(duì)樣品A 和樣品B 的表面進(jìn)行觀察，如圖4 所示，樣品A 樣品表面粗糙度為13.277 nm，粗糙度較大，由3D 圖可看到樣品A表面不平穩(wěn)，高低不平，起伏變化比較大;有許多凸出的尖端比其他部分多;樣品B 粗糙度為9.236 nm，相對(duì)樣品A 粗糙度要小，由3D 圖可看到樣品B 表面尖端凸出的部分已被腐蝕，表面比較平穩(wěn)、高度起伏變化小。

圖4 樣品原子力顯微鏡(AFM)圖像

證實(shí)了化學(xué)濕法腐蝕能夠使GeOI 晶圓的表面粗糙度降低。同時(shí)為了清楚濕法化學(xué)腐蝕對(duì)GeOI 晶片微結(jié)構(gòu)的影響，還對(duì)是否能去除GeOI 轉(zhuǎn)移Ge 層非晶帶做進(jìn)一步的驗(yàn)證，通過對(duì)樣品B 進(jìn)行制樣，在透射電鏡(TEM)下對(duì)其截面進(jìn)行觀察，如圖5 所示，GeOI晶片分層比較明顯，上層為Ge 層，中間為埋氧層SiO2，底層為Si 片，經(jīng)過濕法化學(xué)腐蝕過后表面平整，上層Ge膜厚度均勻，埋氧層SiO2層致密，Ge 與SiO2層、SiO2與襯底Si 層上下界面的陡直、界面清晰。再通過高分辨透射電鏡(HRTEM)文中對(duì)樣品B 的轉(zhuǎn)移Ge 層晶體質(zhì)量Ge 與SiO2層界面做進(jìn)一步的觀察，圖5 中箭頭所指分別為轉(zhuǎn)移Ge 層晶體質(zhì)量圖像和Ge 片與SiO2埋氧層界面圖像，由圖可知頂層Ge 片晶格呈周期性排列，紋路清晰，晶格質(zhì)量完好，沒有觀察到非晶態(tài)的晶格出現(xiàn)，證實(shí)濕法化學(xué)腐蝕已將轉(zhuǎn)移Ge 層的非晶帶腐蝕掉，Ge 與SiO2層鍵合界面陡峭清晰可見，沒有觀察到缺陷的存在，鍵合界面完整，得到的GeOI 晶片質(zhì)量好。

圖5 樣品B 橫截面的TEM 圖像

相對(duì)與A 號(hào)樣品(未經(jīng)腐蝕)來說樣品B(濕法化學(xué)腐蝕過)轉(zhuǎn)移Ge 層表面發(fā)生了變化，這些變化的發(fā)生是由于樣品未腐蝕前，樣品表面起伏部位尖角處突出來較為明顯的部分，自由能較高，平坦的部位自由能低，經(jīng)NH3H2O:H2O2:H2O(1∶2∶200)溶液充分接觸反應(yīng)后，自由能高的地方先發(fā)生反應(yīng)，自由能低的地方不反應(yīng)或者反應(yīng)極慢，導(dǎo)致樣品表面凸出部位腐蝕速度比平坦部位要快的多，這樣會(huì)先對(duì)凸出部位進(jìn)行腐蝕，再對(duì)平坦部位腐蝕，當(dāng)腐蝕進(jìn)行一定時(shí)間后，凸出部位變得與平坦部位高度基本相同，表面不平整的地方經(jīng)過腐蝕反應(yīng)后變的平整，非晶帶經(jīng)過腐蝕反應(yīng)過后被去除掉，腐蝕反應(yīng)結(jié)束。所以得出GeOI 晶片經(jīng)過濕法化學(xué)腐蝕過后，晶片表面粗糙度降低、表面變得也更加平滑，同時(shí)轉(zhuǎn)移Ge 層表面非晶區(qū)已被去除。

4 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)可得到，化學(xué)腐蝕溶液NH3H2O:H2O2:H2O(1∶2∶200)與GeOI 晶片充分反應(yīng)過后，能使GeOI晶片的轉(zhuǎn)移Ge 薄層厚度以及表面粗糙度均有所降低，表面也變的更加的平滑，這對(duì)GeOI 晶片的研究起著重要作用。通過透射電鏡看到濕法化學(xué)腐蝕過后的GeOI 晶片分層明顯，表面平整，各界面處結(jié)構(gòu)陡峭、清晰，同時(shí)未能觀察到GeOI 晶片轉(zhuǎn)移Ge 層非晶帶區(qū)域(已被腐蝕掉)，轉(zhuǎn)移Ge 層晶格質(zhì)量完好。因此，可得出采取濕法化學(xué)腐蝕方法不僅能去除GeOI 晶片轉(zhuǎn)移Ge 層的非晶帶，同時(shí)也能降低轉(zhuǎn)移Ge 層表面的粗糙度，且其對(duì)GeOI 晶片質(zhì)量提高有所幫助。

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