一種對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，包括：選擇鍺片，將鍺片置于丙酮和乙醇溶液中分別進行超聲清洗，去除鍺片表面的有機污染物；采用鹽酸溶液和去離子水對鍺片進行清洗，去掉殘留在鍺片表面的不規(guī)整的本征氧化鍺薄膜和金屬離子；將鍺片置于雙氧水和氨水混合溶液中進行清洗，使得在鍺片表面產(chǎn)生一層鍺的氧化物薄膜作為犧牲層，從而去除鍺片表面的缺陷；采用鹽酸溶液對鍺片進行鈍化處理，從而用氯原子修飾鍺表面的懸掛鍵，獲得穩(wěn)定的鍺表面。本發(fā)明提供的鍺表面清洗與鈍化的方法，具有操作簡單、使用方便、成本低廉、鈍化效果明顯等優(yōu)點。
【專利說明】一種對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，屬于半導體電子材料與器件制造【技術領域】。
【背景技術】
[0002]半導體技術作為信息產(chǎn)業(yè)的核心和基礎，是衡量一個國家科學技術進步和綜合國力的重要標志。在過去的40多年中，硅基集成技術遵循摩爾定律通過縮小器件的特征尺寸來提高器件的工作速度、增加集成度以及降低成本，硅基CMOS器件的特征尺寸已經(jīng)由微米尺度縮小到納米尺度。然而當MOS器件的柵長縮小到90納米以下，柵介質(zhì)(二氧化硅)的厚度已經(jīng)逐漸減小到接近I納米，關態(tài)漏電增加、功耗密度增大、遷移率退化等物理極限使器件性能惡化，傳統(tǒng)硅基微電子集成技術開始面臨米自物理與技術方面的雙重挑戰(zhàn)。
[0003]從材料方面來說，采用高遷移率材料替代傳統(tǒng)硅材料作為襯底材料將是半導體集成技術的重要發(fā)展方向。因為鍺(Ge)的空穴遷移率1900cm2 / V*s和電子遷移率3900cm2 / V *s都顯著高于硅材料，此外，鍺(Ge)有更小的禁帶寬度，所以鍺器件的開啟電壓要比硅小。盡管鍺是未來微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向，但在開發(fā)鍺基MOSFET時仍需克服一些障礙。因為鍺性質(zhì)不穩(wěn)定，鍺晶圓表面清洗得到潔凈的表面暴露在空氣中容易再次氧化，所以鍺的表面鈍化必不可少，鈍化可以修飾襯底表面的懸掛鍵，從而改善材料表面特性。
[0004]傳統(tǒng)的利用氫氟酸(HF)溶液處理硅表面得到良好的特性，但是將同樣的方案移植到鍺(Ge)表面卻不能得到理想的效果。首先，HF溶液的極性很強，在表面刻蝕的過程中可能會破壞襯底表面的形貌；另外，HF溶液不能較好的清除表面的氧化物，殘存在表面的氧化物使得在處理過程中表面懸掛鍵不能被很好的修飾；最后，HF溶液處理后，在鍺片表面形成了 Ge-H鍵，它暴露在空氣中很短時間就會再次被氧化得到GeOx層，再次對清洗后潔凈的鍺表面造成污染。而且，由于Ge-H的鍵能較小，在工藝過程中受熱易發(fā)生斷裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用鹽酸溶液對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，通過控制鹽酸的濃度及處理的時間，以有效的清除鍺表面的金屬離子以及氧化物雜質(zhì)，同時對表面起到良好的鈍化作用。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，該方法包括:
[0009]步驟1:選擇鍺片，將鍺片置于丙酮和乙醇溶液中分別進行超聲清洗，去除鍺片表面的有機污染物；
[0010]步驟2:采用鹽酸溶液和去離子水對鍺片進行清洗，去掉殘留在鍺片表面的不規(guī)整的本征氧化鍺薄膜和金屬離子；[0011]步驟3:將鍺片置于雙氧水和氨水混合溶液中進行清洗，使得在鍺片表面產(chǎn)生一層鍺的氧化物薄膜作為犧牲層，從而去除鍺片表面的缺陷；
[0012]步驟4:采用鹽酸溶液對鍺片進行鈍化處理，從而用氯原子修飾鍺表面的懸掛鍵，獲得穩(wěn)定的鍺表面。
[0013]上述方案中，步驟I中所述鍺片為晶面為(100)、(110)或(111)的鍺片，或者為硅基外延鍺，或者為絕緣層上生長鍺。
[0014]上述方案中，步驟2和步驟4中所述的鹽酸溶液，均由密度為1.19克每立方厘米，質(zhì)量百分數(shù)為38.3%的分析純鹽酸為原料進行混合配制而成。
[0015]上述方案中，步驟2中所述的鹽酸溶液濃度體積百分數(shù)不超過30%，步驟4中所述的鹽酸溶液濃度質(zhì)量百分數(shù)介于1% -38.3%之間。
[0016]上述方案中，步驟2中所述的采用鹽酸溶液和去離子水對鍺片進行清洗，時間在I分鐘至3分鐘；步驟4中所述的采用鹽酸溶液對鍺片進行鈍化處理，時間在5分鐘至120分鐘。
[0017]上述方案中，步驟2中所述的采用鹽酸溶液和去離子水對鍺片進行清洗及步驟4中所述的采用鹽酸溶液對鍺片進行鈍化處理，是在O —100攝氏度范圍內(nèi)進行。
[0018](三)有益效果
[0019]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0020]1、本發(fā)明提供的這種對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，使用不同濃度的鹽酸溶液對鍺片進行長時間處理，使鍺片表面形成了一層氯(Cl)的終端鈍化其表面懸掛鍵，形成的Ge-Cl鍵相比Ge-H鍵在空氣中更加穩(wěn)定，可以更長時間的阻擋空氣中氧氣對潔凈鍺表面的氧化，在工藝過程中Ge-Cl鍵比Ge-H鍵對溫度有更高的承受能力，因此能夠改善既有的利用氫氟酸對鍺片處理的一些不足；同時通過控制鹽酸的濃度及處理的時間，可以有效的清除鍺表面的金屬離子以及氧化物雜質(zhì)，同時對表面起到良好的鈍化作用。
[0021]2、本發(fā)明提供的這種對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，成本低廉，操作簡單方便，并可得到去除了表面金屬離子及氧化物雜質(zhì)的平整且更為穩(wěn)定的鍺界面。
[0022]3、本發(fā)明提供的這種對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，經(jīng)過鹽酸溶液清洗和表面鈍化后的鍺片，在室溫下暴露在空氣中可保持長時間的穩(wěn)定，可超過20分鐘不被氧化。
[0023]4、本發(fā)明提供的這種對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，在鹽酸處理后的鍺片上沉積柵介質(zhì)后，在室溫至380攝氏度區(qū)間范圍內(nèi)后金屬退火，在界面處由HCl處理形成的Ge-Cl鍵均能保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生斷裂。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明提供的這種對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法流程圖；
[0025]圖2為本發(fā)明中經(jīng)過鹽酸溶液處理后的Ge襯底或者含有Ge薄膜的襯底表面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為依照本發(fā)明實施例的對Ge (110)襯底進行清洗及表面鈍化的方法流程圖；
[0027]圖4為依照本發(fā)明實施例的對Ge (110)襯底進行清洗及表面鈍化的工藝流程圖；
[0028]圖5為依照本發(fā)明實施例的Ge (110)襯底經(jīng)HCl溶液處理后的C12pX射線光電子能譜(XPS)。【具體實施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0030]如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的這種對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法流程圖，該方法包括以下步驟:
[0031]步驟1:選擇鍺片，將鍺片置于丙酮和乙醇溶液中分別進行超聲清洗，去除鍺片表面的有機污染物；
[0032]步驟2:采用鹽酸溶液和去離子水對鍺片進行清洗，去掉殘留在鍺片表面的不規(guī)整的本征氧化鍺薄膜和金屬離子；
[0033]步驟3:將鍺片置于雙氧水和氨水混合溶液中進行清洗，使得在鍺片表面產(chǎn)生一層鍺的氧化物薄膜作為犧牲層，從而去除鍺片表面的缺陷；
[0034]步驟4:采用鹽酸溶液對鍺片進行鈍化處理，從而用氯原子修飾鍺表面的懸掛鍵，獲得穩(wěn)定的鍺表面。
[0035]其中，步驟I中所述鍺片為晶面為(100)、(110)或(111)的鍺片，或者為硅基外延鍺，或者為絕緣層上生長鍺。
[0036]步驟2和步驟4中所述的鹽酸溶液，均由密度為1.19克每立方厘米，質(zhì)量百分數(shù)為38.3%的分析純鹽酸為原料進行混合配制而成。步驟2中所述的鹽酸溶液濃度體積百分數(shù)不超過30%，步驟4中所述的鹽酸溶液濃度質(zhì)量百分數(shù)介于1% -38.3%之間。步驟2中所述的采用鹽酸溶液和去離子水對鍺片進行清洗，時間在I分鐘至3分鐘；步驟4中所述的采用鹽酸溶液對鍺片進行鈍化處理，時間在5分鐘至120分鐘。步驟2中所述的采用鹽酸溶液和去離子水對鍺片進行清洗及步驟4中所述的采用鹽酸溶液對鍺片進行鈍化處理，是在O —100攝氏度范圍內(nèi)進行。
[0037]圖2示出了本發(fā)明中經(jīng)過鹽酸溶液處理后的Ge襯底或者含有Ge薄膜的襯底表面結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明采用鹽酸(HCl)溶液對鍺襯底進行清洗及鈍化，通過控制HCl溶液的濃度和處理鍺片的時間，從而得到去除了表面金屬離子和氧化物雜質(zhì)的平整且更為穩(wěn)定的鍺界面。同時在其表面形成一層氯(Cl)的終端鈍化其表面懸掛鍵，使鍺表面變得更為穩(wěn)定，在空氣中保持更長時間不被氧化，這為后續(xù)鍺基器件工藝制造奠定良好基礎。本發(fā)明提供的鍺表面清洗與鈍化的方法，具有操作簡單、使用方便、成本低廉、鈍化效果明顯等優(yōu)點。
[0038]基于圖1和圖2示出的本發(fā)明提供的對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，圖3和圖4示出了依照本發(fā)明實施例的對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法及工藝流程圖。
[0039]本實施例是選用Ge(IlO)襯底作為實驗對象，如圖4所示，未經(jīng)任何處理的鍺片401表面有一層很薄的不規(guī)整的本征GeOx薄膜402、金屬離子403，以及有機污染物404，其中金屬離子403包括金屬陽離子403a和金屬陰離子403b。
[0040]參照圖4及圖3步驟301所示，先將Ge(IlO)襯底置于丙酮和乙醇溶液中各超聲清洗10分鐘，再用N2吹干，從而得到去除了有機污染物404的Ge(IlO)襯底。
[0041]參照圖4及圖3步驟302所示，使用體積百分數(shù)為20% HCl溶液60秒和去離子水30秒循環(huán)清洗3次，從而去掉了殘留在襯底表面的不規(guī)整的本征GeOx薄膜402和金屬離子403，得到仍還有缺陷405的Ge (110)襯底，其中金屬離子403包括金屬陽離子403a和金屬陰離子403b。
[0042]參照圖4及圖3步驟303所示，將襯底放入H2O2: NH3.H2O: H2O(體積比為2:1: 100)混合溶液中清洗I分鐘，使得在鍺片表面產(chǎn)生一層很薄的氧化物犧牲層406，以進一步去除表面質(zhì)量不好的鍺缺陷。
[0043]參照圖4及圖3步驟304所示，使用去離子水30秒循環(huán)清洗3次，再用N2吹干，以清洗表面殘留步驟303中的混合清洗液。
[0044]參照圖4及圖3步驟305所示，利用體積百分數(shù)為30% HCl溶液將鍺片處理10分鐘，將鍺片表面鈍化，從而用氯(Cl)原子修飾鍺表面的懸掛鍵，獲得穩(wěn)定的鍺表面407。
[0045]當然，所選HCl溶液的濃度以及對鍺片的處理時間并不局限于此，本領域的技術人員還可以根據(jù)需要，使用其他濃度的HCl溶液將鍺片處理不同的時間。優(yōu)選的，HCl溶液的濃度質(zhì)量百分數(shù)在10% -38.3%之間，處理時間保持在5 —120分鐘，由此可以更好地對鍺表面鈍化，得到更加穩(wěn)定平整的鍺表面。
[0046]最后，參照圖4及圖3步驟306所示，將鍺片用去離子水30秒循環(huán)清洗3次，N2吹干，去掉步驟305操作時殘留的HCl溶液，從而得到潔凈穩(wěn)定的鍺襯底。
[0047]圖5為Ge(IlO)襯底按照圖3步驟處理后得到的C12p XPS光譜，在198.7eV處有明顯的峰值出現(xiàn)，說明使用HCl對鍺片進行鈍化處理后有Cl原子的并入，從而對Ge表面的懸掛鍵起到很好的修飾作用。
[0048]優(yōu)選的，上述圖3及圖4所示操作流程均在室溫下進行。
[0049]經(jīng)圖3所示流程操作步驟處理后的鍺表面形成了一層氯(Cl)的終端鈍化其表面懸掛鍵。這樣，形成的Ge-Cl鍵101相比Ge-H鍵在空氣中更加穩(wěn)定，可以更長時間的阻擋空氣中氧氣對潔凈鍺表面的氧化。本方案所采用的鍺片清洗與表面鈍化的新方法，在室溫下暴露在空氣中可保持較長時間的穩(wěn)定，可超過20分鐘不被氧化，這相比用HF酸處理后的鍺表面穩(wěn)定性有顯著提高。
[0050]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，其特征在于，該方法包括: 步驟1:選擇鍺片，將鍺片置于丙酮和乙醇溶液中分別進行超聲清洗，去除鍺片表面的有機污染物； 步驟2:采用鹽酸溶液和去離子水對鍺片進行清洗，去掉殘留在鍺片表面的不規(guī)整的本征氧化鍺薄膜和金屬離子； 步驟3:將鍺片置于雙氧水和氨水混合溶液中進行清洗，使得在鍺片表面產(chǎn)生一層鍺的氧化物薄膜作為犧牲層，從而去除鍺片表面的缺陷； 步驟4:采用鹽酸溶液對鍺片進行鈍化處理，從而用氯原子修飾鍺表面的懸掛鍵，獲得穩(wěn)定的鍺表面。
2.根據(jù)權利要求1所述的對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，其特征在于，步驟I中所述鍺片為品面為(100)、(110)或(111)的鍺片，或者為硅基外延鍺，或者為絕緣層上生長鍺。
3.根據(jù)權利要求1所述的對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，其特征在于，步驟2和步驟4中所述的鹽酸溶液，均由密度為1.19克每立方厘米，質(zhì)量百分數(shù)為38.3%的分析純鹽酸為原料進行混合配制而成。
4.根據(jù)權利要求1所述的對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，其特征在于，步驟2中所述的鹽酸溶液濃度體積百分數(shù)不超過30%，步驟4中所述的鹽酸溶液濃度質(zhì)量百分數(shù)介于1% -38.3%之間。
5.根據(jù)權利要求1所述的對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，其特征在于，步驟2中所述的采用鹽酸溶液和去離子水對鍺片進行清洗，時間在I分鐘至3分鐘；步驟4中所述的采用鹽酸溶液對鍺片進行鈍化處理，時間在5分鐘至120分鐘。
6.根據(jù)權利要求1所述的對鍺片進行清洗及表面鈍化的方法，其特征在于，步驟2中所述的采用鹽酸溶液和去離子水對鍺片進行清洗及步驟4中所述的采用鹽酸溶液對鍺片進行鈍化處理，是在O—100攝氏度范圍內(nèi)進行。
【文檔編號】H01L21/02GK103681245SQ201310737833
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權日:2013年12月26日
【發(fā)明者】王盛凱, 楊旭, 劉洪剛, 孫兵, 常虎東, 趙威 申請人:中國科學院微電子研究所