CN104269347A - 锗薄膜的减薄方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锗薄膜的减薄方法，包括以下步骤：提供表面为锗薄膜的晶片；将晶片浸于包括氧化剂的水溶液中以进行锗薄膜的减薄，其中氧化剂将锗转化为锗氧化物，锗氧化物溶解在水溶液中；对减薄后的晶片进行清洗。本发明实施例的锗薄膜的减薄方法具有成本低、操作简便的优点，此外，与现有化学机械抛光减薄相比，具有可以通过控制溶液的配比以及温度，使得腐蚀减薄速率可控、减薄后表面粗糙度小的优点。

Description

锗薄膜的减薄方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺领域，具体涉及一种锗薄膜的减薄方法。
背景技术
随着集成电路产业的发展，晶体管的特征尺寸已经缩小至纳米尺度，传统的硅基器件已经接近物理极限，高迁移率的沟道材料以及新的器件结构对集成电路产业的进一步发展至关重要。半导体锗具有较高的电子和空穴迁移率，有望代替Si以实现极小尺寸的高性能晶体管。绝缘体上锗(Ge On Insulator，GeOI)，特别是超薄GeOI，作为一种新型的衬底材料，兼有锗高迁移率以及绝缘体上衬底材料低漏电流、低寄生电容的优势，在超高速、低功耗集成电路中具有广阔的应用前景。根据现有的GeOI制备技术，直接制备超薄(＜10nm)的GeOI衬底仍具有挑战性，在应用中为了获得合适的Ge薄膜厚度，需要对GeOI进行减薄。现有技术中通常采用化学机械抛光这种方法来减薄，但这种方法很难做到纳米级的控制，尤其是当GeOI中的Ge薄膜需要控制到10nm左右的厚度时，腐蚀减薄速率均太快、可控性差并且粗糙度太高，不适于纳米尺度工艺中的应用，因此采用一种能够准确控制GeOI中锗薄膜的厚度以及粗糙度的腐蚀方法对于GeOI的应用至关重要。在专利201110399350.6中通过向锗衬底上沉积二氧化锗，加热锗使之与二氧化锗在真空或保护气氛中反应，生成易挥发的一氧化锗，从而实现锗层的减薄，该方法操作较复杂且成本较高。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决工艺复杂、成本高、可控性差等技术问题。为此，本发明的目的在于提出一种简便易行、可控性好的锗薄膜的减薄方法。
有鉴于此，根据本发明实施例的锗薄膜的减薄方法，可以包括以下步骤：提供表面为锗薄膜的晶片；将所述晶片浸于包括氧化剂的水溶液中以进行锗薄膜的减薄，其中所述氧化剂将锗转化为锗氧化物，锗氧化物溶解在水溶液中；对减薄后的所述晶片进行清洗。
通过本发明实施例的锗薄膜的减薄方法，与现有技术相比具有成本低、操作简便的优点，此外，与现有化学机械抛光减薄相比，具有可以通过控制溶液的配比以及温度，使得腐蚀减薄速率可控、减薄后表面粗糙度小的优点。
另外，根据本发明上述实施例的锗薄膜的减薄方法，还可具有如下附加的技术特征：
在本发明的一个实施例中，所述晶片为具有锗薄膜表面的硅衬底或者绝缘体上锗晶片。
在本发明的一个实施例中，锗薄膜的去除量为5-1000nm。
在本发明的一个实施例中，锗薄膜的腐蚀减薄速率小于10nm/min。
在本发明的一个实施例中，所述水溶液中氧化剂为过氧化氢或臭氧中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述过氧化氢的浓度为0.5-500mmol/L。
在本发明的一个实施例中，所述水溶液中还包括酸性试剂。
在本发明的一个实施例中，所述酸性试剂为盐酸、氢氟酸或硫酸中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述水溶液中还包括碱性试剂。
在本发明的一个实施例中，所述碱性试剂为氨水、氢氧化钠或氢氧化钾中一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述水溶液的使用温度为20-80℃。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的锗衬底的减薄方法的流程图。
图2为实施例中锗(100)单晶薄膜腐蚀前表面原子力显微镜图。
图3为实施例中锗(100)单晶薄膜的剩余厚度随腐蚀时间的变化曲线图。
图4为实施例中锗(100)单晶薄膜腐蚀7min后表面原子力显微镜图。
图5为锗(100)单晶薄膜衬底腐蚀后的TEM图像，左下至右上分别为SiO2层、Ge层以及样品制备中使用的胶层。
图6为实施例中不同配比的溶液对锗(100)单晶薄膜的腐蚀减薄速率的曲线图。
图7为实施例中不同温度下的溶液对锗(100)单晶薄膜衬底的腐蚀减薄速率的曲线图，其中溶液体积配比为H2O2:NH4OH:H2O＝1:2:1000。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，在本实例中设定的具腐蚀性的水溶液的组成及配比、腐蚀温度以及操作细节旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1为本发明实施例的锗薄膜的减薄方法的流程图。如图1所示，该方法可以包括以下步骤：
A.提供表面为锗薄膜的晶片。
具体地，表面为锗薄膜的晶片可以为具有锗薄膜表面的硅衬底，或者绝缘体上锗晶片等等。表面的锗薄膜优选为单晶薄膜，晶面可为(100)、(110)或(111)等等。
可选地而非必须地，本步骤中还可以对晶片预清洗和干燥。预清洗过程通常包括有机溶剂清洗和无机酸清洗，目的在于除去晶片表面杂质。清洗所采用的有机溶剂可以是丙酮、甲醇、乙醇中的一种或多种组合；无机酸可以是盐酸、氢氟酸中的一种或二者的组合。随后采用去离子水清洗，以及采用洁净气流吹干。
B.将晶片浸于包括氧化剂的水溶液中以进行锗薄膜的减薄，其中氧化剂将锗转化为锗氧化物，锗氧化物溶解在水溶液中。
在本发明的一个实施例中，锗薄膜的腐蚀减薄速率小于10nm/min。锗薄膜的去除量为5-1000nm。本发明的腐蚀减薄速率可控，因此可以保证锗薄膜的去除量较小。
在本发明的一个实施例中，水溶液中氧化剂为高锰酸钾、重铬酸钾、过氧化氢或臭氧中的一种或多种。由于高锰酸钾、重铬酸钾可能会引起额外的沾污，因此优选采用过氧化氢或臭氧。氧化剂的浓度越低，腐蚀减薄速率越低，这样整个减薄过程具有可控性。其中，当氧化剂为过氧化氢时，过氧化氢的浓度为0.5-500mmol/L，优选0.2-100mmol/L。当氧化剂为臭氧时，由于臭氧在水中的溶解度有限(饱和浓度约为22mmol/L)，不会导致氧化速率过快，因此通常无需限定臭氧的浓度。
在本发明的一个实施例中，水溶液中还包括酸性试剂。酸性试剂可以为盐酸、氢氟酸或硫酸中的一种或多种。酸性试剂的作用是去除锗薄膜表面的金属杂质，同时防止减薄过程中表面的金属沾污。
在本发明的一个实施例中，水溶液中还包括碱性试剂，碱性试剂为氨水、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或多种。其中氨水不会带来金属沾污，为碱性试剂的优选物质。碱性试剂具有两方面作用：一是去除锗薄膜表面的颗粒沾污，二是加速锗氧化物的溶解。需要说明的是，由于碱性试剂可以与Ge直接反应，碱性试剂浓度太高会导致腐蚀减薄速率过快、继而导致减薄后表面不平整，因此需要对碱性试剂浓度进行合理控制，氧化剂的浓度稍高时腐蚀减薄过程的可靠性更好。
在本发明的一个实施例中，水溶液的使用温度为20-80℃。温度较高时，可以降低表面金属或颗粒沾污；温度较低时，腐蚀减薄过程更加平稳、速率可控。
C.对减薄后的晶片进行清洗。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，申请人进行了下面的实验：
实验1
(1)选择锗(100)单晶薄膜衬底，对衬底样品进行清洗以除去表面杂质。将待腐蚀的衬底浸泡在丙酮溶液中超声振荡清洗5分钟，去离子水清洗以及用氮气吹干；然后在体积分数为30％的盐酸溶液中浸泡60s，用去离子水清洗后用氮气吹干。
(2)用椭偏仪测试腐蚀前厚度，用原子力显微镜(AFM)测试腐蚀前的均方根粗糙度，测试结果如图2所示，样品均方根粗糙度为0.585nm。
(3)具有腐蚀性的水溶液配制及腐蚀。取去离子水2000ml、过氧化氢(30wt.％)2ml、氨水(25wt.％)4ml于烧杯中，混合均匀。然后将三个相同的锗(100)单晶薄膜衬底样品分别浸泡于上述配置好的水溶液中，腐蚀时间分别为2min、5min、7min，腐蚀在常温(约22℃)下进行。腐蚀完毕后，用体积分数为30％盐酸以及去离子水清洗，并用氮气吹干。
(4)测试腐蚀后的厚度及表面粗糙度。用椭偏仪测定腐蚀后的厚度，得到锗(100)单晶薄膜残余厚度随时间变化曲线如图3所示，腐蚀减薄速率大约6nm/min。图3中可以看到腐蚀减薄速率随锗薄膜残余厚度减小略有增加，可能是由于与绝缘层交界处晶体质量变差引起的。
对腐蚀时间为7min的样品用原子力显微镜测试腐蚀后的均方根粗糙度，测试结果如图4所示。图4中可以看到样品腐蚀后均方根粗糙度为0.479nm，相对于腐蚀前没有明显增加。图5为透射电子显微镜测试结果，左下至右上分别为二氧化硅、锗层以及样品制备中使用的胶。
实验2
测试室温下、不同配比的具有腐蚀性的水溶液对锗(100)单晶薄膜衬底的腐蚀减薄速率，除了腐蚀液的配比与实验1中不同，其余操作均与实验1相同。测试结果如图6所示，图中可以看出，腐蚀减薄速率随氧化剂和碱性试剂浓度增加而增加，腐蚀速度可以控制到2-15nm/min。
实验3
测试与实验1中配比相同的腐蚀液在不同温度下对锗(100)单晶薄膜衬底的腐蚀减薄速率，除腐蚀温度不同外，其余操作均与实验1中相同。测试结果如图7所示，图中可以看出，腐蚀减薄速率随温度增加而增加，腐蚀减薄速率从约2nm/min上升到约70nm/min。
为了增加腐蚀去除量的可控性，一般说来腐蚀减薄速率不易超过100nm/min。优选地，为了改善腐蚀去除之后锗表面的粗糙度，腐蚀减薄速率可以控制在10nm/min以下。
由上可知，本发明实施例的锗薄膜的减薄方法具有成本低、操作简便的优点，此外，与现有化学机械抛光减薄相比，可以通过控制溶液的配比以及温度，使得腐蚀减薄速率可控、减薄后表面粗糙度小的优点。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种锗薄膜的减薄方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供表面为锗薄膜的晶片；
将所述晶片浸于包括氧化剂的水溶液中以进行锗薄膜的减薄，其中所述氧化剂将锗转化为锗氧化物，锗氧化物溶解在水溶液中；
对减薄后的所述晶片进行清洗。
2.根据权利要求1所述的锗薄膜的减薄方法，其特征在于，所述晶片为具有锗薄膜表面的硅衬底，或者绝缘体上锗晶片。
3.根据权利要求1所述的锗薄膜的减薄方法，其特征在于，锗薄膜的去除量为5-1000nm。
4.根据权利要求1所述的锗薄膜的减薄方法，其特征在于，锗薄膜的腐蚀减薄速率小于10nm/min。
5.根据权利要求1所述的锗薄膜的减薄方法，其特征在于，所述水溶液中氧化剂为过氧化氢或臭氧中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的锗薄膜的减薄方法，其特征在于，所述过氧化氢的浓度为0.5-500mmol/L。
7.根据权利要求1所述的锗薄膜的减薄方法，其特征在于，所述水溶液中还包括酸性试剂。
8.根据权利要求7所述的锗薄膜的减薄方法，其特征在于，所述酸性试剂为盐酸、氢氟酸或硫酸中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的锗薄膜的减薄方法，其特征在于，所述水溶液中还包括碱性试剂。
10.根据权利要求9所述的锗薄膜的减薄方法，其特征在于，所述碱性试剂为氨水、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或多种。
11.根据权利要求1所述的锗薄膜的减薄方法，其特征在于，所述水溶液的使用温度为20-80℃。
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