Phương pháp xử lý bề mặt đế Silic ở nhiệt độ thấp ứng dụng trong kỹ thuật tăng trưởng epitaxy chùm phân tử

Quy trình làm sạch bề mặt đế Silic (Si) theo hai giai đoạn đã được khảo sát để ứng dụng cho kỹ thuật tăng trưởng epitaxy chùm phân tử (MBE- Molecular Beam Epitaxy). Giai đoạn thứ nhất, mẫu được làm sạch theo phương pháp hóa học để loại bỏ sự nhiễm bẩn của các hợp chất hữu cơ đồng thời tẩy sạch lớp oxit SiO2 tự nhiên với chất lượng bề mặt thấp và sau đó tạo mới một lớp mỏng SiO2 để bảo vệ bề mặt trước khi đưa vào buồng tăng trưởng MBE.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phương pháp xử lý bề mặt đế Silic ở nhiệt độ thấp ứng dụng trong kỹ thuật tăng trưởng epitaxy chùm phân tửLương Thị Kim PhượngTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ185(09): 57 - 62PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỀ MẶT ĐẾ SILIC Ở NHIỆT ĐỘ THẤPỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT TĂNG TRƯỞNGEPITAXY CHÙM PHÂN TỬLương Thị Kim Phượng*Đại học Hồng ĐứcTÓM TẮTQuy trình làm sạch bề mặt đế Silic (Si) theo hai giai đoạn đã được khảo sát để ứng dụng cho kỹthuật tăng trưởng epitaxy chùm phân tử (MBE- Molecular Beam Epitaxy). Giai đoạn thứ nhất,mẫu được làm sạch theo phương pháp hoá học để loại bỏ sự nhiễm bẩn của các hợp chất hữu cơđồng thời tẩy sạch lớp oxit SiO2 tự nhiên với chất lượng bề mặt thấp và sau đó tạo mới một lớpmỏng SiO2 để bảo vệ bề mặt trước khi đưa vào buồng tăng trưởng MBE. Giai đoạn thứ hai, đếđược làm sạch lớp SiO2 mới hình thành nhờ bốc bay nhiệt ở môi trường chân không cao. Chất lượng bềmặt đế được khảo sát nhờ phổ nhiễu xạ điện tử phản xạ năng lượng cao RHEED (Reflection HighEnergy Electron Diffraction) và phổ phát xạ điện tử AES (Auger Electron Spectrocopy). Sau khi đế Siđã được làm sạch hoàn toàn, một lớp màng Ge được tăng trưởng trực tiếp trên đế. Kết quả từ quan sátRHEED cho thấy màng Ge có chất lượng tinh thể tốt với bề mặt mịn và đồng đều. Kiểu tăng trưởng củalớp Ge ứng với tăng trưởng theo từng lớp (tăng trưởng 2D).Từ khóa: làm sạch đế silic, kỹ thuật MBE, bốc bay nhiệt, nhiễm bẩn carbon, oxit SiO 2MỞ ĐẦU*Tăng trưởng epitaxy chùm phân tử trên đế Siđược đề cập rộng rãi trong quá trình nghiêncứu cũng như trong quá trình chế tạo các linhkiện vi điện tử tích hợp với công nghệ CMOShiện nay. Các nghiên cứu gần đây về ứng suấtcăng của màng Ge/Si pha tạp điện tử cũngnhư chấm lượng tử Ge/Si pha tạp Mn ứngdụng trong lĩnh vực quang điện tử tích hợp đãthu hút được nhiều sự quan tâm của các nhàkhoa học trên thế giới [1-12]. Để tạo ra lớpmàng có chất lượng tinh thể tốt trên đế Si đòihỏi bề mặt Si phải được tẩy sạch hoàn toànlớp SiO2 và các tạp chất khác trước khi lắngđọng lớp màng phía trên trong buồng MBE.Yêu cầu trên càng khắt khe hơn trong trườnghợp tăng trưởng của Ge/Si vì sự sai khác hằngsố mạng giữa Si và Ge là khá lớn 4,2% [13] nênchỉ cần một yếu tố nhiễm bẩn trên bề mặt cũnglàm thay đổi đáng kể đến kiểu tăng trưởng củamàng Ge cũng như chất lượng tinh thể.Nhiễm bẩn carbon được xem như một loạinhiễm bẩn phổ biến và bền chặt trên bề mặtSi. Nó có thể bắt nguồn từ sự hấp thụ các chấthữu cơ trong quá trình vận chuyển mẫu vào*Tel: 0904 621503, Email: luongthikimphuong@hdu.edu.vnbuồng tăng trưởng hoặc các hợp chất hữu cơchưa được làm sạch triệt để trong bước làmsạch bằng phương pháp hoá học. Nhiệt độ đểhình thành sự xâm nhập của carbon trên bềmặt đế Si khoảng 800-850oC dưới dạng cácđám SiC. Hợp chất này rất bền và đòi hỏi mộtnhiệt độ rất cao từ 1100-1200oC để loại bỏchúng khỏi bề mặt đế. Nghĩa là, để tạo ra mộtđế Si sạch và loại bỏ các sai hỏng vốn có,người ta có thể nung đế Si ở nhiệt độ caokhoảng 1200oC trong môi trường chân khôngcao [14]. Tuy nhiên kỹ thuật này dẫn tới sựkhuếch tán không mong muốn của tạp và thayđổi nồng độ tạp chất được thiết lập ban đầutrong đế Si. Hơn nữa, sai hỏng tinh thể có xuhướng tăng lên khi đế được xử lý nhiệt ởnhiệt độ cao. Vì vậy, cần phải tìm ra mộtphương pháp làm sạch đế Si ở nhiệt độ dưới900oC. Một số phương pháp làm sạch đế Si ởnhiệt độ thấp đã được đưa ra như dùngGalium (Ga) để tẩy lớp oxit nhưng lại khótránh khỏi hiện tượng các nguyên tử Gakhuếch tán vào đế Si. Hơn nữa sự nhiễmkhuẩn của carbon trên bề mặt Si cũng chưađược khống chế hoàn toàn.Để khắc phục những hạn chế của phươngpháp trên, trong nghiên cứu này chúng tôi đề57Lương Thị Kim PhượngTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆxuất một phương pháp làm sạch bề mặt mới,đã được đề cập trong một số công bố củanhóm tác giả [15], [6]. Trong nghiên cứu này,chi tiết của phương pháp làm sạch đế Si sẽđược trình bày cụ thể. Bên cạch đó, chấtlượng bề mặt Si cũng được đi sâu phân tíchvà khảo sát sự tăng trưởng của màng Ge trênđế Si trong một số trường hợp cụ thể.THỰC NGHIỆMĐế tăng trưởng là đế silic phẳng, pha tạp loạin và có định hướng (100). Việc làm sạch bềmặt đế được tiến hành qua hai bước, bước thứnhất là xử lý bằng phương pháp hoá học vớichu trình (khoảng 03 chu trình) oxy hoá bềmặt trong axit HNO3 đặc nóng và tẩy lớp oxittrong dung dịch axit HF để ăn mòn các chấtnhiễm bẩn còn dư trên bề mặt.Bảng 1. Quy trình làm sạch đế Si giai đoạn thứnhất theo phương pháp hoá họcGiải phápNgâmmẫutrong bể rungsiêu âm vớinước cấtThời gian5 phút/lầnNgâmmẫutrong bể rungsiêu âm lầnlượt với dungdịch C2H5OHvà acetonNgâmmẫuvào dung dịchHF (nồng độ2-5%)Ngâm mẫu vớiaxit HNO3 đặcnóng(80oC)Ngâm mẫu vớidungdịchHCl:H2O2:H2O(tỉ lệ 3:1:1)10phút/lầnMục đíchLàm sạch bụi bẩnvà các chất ion kimloại bám vào trongquá trình cất giữ,vận chuyển mẫuLàm sạch các chấtHydrocarbonbám vào bề mặtmẫu10giây/lầnLàm sạch lớp ...