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.

Lương Thị Kim Phượng Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 185(09): 57 - 62 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỀ MẶT ĐẾ SILIC Ở NHIỆT ĐỘ THẤP ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT TĂNG TRƯỞNG EPITAXY CHÙM PHÂN TỬ Lương Thị Kim Phượng* Đại học Hồng Đức TĨM TẮT Quy trình làm bề mặt đế Silic (Si) theo hai giai đoạn khảo sát để ứng dụng cho kỹ thuật tăng trưởng epitaxy chùm phân tử (MBE- Molecular Beam Epitaxy) Giai đoạn thứ nhất, mẫu làm theo phương pháp hoá học để loại bỏ nhiễm bẩn hợp chất hữu đồng thời tẩy lớp oxit SiO2 tự nhiên với chất lượng bề mặt thấp sau tạo lớp mỏng SiO2 để bảo vệ bề mặt trước đưa vào buồng tăng trưởng MBE Giai đoạn thứ hai, đế làm lớp SiO2 hình thành nhờ bốc bay nhiệt môi trường chân không cao Chất lượng bề mặt đế khảo sát nhờ phổ nhiễu xạ điện tử phản xạ lượng cao RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) phổ phát xạ điện tử AES (Auger Electron Spectrocopy) Sau đế Si làm hoàn toàn, lớp màng Ge tăng trưởng trực tiếp đế Kết từ quan sát RHEED cho thấy màng Ge có chất lượng tinh thể tốt với bề mặt mịn đồng Kiểu tăng trưởng lớp Ge ứng với tăng trưởng theo lớp (tăng trưởng 2D) Từ khóa: làm đế silic, kỹ thuật MBE, bốc bay nhiệt, nhiễm bẩn carbon, oxit SiO MỞ ĐẦU* Tăng trưởng epitaxy chùm phân tử đế Si đề cập rộng rãi trình nghiên cứu trình chế tạo linh kiện vi điện tử tích hợp với cơng nghệ CMOS Các nghiên cứu gần ứng suất căng màng Ge/Si pha tạp điện tử chấm lượng tử Ge/Si pha tạp Mn ứng dụng lĩnh vực quang điện tử tích hợp thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học giới [1-12] Để tạo lớp màng có chất lượng tinh thể tốt đế Si đòi hỏi bề mặt Si phải tẩy hoàn toàn lớp SiO2 tạp chất khác trước lắng đọng lớp màng phía buồng MBE Yêu cầu khắt khe trường hợp tăng trưởng Ge/Si sai khác số mạng Si Ge lớn 4,2% [13] nên cần yếu tố nhiễm bẩn bề mặt làm thay đổi đáng kể đến kiểu tăng trưởng màng Ge chất lượng tinh thể Nhiễm bẩn carbon xem loại nhiễm bẩn phổ biến bền chặt bề mặt Si Nó bắt nguồn từ hấp thụ chất hữu trình vận chuyển mẫu vào * Tel: 0904 621503, Email: luongthikimphuong@hdu.edu.vn buồng tăng trưởng hợp chất hữu chưa làm triệt để bước làm phương pháp hố học Nhiệt độ để hình thành xâm nhập carbon bề mặt đế Si khoảng 800-850oC dạng đám SiC Hợp chất bền đòi hỏi nhiệt độ cao từ 1100-1200oC để loại bỏ chúng khỏi bề mặt đế Nghĩa là, để tạo đế Si loại bỏ sai hỏng vốn có, người ta nung đế Si nhiệt độ cao khoảng 1200oC môi trường chân không cao [14] Tuy nhiên kỹ thuật dẫn tới khuếch tán không mong muốn tạp thay đổi nồng độ tạp chất thiết lập ban đầu đế Si Hơn nữa, sai hỏng tinh thể có xu hướng tăng lên đế xử lý nhiệt nhiệt độ cao Vì vậy, cần phải tìm phương pháp làm đế Si nhiệt độ 900oC Một số phương pháp làm đế Si nhiệt độ thấp đưa dùng Galium (Ga) để tẩy lớp oxit lại khó tránh khỏi tượng nguyên tử Ga khuếch tán vào đế Si Hơn nhiễm khuẩn carbon bề mặt Si chưa khống chế hoàn toàn Để khắc phục hạn chế phương pháp trên, nghiên cứu đề 57 Lương Thị Kim Phượng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ xuất phương pháp làm bề mặt mới, đề cập số công bố nhóm tác giả [15], [6] Trong nghiên cứu này, chi tiết phương pháp làm đế Si trình bày cụ thể Bên cạch đó, chất lượng bề mặt Si sâu phân tích khảo sát tăng trưởng màng Ge đế Si số trường hợp cụ thể THỰC NGHIỆM Đế tăng trưởng đế silic phẳng, pha tạp loại n có định hướng (100) Việc làm bề mặt đế tiến hành qua hai bước, bước thứ xử lý phương pháp hoá học với chu trình (khoảng 03 chu trình) oxy hố bề mặt axit HNO3 đặc nóng tẩy lớp oxit dung dịch axit HF để ăn mòn chất nhiễm bẩn dư bề mặt Bảng Quy trình làm đế Si giai đoạn thứ theo phương pháp hoá học Giải pháp Ngâm mẫu bể rung siêu âm với nước cất Thời gian phút/lần Ngâm mẫu bể rung siêu âm với dung dịch C2H5OH aceton Ngâm mẫu vào dung dịch HF (nồng độ 2-5%) Ngâm mẫu với axit HNO3 đặc nóng(80oC) Ngâm mẫu với dung dịch HCl:H2O2:H2O (tỉ lệ 3:1:1) 10 phút/lần Mục đích Làm bụi bẩn chất ion kim loại bám vào trình cất giữ, vận chuyển mẫu Làm chất Hydro carbon bám vào bề mặt mẫu 10giây/lần Làm lớp SiO2ban đầu bám bề mặt mẫu 10-15 phút/lần Tạo lớp SiO2 10 phút Tạo lớp SiO2 cực mỏng lên bề mặt mẫu nhằm bảo vệ mẫu trước tạp chất trước đưa vào buồng MBE Sau loại bỏ lớp oxit thô ráp bề mặt đế, lớp oxit mỏng mịn hình thành ngâm mẫu dung dịch HCl:H2O2:H2O để bảo vệ bề mặt khỏi 58 185(09): 57 - 62 nhiễm hợp chất hydro carbon trình vận chuyển mẫu vào buồng MBE Quy trình chi tiết cụ thể hoá bảng Bước làm thứ hai làm nhiệt chân không siêu cao để bốc lớp SiO2 mỏng hình thành trước nhiệt độ khoảng 650oC trước nung nhiệt nhanh 850oC vòng 30 giây Việc xử lý nhiệt nhanh (Rapid Thermal AnnealingRTA) thực khoảng 4-5 lần lớp SiO2 tẩy hoàn toàn Nhiệt độ đế xác định nhờ công tắc cặp nhiệt gắn mặt sau đế với độ xác khoảng ± 20oC Tăng trưởng lớp Ge thực nhờ hệ thống MBE chuẩn với áp suất sở thấp 2-10-10torr Buồng tăng trưởng trang bị thiết bị nhiễu xạ điện tử phản xạ lượng cao (RHEED) cho phép quan sát kiểu tăng trưởng màng Ge trình thí nghiệm Ge bay từ nguồn Knudsen với hai vùng đốt nóng, tốc độ bốc bay nằm khoảng từ 2-5nm/phút Phổ phát xạ điện tử AES dùng để kiểm tra có mặt nguyên tử carbon oxy đế Si trình xử lý bề mặt mẫu Hình Sự biến đổi ảnh nhiễu xạ RHEED dọc theo hướng [100] đế Si trình làm theo phương pháp xử lý nhiệt buồng tăng trưởng MBE: a) đế Si làm giai đoạn thứ theo phương pháp hoá học; b) sau lần nâng nhiệt từ 650-850oC/30giây; c) sau lần nâng nhiệt; d) kết thúc trình xử lý nhiệt, vạch (1x1) vạch (2x1) xuất sắc nét đồng Lương Thị Kim Phượng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Nhờ sử dụng dung dịch hỗn hợp HCl:H2O2:H2O, lớp mỏng SiO2 với độ dày khoảng hai đơn lớp (khoảng 0,6nm) hình thành bề mặt đế Si Hình biểu diễn hình ảnh nhiễu xạ điện tử bề mặt đế từ lúc mẫu đưa vào buồng tăng trưởng MBE kết thúc trình làm đế giai đoạn hai phương pháp xử lý nhiệt Do có mặt lớp SiO2 vơ định hình với độ dày mỏng nên từ phổ phản nhiễu xạ RHEED chụp theo hướng [100] mẫu (hình 1a), vạch (1x1) lớp Si phía quan sát tương đối rõ Tuy nhiên vạch nhiễu xạ có độ rung khơng sắc nét, điều chứng tỏ bề mặt đế ghồ ghề không trật tự Khi bắt đầu tăng dần nhiệt độ đế từ nhiệt độ phòng lên đến 650oC (tăng lên 200oC/30 phút400oC/30 phút- 650oC/30 phút) vạch (1x1) ngày rõ nét, nhiên chưa xuất vạch (2x1) đặc trưng cho tái cấu trúc bề mặt nguyên tử Si lớp Chú ý tăng nhiệt phải giữ cho chân không buồng MBE không vượt 5x10-8 để tránh nhiễm bẩn lên bề mặt đế Si Khi nâng nhiệt nhanh (flash) từ 650 lên 850oC vòng 30 giây hạ nhiệt độ ban đầu bắt đầu xuất vạch nhiễu xạ (2x1) nghĩa lớp SiO2 bốc bay dần khỏi bề mặt đế (hình 1b) Tiếp tục tăng nhiệt nhanh vạch (2x1) xuất rõ sắc nét (hình 1c) Đến kết thúc trình xử lý nhiệt, lớp SiO2 tẩy hoàn toàn khỏi bề mặt đế Si vạch (1x1) vạch (2x1) xuất rõ nét, đặn chứng tỏ bề mặt đế phẳng mịn đồng Bên cạch đó, từ phổ phản nhiễu xạ RHEED không quan sát thấy chấm nhiễm bẩn SiC bề mặt đế Để khẳng định thêm thay đổi chất lượng bề mặt đế trình xử lý nhiệt, chúng tơi tiến hành phân tích phổ phát xạ điện tử AES mẫu (hình 2).Từ hình ta thấy giai đoạn đầu trình xử lý nhiệt, 185(09): 57 - 62 nung mẫu 650oC/30 phút tồn đỉnh phổ oxy (ở vị trí khoảng 500 eV) khơng tìm thấy đỉnh phổ carbon (ở vị trí 272 eV) Điều chứng tỏ lớp oxit bề mặt đế nhiều nhiễm bẩn carbon bề mặt màng loại bỏ làm mẫu bước theo phương pháp hoá học Sau 02 lần nâng nhiệt nhanh từ 650-850oC/30 giây đỉnh phổ nguyên tử oxy có cường độ giảm dần không thấy tồn đỉnh phổ nguyên tử carbon Nghĩa lớp oxit mỏng bốc bay dần khỏi bề mặt nhờ phản ứng với lớp Si bên bốc dạng SiO theo phản ứng sau [17-19]: Si+SiO2=SiO Hình Sự thay đổi phổ tán xạ Auger bề mặt đế Si trình xử lý nhiệt: Khi nhiệt độ đế 650oC/30 phút (đường màu xanh); sau lần nâng nhiệt từ 650-850oC/30 giây (đường màu đen); sau lần nâng nhiệt (đường màu đỏ) Tuy nhiên để tẩy hồn tồn lớp oxit SiO2 cần tiến hành xử lý nhiệt nhanh theo chu kỳ từ 650-850oC/30 giây khoảng 4-5 lần Kết từ phép đo phổ AES cho thấy đỉnh phổ oxy loại bỏ đế Si đủ cho trình tăng trưởng epitaxy buồng MBE Thông thường kiểu tăng trưởng vật liệu A đế B định tương quan lượng tự bề mặt đế lớp vật liệu lắng đọng phía Nhờ có phổ nhiễu xạ lượng cao RHEED, khảo sát hình thái bề mặt kiểu tăng trưởng màng Hình ảnh RHEED màng Ge tăng 59 Lương Thị Kim Phượng Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ trưởng đế Si ứng với điều kiện xử lý nhiệt khác để làm đế Si Các mẫu chế tạo điều kiện nhiệt độ đế 270oC, với nhiệt độ thìkiểu tăng trưởng màng Ge đế Si tăng trưởng hai chiều (theo lớp) [20] Hình Sự thay đổi Ảnh nhiễu xạ RHEED dọc theo hướng [110] màng Ge tăng trưởng đế Si đế Si xử lý nhiệt điều kiện khác Các lớp Ge tăng trưởng nhiệt độ đế 270oC, độ dày màng 200nm a) Ge tăng trưởng đế Si làm theo quy trình b) Ge tăng trưởng đế Si (đế làm sau lần nâng nhiệt từ 650-850oC/30giây) Kết thúc trình lắng đọng Ge đế Si (đế làm sau lần nâng nhiệt từ 650850oC/30giây Tuy nhiên kết có đế Si làm hồn tồn Điều quan sát rõ hình 3a màng Ge tăng trưởng đế Si xử lý nhiệt theo quy trình xử lý nhiệt nhanh 4-5 lần theo chu trình từ 650-850oC/30 giây Kết từ ảnh nhiễu xạ RHEED cho thấy màng Ge hình thành có chất lượng tinh thể tốt bề mặt mịn thể vạch (1x1) vạch (2x1) sắc nét Tuy nhiên, lớp SiO2 chưa tẩy hồn tồn từ trình lắng đọng ban đầu, bề mặt màng gồ ghề với hình thành đảo 3D Do ảnh nhiễu xạ RHEED gồm chấm lớn (hình 3b) Nếu tiếp tục lắng đọng Ge kết lớp Ge chuyển sang trạng thái vơ định hình với quầng đặc trưng ảnh nhiễu xạ RHEED (hình 3c) 60 185(09): 57 - 62 KẾT LUẬN Sự nhiễm bẩn chất hữu tạp chất khác lớp oxit tự nhiên SiO2 đế Si loại bỏ nhờ phương pháp làm hai bước bao gồm bước làm theo phương pháp hoá học bước xử lý nhiệt buồng MBE với môi trường chân không cao Sau xử lý nhiệt nhanh khoảng 4-5 lần từ 650-850oC/30 giây buồng tăng trưởng MBE, đế Si làm quan sát rõ thấy tái cấu trúc bề mặt phổ nhiễu xạ RHEED Phổ tán xạ điện tử AES cho thấy khơng có có mặt nguyên tử carbon bề mặt đế xử lý mẫu phương pháp hoá học Các đỉnh phổ nguyên tử oxy loại bỏ dần tăng số lần xử lý nhiệt nhanh Nguyên tử oxy bề mặt đế tẩy hoàn toàn sau 4-5 lần nâng nhiệt Lớp màng Ge đơn tinh thể chất lượng cao tăng trưởng đế Si nhiệt độ 270oC theo mơ hình tăng trưởng hai chiều LỜI CÁM ƠN Xin chân thành cảm ơn GS TS Lê Thành Vinh Trường Đại học Aix-Marseille, Cộng hồ Pháp giúp đỡ trình thực nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO J Liu, X Sun, D Pan, X Wang, L.C Kimerling, T.L Koch, J Michel (2007), “Tensilestrained, n-type Ge as a gain medium for monolithic laser integration on Si”, Opt Express 15, pp 11272 J Liu, X Sun, R Camacho-Aguilera, L C Kimerling, J Michel (2010), “Ge-on-Si laser operating at room temperature”, Opt Lett., 35, pp 679 J Liu, R Camacho-Aguilera, J.T Bessette, X Sun, X Wang, Y Cai, L.C Kimerling, J Michel (2012), “Ge-on-Si optoelectronics”, Thin Solid Films 520, 3354 Y Ishikawa, K Wada (2010), “Germanium for silicon photonics”, Thin Solid Films 518, S83 E Kasper, M Oehme, J.Werner, T Aguirov, M Kittler (2012), “Direct band gap luminescence from Ge on Si pin diodes”, Front Optoelectron, 5, pp 256 Lương Thị Kim Phượng Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ J.Werner,M Oehme,M Schmid, M Kaschel, A Schirmer, E Kasper, J Schulze (2011), “Germanium-tin p-i-n photodetectors integrated on silicon grown by molecular beam epitaxy”, Appl.Phys Lett 98, 061108 M Oehme, M Gollhofer, D Widmann, M Schmid, M Kaschel, E Kasper, J Schulze (2013), “Direct bandgap narrowing in Ge LED’s on Si substrates”, Opt Express 21, 2206 Y Bai, K.E Lee, C Cheng, M.L Lee, E.A Fitzgerald (2008), “Growth of highly tensilestrained Ge on relaxed InxGa1−xAsInxGa1−xAs by metal-organic chemical vapor deposition”, J Appl Phys 104, 084518 M El Kurdi, H Bertin, E Martincic, M de Kersauson, G Fishman, S Sauvage, A Bosseboeuf, P Boucaud (2010), “Control of direct band gap emission of bulk germanium by mechanical tensile strain”, Appl Phys Lett 96, 041909 10 R Jakomin, M de Kersauson, M El Kurdi, L Largeau, O Mauguin, G Beaudoin, S Sauvage, R Ossikovski, G Ndong, M Chaigneau, I Sagnes, P Boucaud (2011), “High quality tensilestrained n-doped germanium thin films grown on InGaAs buffer layers by metal-organic chemical vapor deposition”, Appl Phys Lett 98, 091901 11 A Ghrib, M de Kersauson, M El Kurdi, R Jakomin, G Beaudoin, S Sauvage, G Fishman, G Ndong, M Chaigneau, R Ossikovski, I Sagnes, P Boucaud (2012), “Control of tensile strain in germanium waveguides through silicon nitride layers”, Appl Phys Lett 100, 201104 12 Luong Thi Kim Phuong and Nguyen Mạnh An (2014), “epitaxial growth of high curietemperature Ge1-xMnx 185(09): 57 - 62 quantum dots on Si(001) by self-assembly”, Communications in Physics, 24, 69-77 13 Hsin-Chiao Luan, Desmond R Lim, Kevin K Lee, Kevin M Chen, Jessica G Sandland et al (1999) “High-quality Ge epilayers on Si with low threading-dislocation densities”, Appl Phys Lett 75, 2909 14 Akitoshi Ishikaza and Yasuhiro Shiraki (1986), “low temperature surface cleaning of silicon and its application to silicon MBE”, J.Electrochem Soc 133, 666-671 15 Luong Thi Kim Phuong (2018), “A New Approach for Heavy N-Doping Process in Ge Epilayers Using Specific Solid Source”, Optics and Photonics Journal, 8, 11-19 16 Luong Thi Kim Phuong (2018), “The effect of carbon element on optical properties of n-doped Ge on silicon substrate”, Modern Physics Letters B, Vol 32, 1850224 17 J J Lander and J Morrison (1962), “Low Voltage Electron Diffraction Study of the Oxidation and Reduction of Silicon”, J Appl Phys 33, 2089 18 M Liehr, J E Lewis, and G W Rubloff (1987), “Kinetics of high‐temperature thermal decomposition of SiO2 on Si(100)”, J Vac Sci Technol A5, 1559 19 A Ishizaka and Y Shiraki (1986), “Low temperature surface cleaning and its application to silicon MBE”, J Electrochem Soc 133, 666 20 Lương Thị Kim Phượng (2018), “Khống chế hình thành tăng trưởng dạng đảo germani đế siclic phương pháp epitaxy chùm phân tử”, Tạp chí khoa học Cơng nghệ - Đại học Thái Nguyên, 181, tr 35 61 Lương Thị Kim Phượng Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 185(09): 57 - 62 SUMMARY SURFACE CLEANING METHOD OF SILICON SUBSTRATE AT LOW TEMPERATURE APPLICATION FOR MOLECULAR BEAM EPITAXY TECHNIQUE Luong Thi Kim Phuong* Hong Duc University Silicon (Si) surface cleaning procedure by two-steps was investigated application for molecular beam epitaxy (MBE) technique At the first step, surface sample is cleaned by chemical method to eliminate contamination of organic compound as well remove the SiO2 native oxide which has a low surface quality A thin SiO2 layer is then formed to protect the Si clean surface from contamination during processing before MBE growth At the second step, the SiO thin film is eliminated from the substrate by the thermal evaporated method at high vacuum environment Surface substrate quality is investigated by reflection high energy electron diffraction (RHEED) and Auger electron spectroscopy (AES) After cleaning, a Ge film is grown directly on Si substrate The observation of RHEED results shows that Ge film has a good crystal quality with smooth and uniform surface The growth mode of Ge layers corresponds to layer by layer growth (2D growth) Keywords:Silicon surface cleaning; MBE technique; thermal evaporation; carbon contamination; SiO2 oxide Ngày nhận bài: 21/6/2018; Ngày phản biện: 03/8/2018; Ngày duyệt đăng: 31/8/2018 * Tel: 0904 621503, Email: luongthikimphuong@hdu.edu.vn 62 ... Si đế Si xử lý nhiệt điều kiện khác Các lớp Ge tăng trưởng nhiệt độ đế 270oC, độ dày màng 200nm a) Ge tăng trưởng đế Si làm theo quy trình b) Ge tăng trưởng đế Si (đế làm sau lần nâng nhiệt từ... kiện nhiệt độ đế 270oC, với nhiệt độ thìkiểu tăng trưởng màng Ge đế Si tăng trưởng hai chiều (theo lớp) [20] Hình Sự thay đổi Ảnh nhiễu xạ RHEED dọc theo hướng [110] màng Ge tăng trưởng đế Si đế. .. tăng trưởng màng Ge đế Si số trường hợp cụ thể THỰC NGHIỆM Đế tăng trưởng đế silic phẳng, pha tạp loại n có định hướng (100) Việc làm bề mặt đế tiến hành qua hai bước, bước thứ xử lý phương pháp