原子级平整Ge0.8Si0.2/Ge超晶格外延与高选择性叠层纳米片释放技术研究及其在下一代晶体管中的应用

本工作展示了通过分子束外延（MBE）技术在Si（001）衬底上实现具有原子级平整表面的高质量Ge0.8Si0.2/Ge超晶格外延结构，并结合HBr基干法刻蚀与H2O2湿法刻蚀技术实现了叠层Ge0.8Si0.2纳米片的高选择性释放。该研究为环栅晶体管（GAAFET）等先进架构提供了关键材料与工艺支持，具有显著的电子迁移率提升潜力与器件性能优势。

　　

Highlight

本研究通过分子束外延（MBE）技术在Si（001）衬底上成功生长了具有原子级平整表面（均方根粗糙度0.24 nm）的Ge_0.8Si_0.2/Ge超晶格结构。高分辨率X射线衍射（HRXRD）与倒易空间映射分析表明，Ge缓冲层和重掺杂Ge牺牲层（SL）完全弛豫，而未掺杂Ge_0.8Si_0.2沟道层保持拉伸应变以增强电子迁移率。高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）进一步证实了外延层间具有锐利界面。

INTRODUCTION

随着摩尔定律的持续推进，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）正朝着环栅（GAA）架构演进，其栅极控制能力优于鳍式场效应晶体管（FinFET）。近年来，多种先进GAAFET构型被提出，例如应变Si纳米片沟道、超薄体沟道和水平堆叠纳米片GAAFET。然而，这些结构在制备过程中仍面临外延质量、载流子迁移率和工艺集成等挑战。

EXPERIMENT

实验采用分子束外延（MBE）在10^-8 Pa基压下于Si（001）衬底上外延生长800 nm和200 nm Ge缓冲层。晶圆在加载前经稀氢氟酸处理去除自然氧化层，并用18 MΩ·cm去离子水清洗。MBE腔内进行原位热脱气和脱氢处理以确保表面清洁度。Ge缓冲层沉积与退火过程精确控制以优化晶体质量。

RESULTS AND DISCUSSION

高分辨率X射线衍射（HRXRD）分析显示，800 nm和200 nm Ge_0.8Si_0.2/Ge超晶格结构的主要衍射峰出现在2θ布拉格角66°附近，表明Ge缓冲层完全弛豫。值得注意的是，Ge_0.8Si_0.2（004）峰相较于弛豫状态向更高2θ角度移动，表明面外晶格常数减小并存在拉伸应变。HBr基电感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀实现了Ge_0.8Si_0.2/Ge鳍结构的各向异性刻蚀，而H₂O₂湿法刻蚀工艺则展现出对Ge牺牲层的高选择性和横向去除精度，形成轮廓清晰的堆叠纳米片沟道。

CONCLUSIONS

本研究通过低温MBE与选择性刻蚀工艺实现了高质量堆叠Ge_0.8Si_0.2纳米片的制备。在Si衬底上获得了具有超平整形貌的原子级平整Ge_0.8Si_0.2/Ge超晶格外延结构。HBr基ICP干法刻蚀与H₂O₂湿法刻蚀技术实现了高度各向异性的鳍定义和Ge牺牲层的精确横向释放。对刻蚀机理与表面化学的深入分析证明了该工艺在先进节点应用中的均匀性与可控性优势。