引言

本文首次提出了由標(biāo)準(zhǔn)SC1/SC2腐蝕周期引起的Si (100)表面改性的證據(jù)。SC1/SC2蝕刻(也稱為RCA清洗)通過(guò)NH3:H2O2:H2O混合物使硅片氧化，在稀釋的HF中去除氧化物，通過(guò)HCl:H2O2:H2O混合物進(jìn)一步氧化，并在稀釋的HF中進(jìn)行最終蝕刻。使用高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)-平行電子能量損失光譜(皮勒斯)和低能電子衍射(LEED)技術(shù)分析樣品。HRTEM-皮爾斯分析采用了特殊的橫截面幾何形狀，增強(qiáng)了HRTEM對(duì)表面物種的敏感性。原子分辨率的HRTEM顯微照片顯示，只有當(dāng)樣品經(jīng)歷了SC1/SC2循環(huán)時(shí)，硅表面的納米層中的結(jié)晶順序才部分喪失。HRTEM和LEED都沒(méi)有觀察到(2 ×1)重建圖案。皮耳分析可以排除表面或無(wú)序?qū)又醒酢⑻蓟蚍拇嬖?，從而得出氧化處理?dǎo)致硅(100)表面晶體結(jié)構(gòu)改變的結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)

在整個(gè)工作中，使用了直拉法生長(zhǎng)的0.6毫米厚的p型1.7–2.5 Mcm(100)硅片。晶片在熱三氯乙烯(353 K下600秒)、丙酮(313 K下600秒)和水中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)脫脂處理，以去除任何有機(jī)殘留物。為了生成氫封端的硅(100)表面，我們將樣品浸入353 K的APM溶液(NH3 (32%體積)-H2O 2(30%體積)-H2O(1:1:5體積))中600秒，以去除有機(jī)污染物并氧化表面。然后在緩沖的(pH 5) HF (50%體積)–NH4F (40%體積)溶液中在293 K下蝕刻掉氧化物30秒。然后在353 K下用HPM溶液(HCl (37%體積)–H2O 2(30%體積)–H2O(1∶1∶4體積))處理表面600秒，最后在293 K下用NH4F(40%體積)蝕刻(和氫化)240秒。用于透射電子顯微鏡(TEM)分析的樣品被減薄至100納米，可用于平面視圖(PV)和橫截面(XS)實(shí)驗(yàn)。為了達(dá)到要求的厚度，樣品分別進(jìn)行了50米(光伏)和20米(XS)的機(jī)械拋光。光伏樣品然后在CP4蝕刻(硝酸(68體積%)–CH3COHO(100體積%)–氟化氫(40%)中進(jìn)行化學(xué)蝕刻。

本文中顯示的所有圖像都不是常規(guī)的透射電鏡照片，而是以零損失的方式收集的。實(shí)際上，它們是以只收集彈性擴(kuò)散電子的方式過(guò)濾的，設(shè)置了20 eV的接受能窗。這相對(duì)于通過(guò)收集所有透射電子獲得的傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)了圖像對(duì)比度。

結(jié)果和討論

在這項(xiàng)工作中考慮的所有樣品(SC1/SC2處理的和交付的)中，我們可以觀察到表面存在一層薄的二氧化硅層。對(duì)于氫化樣品，表面天然氧化物層的存在可歸因于蝕刻后樣品在空氣中的滯留。此外，在一些透射電鏡顯微照片中，人們可以注意到在制備用于透射電鏡分析的樣品期間使用的膠沒(méi)有完全去除，這不能通過(guò)離子轟擊完全燒蝕。

圖1示出了氫封端硅表面的XS視圖?？梢詸z測(cè)到三個(gè)定義明確的區(qū)域。從外表面向內(nèi)移動(dòng)，可以觀察到天然氧化物的第一區(qū)域(標(biāo)記為A)和將氧化物與晶體硅(C)分開的相間區(qū)域(B)。在B區(qū)進(jìn)行的納米衍射顯示出衍射斑點(diǎn)，盡管所有斑點(diǎn)看起來(lái)非常不一致。EDS分析還可以排除這種源自膠水或其他有機(jī)污染物的區(qū)域。也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氧氣。對(duì)處理過(guò)的樣品進(jìn)行的低能電子衍射分析證實(shí)表面上沒(méi)有(2 ×1)重構(gòu)。

報(bào)道的透射電鏡分析表明，在APM/HPM步驟后，第一個(gè)硅原子層的晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了變化。APM在硅上形成化學(xué)氧化物是如何導(dǎo)致表面粗糙化的。這種效應(yīng)可以定性地解釋通過(guò)考慮實(shí)際蝕刻化學(xué)來(lái)解釋。

總的來(lái)說(shuō)，與SC1/SC2清洗相關(guān)的氧化蝕刻處理會(huì)導(dǎo)致第一原子硅層的增加是不足為奇的。硅氧化已知通過(guò)HO物質(zhì)的向內(nèi)擴(kuò)散和硅原子之間的氧插入發(fā)生，從而導(dǎo)致硅晶格的膨脹。在二氧化硅和硅之間的界面處的這種應(yīng)變場(chǎng)可以引起硅晶格參數(shù)的改變，導(dǎo)致觀察到的半導(dǎo)體表面周圍的平面間距的增加。每當(dāng)蝕刻速率高時(shí)，這種機(jī)制可以預(yù)期導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)的永久、有效的改變，如對(duì)于APM，不允許晶體結(jié)構(gòu)的松弛。

總結(jié)

本文已經(jīng)證明了SC1/SC2清洗Si（100）表面如何導(dǎo)致硅的第一原子層結(jié)構(gòu)的改變。剝落分析可以排除該區(qū)域存在污染物，從而可以得出結(jié)論，晶格間距的變化與RCA蝕刻進(jìn)行的氧化/蝕刻的影響有關(guān)。

審核編輯：湯梓紅