调控晶体锗纳米结构刻蚀各向异性的新策略及其在先进纳米电子器件中的应用

这篇研究通过传统与原位液相透射电镜（TEM）成像技术，揭示了晶体锗（c-Ge）纳米结构湿法刻蚀的动力学机制，创新性地提出通过调节盐酸（HCl）与过氧化氢（H2O2）混合溶液的浓度，实现从各向同性到各向异性刻蚀的精准调控，为下一代互补金属氧化物半导体（CMOS）器件的制造提供了关键工艺支持。

　　

摘要

晶体锗（c-Ge）的湿法化学刻蚀是下一代互补金属氧化物半导体（CMOS）器件制造的关键工艺。本研究结合传统与原位液相透射电镜（TEM）技术，系统揭示了c-Ge纳米结构的刻蚀动力学，发现通过引入盐酸（HCl）可显著调控刻蚀各向异性。实验表明，调整HCl浓度能精确控制不同晶向的刻蚀速率，为纳米电子器件的制造提供了新方法。

1 引言

锗（Ge）及其合金（如SiGe、GeSn）因高载流子迁移率和窄带隙特性，在晶体管、光电探测器和量子器件中具有重要应用。传统反应离子刻蚀（RIE）工艺难以满足亚10纳米器件的精度需求，而湿法刻蚀能实现原子级平滑表面。本研究通过“马车轮”（WW）纳米结构平台，实时观测了c-Ge在不同刻蚀溶液中的行为，发现HCl的引入可动态调控刻蚀各向异性。

2 结果与讨论

刻蚀平台设计与表征

采用硅基外延生长的c-Ge纳米轮结构（图1），通过TEM确认其沿[001]方向单晶生长。刻蚀实验显示，在10 mM H₂O₂+6 M HCl溶液中，〈110〉晶向刻蚀速率（17 nm/min）显著高于〈100〉晶向（7 nm/min），且表面保持原子级平滑（图2）。原位液相TEM进一步验证了这一现象（图3），并发现刻蚀速率与晶面悬挂键密度相关。

刻蚀各向异性的调控机制

通过调整H₂O₂与HCl比例，可实现刻蚀模式的可逆切换：低HCl浓度下〈110〉为快刻蚀方向，而高浓度（15 mM H₂O₂+8 M HCl）时〈100〉方向刻蚀更快（图4）。机理分析表明，Cl^?通过钝化Ge表面悬挂键抑制氧化溶解，而不同晶面钝化效率差异导致各向异性（图5）。

3 实验方法

材料与制备

使用SOI晶圆制备c-Ge WW结构，通过化学机械抛光（CMP）和低压化学气相沉积（LPCVD）完成图案化。液相TEM芯片采用等离子清洗与微流控技术组装。

表征与数据分析

采用200 kV TEM和场发射SEM（FESEM）成像，结合Python脚本进行图像漂移校正与刻蚀速率计算，确保数据精度。

结论

本研究为半导体湿法刻蚀提供了普适性调控策略，通过简单调节刻蚀溶液成分即可实现纳米级形貌控制，推动下一代3D集成器件的发展。该方法可扩展至其他半导体材料，具有重要工业应用价值。