半导体锗硅薄膜材料及相关工艺技术教学内容.doc
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1、半导体锗硅薄膜材料及相关工艺技术(精)与半导体锗硅薄膜材料及相关工艺技术王光伟(天津工程师范大学电子工程系,天津)摘要:综述了锗硅薄膜材料的特性与应用、制备技术、固相结晶、与过渡金属的固相反应等一系列内容,探讨了提高锗硅薄膜结晶度的工艺手段和各自的优缺点,分析了锗硅薄膜与钴等过渡金属固相反应的特点及在集成电路上的应用。关键词:锗硅;薄膜材料;固相结晶;固相反应;集成电路中图分类号:文献标识码:文章编号:()(,):,:;引言硅是信息时代最具代表性的半导体材料,硅基超大规模集成电路是微电子工业的核心。集成电路发展的历程表明,新型半导体材料的出现和材料质量的提高是推动半导体科学前进的重要动力。锗硅
2、材料的出现及应用印证了这一论断。锗硅()是和通过共价键结合形成的半导体合金材料,是这两种元素无限互溶的替位式固溶体。锗硅一般有非晶、多晶、单晶和超晶格四种形态:非晶锗硅主要用于太阳能电池,其光电转换效率通常比非晶硅太阳能电池高;多晶锗硅可取代多晶硅制备金属氧化物半导体场效应晶体管()的栅极和薄膜晶体管()基金项目:天津市高校科技发展基金资助项目()December 2006的有源层;单晶(外延)锗硅主要用作的有源层、异质结双极晶体管()的基区等,应用于具有高频、高速需求的无线通讯、卫星及光通讯等领域;锗硅超晶格可用作半导体光电子材料,如制作弹道晶体管、高电子迁移率晶体管、光电探测器和集成光电子
3、器件等。锗硅的一些独特性质对半导体材料学和器件应用具有重要意义。这种看法是基于以下事实:适合于能带工程,改变值可以调节其晶格常数和禁带宽度,也可调节其他材料学参数,如介电常数等;外延作为的基区,比同质晶体管具有更高截止频率和电流增益;的熔点比低,其淀积、结晶和杂质激活温度也比低,更适合于低温工艺,如制备玻璃衬底上的薄膜晶体管()等;与现有的硅Semiconductor Technology Vol. 31 No. 12881趋势与Outlook & features集成电路工艺相容;一些新型器件结构,如应变硅器件、调制掺杂场效应晶体管()、量子阱金属氧化物半导体场效应晶体管、红外探测器和隧道器
4、件等均是基于系统;多晶锗硅用作功函数可变的的栅极材料、低温薄膜晶体管的有源层、提升源漏以及选择扩散源等。图为薄膜作为有源层和缓冲层的示意图。膜通常含有一定量的氢,界面态密度与氢含量有关。多晶锗硅薄膜,可由、或物理气相沉积()制备。方法,如溅射和蒸镀,制备的薄膜一般是非晶或多晶态,重结晶提高其结晶度,是一种方便且经济的方法。一般认为,锗硅薄膜通过再结晶,往往能获得比较高的结晶度。超薄的薄膜(纳米量级),可由原子层沉积()等工艺实现。锗硅薄膜的固相结晶非晶或多晶薄膜的固相结晶()关系到其微结构和性能。成核和晶核生长特性决定了晶粒的尺寸分布、择优取向、晶体缺陷和表面粗糙度等。结晶度越高,缺陷密度越低
5、,电导率则越高。薄膜中晶界密度下降,其热稳定性和力学稳定性更佳。结晶度亦显著影响薄膜其他物理量,如折射率和光吸收系数等。影响薄膜结晶度的因素有很多,如薄膜的制备条件、结晶过程和退火工艺等。退火工艺有激光退火、热退火和电子束退火等。近年来,激光退火()、金属诱导结晶()以及它们与热退火之间的比较,是薄膜固相结晶领域研究活跃的课题。具有光能密度和作用时间精确可控、杂质激活率高且分布陡直、熔化重结晶可提升薄膜质量、对衬底造成的热损伤小等优点。薄膜的结晶度与激光波长、能量密度、脉冲宽度、重复频率等参量有关。,尤其是脉冲准分子激光退火(),被认为是形成集成电路纳米超浅结的工艺选择之一。机理较为复杂,有争
6、议,其特点是结晶温度低、成本低、往往伴随硅化物(或锗硅化物)生成、可引发横向结晶()等,主要缺点是金属的污染。热退火分锗硅薄膜的制备锗硅薄膜的制备工艺有多种,单晶锗硅可通过分子束外延()或超高真空化学气相沉积()制备。这两种沉积方法的本底真空度极高(),制备的薄膜质量好,在沉积过程中,可以对薄膜进行原位掺杂。化学气相沉积()工艺中,改变(或)对的流量比,可调节的摩尔分数,一般来说,生长速率比快。制备薄膜,组分容易偏离化学计量比,薄882半导体技术第卷第期为常规炉退火()和快速热退火()。,和都与集成电路工艺相容,应用广泛。与薄膜结晶有关的因素,除退火工艺外,还有衬底效应、含量、厚度、掺杂等。非
7、晶的固相结晶由于的存在,在结晶机理和微结构方面同非晶有所不同。随着含量的提高,由非晶态到多晶态的转变温度降低,晶粒从孪晶生长为主逐渐变为无规生长为主。薄膜的结晶包括成核和晶核长大两个过程。公式可以描述结晶分数与结晶时间的年月与关系,如式在不同的衬底,如和单晶()上,对其结晶行为也有影响。这可能是因为表面是无定形的,虽然存在一些能量上有利的成核位置,但晶核连成一片则比较困难。在表面存在外延倾向,使得()或()晶向择优出现。表面的自然氧化层往往对结晶不利。中的某些杂质和缺陷对结晶起重要作用,一些杂质或缺陷可以充当异相成核的中心,比均相成核所需要的自由能改变量更小一些。薄膜中硼()或磷()重掺杂时,
8、杂质浓度对结晶行为有较大影响。如淀积的非晶硅()结晶,当浓度超过式中:为结晶分数;为特征结晶时间;为成核时间;为指数。值对应于不同的成核机理和生长维数。很多文献报道了含量及退火温度、时间等对结晶的影响。例如,文献给出了溅射薄膜的结晶与含量、退火温度及时间的依赖关系,图为其射线衍射谱()。时,结晶速率随的浓度增加而快速增加。离子束轰击薄膜可引入大量非平衡缺陷,能够打开或弱化某些化学键,加快成核速率,从而可以促进结晶。晶粒希望越大越好,以减弱晶界和其他缺陷对载流子的散射,提高其迁移率。一般来说,晶粒越大的多晶薄膜,做成的性能也越好。锗硅薄膜与过渡金属的固相反应固相反应是制备金属硅化物和锗硅化物的常
9、用从图可见,中含量越高,退火温度越高,退火时间越长,则结晶度越高。December 2006Semiconductor Technology Vol. 31 No. 12883趋势与Outlook & features手段,是器件金属化工艺一个必不可少的步骤。研究过渡金属固相反应,不但为器件制造提供借鉴和指导,而且可以加深对该反应过程与机理的认识。随着特征尺寸的缩小,自对准硅化物在高性能技术中担当关键角色。这是因为自对准硅化物可以在源、漏和多晶栅上同时形成自对准的接触和互连,能有效地降低接触和互连电阻,减小延迟,从而显著提高电路的工作速度。图给出了两种硅化物器件示意图。硅化物工艺已经在的得到应
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