半导体锗硅薄膜材料及相关工艺技术(共21页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上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。锗硅材料的出现及

2、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器件等。锗硅

3、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件等均是基于

4、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，电导率则越

5、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，有争议，其特点是

6、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。非晶的固相结晶

7、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，杂质浓度对结

8、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用从图可见，

9、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用，它与硅化

10、物工艺有相似之处。这是基于与具有相近的电阻率（）及良好的热稳定性，但的电阻率与线条尺寸无关。和都是立方结构，二者晶格失配小（约），从而可以以对方为衬底，生长外延层。过渡金属硅化物在双极型晶体管电路中，可以用于制备发射极、基极和集电极的接触结构以及肖特基二极管等，以提高器件的工作速度。近几年来，随着锗硅在多种器件中得到应用，与金属，的固相反应引起人们较多的关注。由于金属反应的复杂性，制备陡峭、均匀的硅化物锗硅界面比硅化物硅界面要困难。等人研究了范围的界面反应，发现和是主扩散物质，在退火，生成，以上退火，最终稳定相是（）。等人对的反应及表征也做了很好的研究工作。和研究了范围系统，发现以下退火，反应

11、为扩散控制，相序为；以上，生成和。等人研究了的反应特性，发现和都是主扩散物质，在，退火后，接触性能稳定，接触电阻低，因而生成了类似结构的，和（）；而（）相的形貌、稳定性和电学特性都和组分有关；在（）界面分凝和沉积，促进（）相的团聚。等人研究了和与材料的界面反应对肖特基势垒高度884半导体技术第卷第期（）的影响，发现退火，和与反应主要生成硅化物和少量的锗化物，在表面分凝。等人的工作指出，及系统的退火处理对光发射系数和肖特基势垒高度（）有影响。等人的研究工作表明，在反应生成体心立方结构的三元相，没有观测到分凝。等人采用脉冲激光退火为热处理手段，研究系统，在能量密度范围内，分别生成低温相（）和高温相

12、（）。等人研究了系统，从低温到高温退火，依次出现（）和（），没有发现分凝。上述研究工作中，固相反应是令人感兴趣的。这是因为的电阻率低，热稳定性好，能还原表面氧化层，广泛应用于器件自对准的源、栅、漏接触以及局部互连。器件特征尺寸缩小到以下时，自对准硅化物工艺中，横向尺寸的缩小导致的薄层电阻上升，从而引起延迟的增加；从高阻相（）到低阻相（）的转变是成核控制过程，导致在以下薄层电阻与线宽有关；浅结工艺要求更薄的层，但较薄的层容易导致团聚。固相反应，研究思路以反应为参照，因为人们对反应的认识已经比较清楚。一般说来，反应比反应要复杂。这是因为：优先和中的反应，生成硅化物，有可能从反应层中分凝出来，这是系

13、统自由能降低所要求的。然而，这种反应的选择性并不意味着在较低的温度下不反应，如退火，反应生成，退火生成；反应的生成物物相，随退火温度不同而不同，也比较复杂，如在一定的退火温度范围内，存在亚稳态的（）三元相，其中含量随退火温度升高而降低等。由于和的晶体结构不同，是立方结构，是正交结构，二者在高温下无法互容，高温三元相不能共存。图给出了三元反应的生成物相与退火温度的关系。由图可见，退火，样品出年月与钴的硅化物对硅表面的氧化物、衍射强度。（）图在，的谱沾污、退火气氛等因素非常敏感，这往往造成高阻相的生成。这些现象在钴与锗硅的反应中也同样存在。锗硅表面一层薄的氧化层，甚至使得反应无法进行。能还原薄的氧

14、化层，对杂质有较强的溶解能力。作为覆盖层或中间层，能降低对表面状况的敏感度，也能阻止生成物的横向过生长。在淀积前，用离子束轰击清除锗硅表面的氧化层，能使得反应顺利进行。钴的锗硅化物的生成对退火气氛十分敏感，如退火气氛中的氧气或某些杂质，对反应有明显影响。退火气氛中的氧往往导致相转现衬底的（）、（）以及的衍射峰，表明基本上没有反应。退火，（）（）衍射峰最强，（）三元相是含量占优势的物相，表明存在（）（）结构。（）是和的固溶体。和同为立方结构，晶格常数相差很小（，），故可以形成立方结构的亚稳相（）。（）中的值，根据公式变温度提高，造成生成物的薄层电阻比较高。解决的办法，除了用或者作覆盖层以外，在高

15、温下淀积，使得在淀积过程中发生硅化反应，能在纳米线宽获得低的电阻率。硅化物在高温（）时由于团聚、成核等原因通常会造成界面粗糙度增大，有的位置甚至出现尖刺，这可能导致纳米尺度下浅结的漏电。采用高温快速热处理（），则能有效降低硅化物结的漏电，这得益于高温下尖刺的溶解和界面粗糙度的平滑化。实际上，直接反应，由于生成的硅化物向层穿入以及高温下层应变的松弛，而使得界面粗糙度增大。(1y)aCoSi+yaCoGe=aCoSiyGey算得。这里，说明（）中的比例比中的小，即出现了分凝，分凝出来的，一般聚集在（）界面处；，使得接近该界面的薄膜富，退火温度升至，（）（）衍射峰的值向增大的方向位移，对应于晶面间距

16、变小，亦即晶格常数变小。原因是从物相（）中分凝出去，并且，退火温度越高，分凝出来的越多，直到，完全从（）分凝完毕，（）变为。同时，通过反应，薄膜中生成较多的。（）（）峰的演变情况与（）（）峰类似。December 2006结语锗硅薄膜的特性主要取决于其组成和结构。锗硅薄膜的制备方法很多，大都与现有集成电路工艺相容，其结晶行为和退火方式及退火工艺参数等诸多因素有关。提升锗硅薄膜的结晶度，宜根据不同的器件要求选择不同的退火工艺或者它们的组合。锗硅与过渡金属的固相反应，情况比较复杂，应从反应金属、影响因素、生成物相与反应条件的关联等方面把握，找出适合器件要求的最佳工艺条件。参考文献：，Semicon

17、ductor Technology Vol. 31 No. 12885趋势与Outlook & features，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（），：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，（）：，（下转第页）年月886半导体技术第卷第期与要根据实际情况作出恰到好处的选择。随着工艺技术的提高，基晶体管与相应的放大器适用频率和应用范围会不断扩大，越来越多的性能极佳、成本较低的基晶体管被研制出来。适用更高性能、更高频率的晶体管也会获得进一步的发展，成本也会随着工艺的日益成熟而下

18、降。随着第三代移动通信系统的迅速发展，通信设备中的半导体器件的选择成为主要的问题。几年前，无线通信设备所用的半导体器件多为。目前无线通信系统用的器件种类繁多，包括异质结双极晶体管、赝配高电子迁移率晶体管、各类锗硅器件和横向扩散金属氧化物半导体（）器件等。最近两年，很多半导体公司如对器件做了大量的研究，已对和双极器件构成很大威胁，并已成为基站功率放大器的重要选择。移动电话领域的主导器件仍是功率放大器，但最新统计数字显示，无线功率器件的市场份额正在逐渐减少。可能取代用于下一代手机，最有竞争实力的应是。是另一种具有多种不同形式的工艺技术。具有极佳的噪声系数，可以在一块芯片上集成低噪声放大器和中频混频器芯片。在低噪声放大器、中频、混频器和领域，有望与展开竞争。参考文献：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，：，（）：，（）：（收稿日期：）作者简介：南敬昌（），男，河南滑县人，副教授，博士研究生，研究方向为射频电路与器件，多媒体信息编码、通信系统仿真；刘元安（），男，四川人，教授，博士生导师，研究方向为宽带无线通信、电磁兼容等。（上接第页），（）：，（）：，（）：王光伟，茹国平，屈新萍，等钴镍与多晶锗硅的固作者简介：王光伟（），男，山东滨州人，副教授，博士，主要从事半导体锗硅薄膜材料、工艺和器件研究。相反应和肖特基接触特性半导体技术，（）：，