SGOI材料的SIMOX制備技術(shù)研究.pdf

1、SGOI(SiGe-oninsulator，SGOI)材料同時(shí)具備SiGe材料和SOI材料的雙重特點(diǎn)，因而成為應(yīng)變硅技術(shù)應(yīng)用的新型襯底材料。利用SGOI材料作為襯底生長(zhǎng)的應(yīng)變硅材料，由于載流子遷移率的提高，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有線寬下，CMOS性能的提高。然而，載流子遷移率的提高效率是由應(yīng)變硅的應(yīng)變大小決定的，也就決定于SGOI中鍺含量大小。理想的SGOI襯底要求鍺含量達(dá)到30％以上以使電子、空穴遷移率提高到飽和值。但是，目前30％鍺含量的SGO

2、I材料的制備還面臨相當(dāng)?shù)睦щy。利用SIMOX技術(shù)制備的SGOI材料鍺含量難以超過(guò)10％，這主要是由于隨著鍺含量的提高，硅鍺的熔點(diǎn)逐漸降低，高質(zhì)量的埋氧層形成所需要的高溫退火條件不能滿足。鍺含量超過(guò)10％以上時(shí)，高溫退火造成嚴(yán)重的鍺損失和晶格質(zhì)量惡化。 本論文即圍繞著高質(zhì)量SGOI材料的SIMOX制備技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，重點(diǎn)是改進(jìn)SIMOX技術(shù)并用于SGOI的制備和SIMOX劑量、能量的匹配關(guān)系研究。 本論文討論了SiG

3、e材料的熱氧化特性與氧化氣氛的關(guān)系。通過(guò)工藝優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了無(wú)Ge-Pileup的SiGe熱氧化。研究發(fā)現(xiàn)，SiGe氧化特性對(duì)氧化氣氛具有選擇性，其本質(zhì)是氧化傳質(zhì)機(jī)理的不同。 為解決鍺損失的難題，本文提出了CAP-SIMOX技術(shù)，先生長(zhǎng)一二氧化硅蓋帽層，使鍺在退火過(guò)程中不能輕易擴(kuò)散流失出去，再進(jìn)行離子注入，注入劑量和能量分別為3×1017cm-2和60KeV，最后進(jìn)行高溫退火。研究發(fā)現(xiàn)，采用這種新工藝制備得到了高質(zhì)量的SGOI材料，硅

4、鍺組分均勻，晶格質(zhì)量較好，TEM觀測(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷存在，X射線搖擺曲線和拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)頂層硅鍺鍺含量提高到約17％，而且應(yīng)變弛豫完全，且埋氧層連續(xù)，無(wú)硅島。CAP-SIMOX技術(shù)的提出將SGOI材料的鍺含量上限提高到了17％，在此基底上運(yùn)用應(yīng)變硅技術(shù)可以達(dá)到電子遷移率提高的飽和值。 在此基礎(chǔ)上，本文還對(duì)CAP-SIMOX技術(shù)進(jìn)行了工藝優(yōu)化，將氧化工藝與退火工藝整合，簡(jiǎn)化了SIMOX制備SGOI的工藝流程，提出了氧化增強(qiáng)注氧隔離技

5、術(shù)，并制備得到了高質(zhì)量的SGOI材料，RBS溝道產(chǎn)額為7％。研究發(fā)現(xiàn)，氧化增強(qiáng)注氧隔離技術(shù)提高SGOI材料質(zhì)量的機(jī)理與CAP-SIMOX是相同的，都是由于氧化保護(hù)層的存在，有效地限制了鍺的損失，通過(guò)高溫退火過(guò)程促進(jìn)鍺的均勻分布和晶格質(zhì)量提高。由于其制備的SGOI材料的優(yōu)越性能及更加簡(jiǎn)化的工藝，氧化增強(qiáng)注氧隔離技術(shù)更具競(jìng)爭(zhēng)力。 為擴(kuò)大CAP-SIMOX技術(shù)的應(yīng)用范圍，本文還系統(tǒng)地研究了注入劑量、能量等工藝參數(shù)對(duì)材料質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)

6、中，氧離子的注入劑量和能量從低劑量/能量(2.0×1017cm-2@25kev)一直變化到常規(guī)的高劑量/能量(5.6×1017cm-2@120kev)。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)優(yōu)化注入劑量和能量可以顯著提高SGOI材料的質(zhì)量，并得到了制備SGOI材料的SIMOX能量、劑量匹配關(guān)系。此外，本論文還對(duì)CAP-SIMOX過(guò)程中，埋氧層的形成機(jī)制進(jìn)行了探討。我們提出高質(zhì)量的SGOI結(jié)構(gòu)的形成，是發(fā)射間隙硅原子(siliconinterstitial)和S