SOI基鍺硅弛豫研究及絕緣體上應變硅材料制備.pdf

1、應變硅(StrainedSilicon)材料是一種新型的電子材料，主要是利用異質(zhì)外延技術(shù)，在弛豫的鍺硅(RelaxedSiGe)合金襯底上制備得到一層處于雙向壓應力狀態(tài)下的硅層。由于應變硅層中硅的能帶在應力狀態(tài)下由六個能谷分裂為4個高能能谷和2個低能能谷，因而能夠同時提高空穴和電子的遷移率，用作器件的溝道材料能夠兼顧器件的高速度和低功耗的要求。并且應變硅材料和現(xiàn)有的硅集成電路的工藝完全兼容，對超大規(guī)模集成電路的發(fā)展有著相當重要的意義。

2、 通常制備應變硅材料，需要高度弛豫、位錯密度較低的SiGe合金作為襯底，而SiGe襯底帶來的合金散射將會降低載流子的傳輸效率，同時對于光刻工藝而言，幾微米厚的SiGe襯底也是難以處理的。為了消除SiGe層，人們將已經(jīng)成熟的絕緣體上硅(SOI)技術(shù)和應變硅技術(shù)相結(jié)合，而形成新的絕緣體上的應變硅(StrainedSilicononInsulator，SSOI)技術(shù)，不但可以降低SiGe襯底帶來的合金散射，還可以解決由于SiGe襯底厚度

3、所帶來的光刻方面的問題，同時還充分兼?zhèn)淞薙OI技術(shù)的優(yōu)點，因而SSOI技術(shù)是目前國際半導體領(lǐng)域研究的熱點和重點之一。 現(xiàn)有報道的制備SSOI的方法是采用智能剝離(SmartCut)技術(shù)。將在弛豫的SiGe襯底上外延的應變硅層，與表面氧化的硅片鍵合在一起，然后通過離子注入的方法將SiGe從應變硅層剝離，從而制備得到SSOI結(jié)構(gòu)。這種方法目前還在實驗室階段，無法進行批量生產(chǎn)。 在研究應變SiGe合金的弛豫現(xiàn)象時，人們發(fā)現(xiàn)，當

4、SiGe外延在超薄的SOI襯底上時，不但SiGe合金的弛豫度得到提高，而且由于弛豫而帶來的位錯密度也得到了大幅度的下降。進一步的研究還發(fā)現(xiàn)SOI頂層硅層在SiGe合金弛豫以后，具有一定程度的應變存在。在本文工作中，我們深入探討了外延在超薄的SOI襯底上的應變SiGe合金的弛豫機理。結(jié)果表明在SiGe薄膜和SOI襯底之間存在著一個應變傳遞和分配的過程。具體的應變傳遞和分配的比例取決于SiGe薄膜和SOI襯底的相對厚度以及SiGe合金中Ge

5、的含量。SiGe薄膜中的應變弛豫是通過應變分配和傳遞實現(xiàn)的，而SOI層中的應變弛豫主要通過兩個過程進行：(1)通常的位錯形核和擴展來弛豫應變；(2)在SiO2層上滑移來消除分配而來的應變。但是由于SOI頂層硅和SiO2埋層之間界面結(jié)合的比較牢固，單純的退火并不能夠促使SOI頂層硅層在SiO2層上滑移以釋放傳遞到頂層硅層的應變，而只能通過位錯的產(chǎn)生和擴展來弛豫SOI頂層硅層中的應變。但如果通過有效的輔助手段，弱化SOI頂層硅和SiO2埋層

6、之間的界面作用，在從SiGe薄膜傳遞來的應變的推動下，頂層硅層就能夠在SiO2層上滑移來弛豫其中的應變。同時，滑移過程又將在SOI層中產(chǎn)生新的應變。當去除SiGe薄膜以后，SOI頂層硅層中由于滑移而產(chǎn)生的應變將會部分保留下來，形成新的應變層，即形成了SSOI結(jié)構(gòu)。 在本論文工作中，我們先在超薄的(50nm)SOI襯底上外延一層應變的SiGe薄膜，然后將N+離子注入到SOI中的Si/SiO2界面處，弱化Si/SiO2界面結(jié)合。在隨