半导体锗硅薄膜材料及相关工艺技术.doc

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1、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：ＴＮ３０４．０５５文献标识码：Ａ　　　　　　　　文章编号：１００３－３５３Ｘ（２００６）１２－０８８１－０６Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ＳｉＧｅ　Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｒｅｌａｔｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌ

2、ｏｇｉｅｓＷＡＮＧ　Ｇｕａｎｇ－ｗｅｉ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ　，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳｉＧｅ　ｆｉｌｍ，　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，　ｓｏｌｉｄ－ｐｈａｓｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｏｌｉｄ　ｓｔａｔｅ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｍｅｔａｌｓ　ｗ

3、ｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．　Ｔｈｅ　ｃｒｙｓｔａｌｉｎｉｔｙ　ｅｎ－ｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳｉＧｅ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｉａｌｔｙ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｍｅｔａｌｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｃｏｂａｌｔ，　ａｎｄ　ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ＩＣ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ＳｉＧｅ

4、；　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ；　ｓｏｌｉｄ－ｐｈａｓｅ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ；　ｓｏｌｉｄ　ｓｔａｔｅ　ｒｅａｃｔｉｏｎ；　ＩＣ１　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。锗硅材料的出现及应用印证了这一论断。锗硅（Ｓｉ１－ｘＧｅｘ）是Ｓｉ和Ｇｅ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

5、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（ＭＯＳＦＥＴ）的栅极和薄膜晶体管（ＴＦＴ）基金项目：天津市高校科技发展基金资助项目（ＪＷ）December2006的有源层；单晶（外延）锗硅主要用作ＭＯＳＦＥＴ的有源层、异质结双极晶体管（ＨＢＴ）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：①Ｓｉ１－ｘＧｅｘ适合于能带工程，改变ｘ值

6、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；②　外延Ｓｉ１－ｘＧｅｘ作为ＨＢＴ的基区，比同质Ｓｉ晶体管具有更高截止频率和电流增益；③Ｓｉ１－ｘＧｅｘ的熔点比Ｓｉ低，其淀积、结晶和杂质激活温度也比Ｓｉ低，更适合于低温工艺，如制备玻璃衬底上的薄膜晶体管（ＴＦＴ）等；④　与现有的硅SemiconductorTechnologyVol.31No.12881趋势与Outlook&features集成电路工艺相容；⑤　一些新型器件结构，如应变硅ＣＭＯＳ器件、调制掺杂场效应晶体管（ＭＯＤＦＥＴ）、量子阱金属－氧化物－半导体场效应晶体管、红外探测器和

7、隧道器件等均是基于Ｓｉ／Ｓｉ１－ｘＧｅｘ系统；⑥　多晶锗硅用作功函数可变的ＭＯＳＦＥＴ的栅极材料［１］、低温薄膜晶体管的有源层［２－３］、提升源漏［４］以及选择扩散源等。图１为Ｓｉ１－ｘＧｅｘ薄膜作为有源层和缓冲层的ＭＯＳＦＥＴ示意图［５］。膜通常含有一定量的氢，Ｓｉ／Ｓｉ１－ｘＧｅｘ界面态密度与氢含量有关。多晶锗硅薄膜，可由ＭＢＥ、ＣＶＤ或物理气相沉积（ＰＶＤ）制备。ＰＶＤ方法，如溅射和蒸镀，制备的Ｓｉ１－ｘＧｅｘ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Ｓｉ１－ｘＧｅ

8、ｘ薄膜（纳米量级），可由原子层沉积（ＡＬＤ）等工艺实