SOI、SGOI、GOI材料制备技术研究

发布时间：2017-09-25 00:43

  本文关键词：SOI、SGOI、GOI材料制备技术研究

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【摘要】：微电子技术沿着摩尔定律从65nm、45nm不断推进至当前的14nm节点,不远的未来将发展至10/7nm节点,摩尔定律的发展面临着严峻的挑战。研究表明,当晶体管栅极长度小于5nm时,晶体管会因为隧穿效应而失效。因此,寻找替代硅工艺的材料,成为非常迫切的现实问题。目前,高迁移率SiGe材料已经逐步成为主要的沟道材料。根据ITRS的预测,在2016～2020年间,沟道材料将过渡到Ge/Ⅲ-Ⅴ族材料。本论文正是在上述背景下,结合承担的“极大规模集成电路制造设备及成套工艺”国家科技重大专项“新型硅基应变材料研究”和“16/14nm关键工艺研究”课题,开展广泛、深入的研究与开发工作,主要包括以下几个方面的内容：第一,8英寸sSi、SiGe和Ge材料制备技术研究；第二,基于层转移技术制备ETSOI、sSOI、SGOI和GOI材料；第三,开发了具有自主知识产权的Simsplit吸附剥离技术；第四,Simsplit技术中吸附剥离机制研究；第五,Simsplit技术中影响吸附剥离效果因素的研究。取得了如下重要研究成果：1、通过对8英寸体硅上外延SiGe材料工艺的系统研究,探索了薄膜的生长速率、Ge组分与外延温度、压强和气体流量比之间的关系,深刻研究了不同Ge组分的SiGe薄膜的生长机制。2、使用低温缓冲层与高低温外延技术相结合的方法成功制备出了8英寸高质量的Ge薄膜材料(表面粗糙度小于0.5nm,穿透位错密度为106cm-2量级,均匀分布的0.24%张应变),为后续层转移制备GOI材料奠定基础。3、利用Smart cut技术制备了高迁移率SGOI、sSOI和GOI材料系列晶圆片。大量测试结果显示,制备的SGOI、sSOI和GOI材料表现了很高的晶体质量：低的表面粗糙度(lnm)和低的穿透位错密度(～105cm-2)。4、基于B掺杂SiGe夹层对注入H+的强烈吸附作用,开发了具有自主知识产权的Simsplit技术。此技术可以把传统Smart cut工艺的注入剂量(6×1016/cm2)降低一半(3×1016/cm2),有效地提高制备效率、降低制备成本。使用此工艺制备的SGOI材料具有良好的特性：平整的剥离界面,粗糙度为1.5nm,无需后续化学机械抛光处理。5、通过对240nm Si/15nm B-doped Si0.70Ge0.30/Si sub.异质结构进行注入3×1016/cm2 H+及退火的研究,分别从原子间成键键能、界面剪切力、注入损伤区最大应力释放速率和缺陷演变这四个方面对机理进行了解释。6、进一步研究了Simsplit吸附剥离技术。根据离子注入及退火工艺的不同,对比分析了B掺杂SiGe夹层中Ge组分、退火温度、不同注入能量、不同夹层厚度等因素对吸附剥离的影响。7、通过B掺杂SiGe/Si超晶格结构的引入,即使B浓度降低一个数量级(1018 cm-3),B掺杂的超晶格结构对注入H+仍具有强烈的吸附效果,实现吸附剥离。另外,创造性地把微波退火引入Simsplit吸附剥离技术中,实现了低温下的吸附剥离,这对具有高热失配的材料(如GOI、ⅢVOI等)制备提供了技术保障。
【关键词】：绝缘体上应变硅 绝缘体上锗硅 绝缘体上锗 减压化学气相沉积
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-36
• 1.1 引言10-11
• 1.2 绝缘体上的硅技术(Silicon on Insulator：SOI)11-13
• 1.2.1 绝缘体上硅的定义与主要优势11-13
• 1.2.2 SOI技术的发展历史与新动向13
• 1.3 SOI技术的拓展—应变及高迁移率材料的引入13-18
• 1.3.1 SOI技术中应变的引入—sSOI材料14-17
• 1.3.2 SO1技术中应变的引入—高迁移率材料SiGeOI、GeOI17-18
• 1.4 基于绝缘体上材料的MOSFET器件性能参数18-21
• 1.4.1 MOSFET的工作原理19-20
• 1.4.2 MOSFET的最重要参数20-21
• 1.5 绝缘体上材料的主要制备技术21-29
• 1.5.1 SOI材料的主要制备方法21-25
• 1.5.2 SGOI材料的主要制备方法25-27
• 1.5.3 sSOI材料的主要制备方法27-28
• 1.5.4 GOI材料的主要制备方法28-29
• 1.6 本论文的主要研究工作29-30
• 1.7 参考文献30-36
• 第二章 8英寸体硅上sSi、SiGe、Ge材料外延技术36-74
• 2.1 减压化学气相沉积系统(RPCVD)介绍36-39
• 2.1.1 RPCVD系统设备构造36-37
• 2.1.2 衬底材料外延前清洁处理37-38
• 2.1.3 薄膜外延沉积38-39
• 2.2 材料表征与性能测试介绍39-43
• 2.2.1 离子注入机39-40
• 2.2.2 XRD四晶衍射仪40-41
• 2.2.3 原子力显微镜(AFM)41-42
• 2.2.4 Raman光谱42
• 2.2.5 透射电子显微镜(TEM)42
• 2.2.6 二次离子质谱(SIMS)42-43
• 2.3 体硅上SiGe材料外延制备43-49
• 2.3.1 衬底温度对SiGe外延薄膜的影响43-45
• 2.3.2 气体流量对SiGe外延薄膜的影响45-46
• 2.3.3 反应压强对SiGe外延薄膜的影响46
• 2.3.4 8英寸高质量SiGe薄膜制备46-49
• 2.4 体硅上sSi材料外延制备49-59
• 2.4.1 He~+注入致SiGe弛豫技术研究49-51
• 2.4.2 H~+注入致SiGe弛豫技术研究51-57
• 2.4.3 He~+注入致SiGe弛豫制备sSi材料表征57-59
• 2.5 体硅上Ge材料外延制备59-70
• 2.5.1 利用低温B掺杂SiGe缓冲薄层外延高质量Ge薄膜59-63
• 2.5.2 利用低温SiGe/Si超晶格缓冲薄层外延高质量Ge薄膜63-66
• 2.5.3 低温-高温升温速率对外延高质量Ge薄膜的影响66-70
• 2.6 本章小结70
• 2.7 参考文献70-74
• 第三章 基于层转移技术制备绝缘体上材料74-98
• 3.1 智能剥离(Smart cut)技术制备绝缘体上材料74-84
• 3.1.1 8英寸绝缘体上应变Si(sSOI)制备74-78
• 3.1.2 8英寸绝缘体上SiGe(SGOI)制备78-80
• 3.1.3 8英寸绝缘体上Ge(GOI)制备80-84
• 3.2 吸附剥离(Simsplit)技术制备绝缘体上材料84-94
• 3.2.1 Simsplit技术的介绍及SGOI制备86-90
• 3.2.2 Simsplit技术制备ETSOI、GOI材料研究90-94
• 3.3 本章小结94-95
• 3.4 参考文献95-98
• 第四章 Simsplit技术及其吸附剥离机理研究98-128
• 4.1 Simsplit技术中掺杂夹层对注入H~+的吸附行为及其机理研究98-108
• 4.1.1 实验流程98-99
• 4.1.2 Simsplit技术中剥离行为测试表征99-102
• 4.1.3 Simsplit技术中剥离机理研究102-108
• 4.2 Simsplit技术中吸附剥离行为的可控性研究108-120
• 4.2.1 B掺杂SiGe夹层中不同Ge组分对吸附剥离的影响108-109
• 4.2.2 不同退火温度对吸附剥离的影响109-110
• 4.2.3 不同的注入能量对吸附剥离的影响110-114
• 4.2.4 不同的夹层厚度对吸附剥离的影响114-117
• 4.2.5 厚膜剥离研究117-120
• 4.3 Simsplit技术中增强吸附剥离效应及其机理研究120-125
• 4.3.1 增强吸附剥离效应—B掺杂SiGe/Si超晶格夹层121-124
• 4.3.2 增强吸附剥离效应—微波退火124-125
• 4.4 本章小结125-126
• 4.5 参考文献126-128
• 第五章 全文总结和工作展望128-130
• 5.1 全文总结128-129
• 5.2 工作展望129-130
• 攻读学位期间发表论文、申请专利情况130-136
• 致谢136-137

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