高迁移率应变SiGe上NiSiGe材料特性的研究

摘要

随着超大规模集成电路集成度的不断增加，晶体管的单元尺寸持续的缩小。晶体管工艺流程发展到了纳米节点以下，线宽效应、短沟道效应等原因使得晶体管性能的持续提高面临了巨大挑战。为了进一步提高晶体管的性能，需要新的沟道材料及相应的制备工艺。近年来，应变硅锗（SiGe）材料，因其与目前硅（Si）工艺的兼容性，被引入到新型的器件结构中，大大增强了沟道载流子的迁移率，提高了器件的速度和性能。在晶体管的源漏区域，金属硅化物（Silicide）作为接触材料，有效降低了接触电阻，提升了晶体管的电学性能。
　　本论文工作针对应变 SiGe和镍（Nickle，Ni）反应很难形成均匀、平整的镍硅锗（NiSiGe）接触材料，利用金属钛（Titanium，Ti）插入层对Ni/SiGe反应的影响，进行了以下方面的研究：
　　1.研究了不同厚度Ti纳米薄膜插入层对最终生成NiSiGe的影响。研究发现随着插入层厚度的增加，镍的硅锗化物薄膜生成质量逐渐变好并趋于稳定，5 nm Ti金属插入层可以调制高质量（010）取向NiSiGe的生成。
　　2.探明了低温退火条件对Ti插入层调节作用的影响。针对不同温度下5 nm特定厚度在300℃、400℃、500℃、600℃条件下进行大量实验，发现500℃左右是最理想的退火温度，超过（或等于）600℃的条件退火，薄膜质量急剧下降。同时研究了二次退火工艺在对Ti插入层调节作用的影响，进行第一阶段的低温预退火，然后进行目标温度的退火。发现了在低温和高温时生成NiSiGe的不同机制：低温时倾向于扩散机制，高温时倾向于形核机制。Ti插入层的调制减缓了反应进程，使得扩散机制的作用温度范围增加。
　　3.发现了Ti调制均匀NiSiGe外延生长的机理：Ti元素可以与Si、Ge反应，通过增加Ti缓冲层进而可以调节Ni与Si、Ge反应进度的行为。通过各种元素的相互扩散之后，最终会在应变SiGe材料上生成接触良好的Ni的锗硅化物。生成有外延关系的硅化物，硅化物的晶格与衬底SiGe的晶格有共格晶界。生成高质量的外延单晶薄膜的同时，衬底中的应力得到了很好的保持
　　应用Ti插入层调制外延生长的方法，试验中生成了高质量的单晶NiSiGe薄膜。这对NiSiGe生成机制的进一步研究和实际应用都有重要价值。

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第一章 绪 论

1.1 SiGe在COMS器件中应用

1.2 IC中的接触技术

1.3 镍基锗硅化物

1.4 本论文的安排

第二章 样品的制备

2.1 样品的清洗

2.2 SiGe的外延生长

2.3 金属Ni薄膜的生长

2.4 快速退火

2.5 本章小结

第三章 Ni/Ti/SiGe反应表征

3.1 NiSiGe薄膜表征

3.2 Ti插入层对NiSiGe形成影响分析

3.3 Ti厚度变化影响

3.4 二次退火影响

3.5 本章小结

第四章 Ti调制NiSiGe单晶的生长机制及特点

4.1 NiSiGe薄膜的微观表征手段

4.2 NiSiGe薄膜材料微观结构

4.3 外延NiSiGe晶体表征

4.4 Ti调制NiSiGe的生长机制

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢