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摘要
锗硅(Si1-xGex)是硅和锗通过共价键结合起来的半导体合金材料。在当今以硅基器件为主流的时代，锗硅由于和现有硅集成电路工艺相容，在半导体材料科学和器件应用方面具有重要意义。 单晶Si1-xGex适合于能带工程，改变x值可以调节其晶格常数、禁带宽度、介电常数等；Si上外延Si1-xGex可形成异质结双极晶体管(HBT)的基区，比同质Si晶体管具有更高截止频率和电流增益；外延Si1-xGex／Si系统在某些新型器件结构，如应变硅(strained Si)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(QWMOSFET)等也可能得到应用。 多晶锗硅在现代集成电路中亦有重要应用。Si1-xGex的熔点比Si低，淀积、结晶和杂质激活温度也比Si低，比较适宜低温工艺。多晶锗硅可以用作MOSFET栅极材料、薄膜晶体管(TFT)、提升源漏以及选择扩散源等。 本文采用离子束溅射淀积锗硅薄膜，通过再结晶提高其结晶度，是一种简便、经济和利于环保的方法。利用热扩散法，分别在650-950℃和700-1000℃对锗硅薄膜进行磷、硼掺杂。高温扩散过程伴随着再结晶过程。用X射线衍射(XRD)和激光Raman光谱表征了锗硅薄膜在扩散前后的物相。刚淀积的锗硅薄膜结晶度很低。扩散后，锗硅的3个特征衍射峰SiGe(111)、SiGe(220)和SiGe(311)的强度明显增强。Raman光谱表明，刚淀积的锗硅薄膜检测不到Raman信号；扩散后，出现Ge-Ge特征振动峰。俄歇电子谱(AES)测试表明，所制备的Si1-xGex中Ge含量约为15-16％。载流子浓度与磷、硼在Si1-xGex中的固溶度以及在晶粒间界分凝有关。利用Hall测试得到了磷、硼扩散后Si1-xGex薄膜的载流子浓度及Hall迁移率与扩散温度的关系。 研究了影响锗硅薄膜固相结晶的诸多因素。1kV／20mA束流的Ar+离子轰击锗硅薄膜3min，在同样的热处理条件下，比不轰击的样品能获得更高的结晶度。对常规炉退火和快速热退火引起的结晶进行了对比研究。这两种退火方式的共性是，退火温度越高，退火时间越长，则锗硅薄膜结晶度越高。就常规炉退火而言，单晶硅衬底比SiO2衬底更有利于锗硅薄膜的结晶。对晶粒尺寸、Hall迁移率以及载流子浓度与热退火条件之间的关系进行了研究。通过AES测试发现，常规炉退火结晶的一个主要问题是比较严重的氧化。利用Raman光谱对快速热退火引起的结晶进行了表征。探讨了锗硅薄膜结晶与快速热退火条件的关系。 系统研究了钴镍与多晶锗硅薄膜的固相反应。用XRD和AES谱分别表征了生成物物相和元素深度分布。发现较低温度下反应很弱，钴的作用是诱导锗硅薄膜结晶。中等温度退火时，生成物占优势的物相是Co(Si1-yGey)。通过Vegard公 摘要 式计算出y=o.12。AEs谱表明，Ge在反应过程中发生分凝;退火温度越高，分 凝的Ge越多，Ge富集在Co(Sil，G动/S 11二G灸界面及样品表面。随着退火温度的 上升，存在相转变过程Co(Si，一Gey)峥Cosi峥CosiZ。相应地，电学特性上表现为 薄层电阻不断下降。与在单晶Si上形成Cosi:相比，这里CosiZ生成温度提高了。 这可归结为Co(si1一G动/511一G吼界面的富Ge层充当了C。向si，一Gex扩散的阻挡 层，导致C。的有效扩散系数减小，降低了反应速率。在co/n一poly一siGe之间加 一薄层Ti，可以有效地降低低阻相的生成温度。镍与多晶锗硅的固相反应与钻有 类似之处。 根据热电子发射模型，对钻镍与多晶锗硅薄膜的肖特基接触特性进行了研 究。实验表明，快速热退火对表观肖特基势垒高度只有微弱影响。过渡金属铜、 钨、镍、铂、钦、钒在快速热退火条件下，各自的势垒高度基本不变。研究了势 垒高度随金属铜、钨、镍、铂、钦、钒、钻和铝功函数的变化，发现与功函数只 有微弱的依赖关系。这可归结为高密度的界面态对费米能级的“钉扎”效应。铝 /多晶锗硅的接触，在热退火处理下，存在shannon效应。利用变温I-V方法(1- V-T 测试)，表征了表观势垒高度的不均匀分布。理想因子较宽的波动范围和 形chardson曲线的弯曲是势垒高度分布不均匀的体现。通过线性拟合，得到在不 同退火条件下，势垒高度分布的标准偏差以及相关参量。表观肖特基势垒高度随 理想因子的增大而降低。 对多晶锗硅薄膜作为薄膜晶体管材料的可行性作了初步研究。给出了制作该 晶体管的简单制程，进行工艺操作，得到了大尺寸的原型器件。虽然晶体管的特 性有待于改进，但为该课题的探索创造了一个开端。
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