集成电路制造中选择性锗化硅外延工艺研究

论文摘要

根据摩尔定律：集成电路特征尺寸每18个月将减小30%,集成度增加一倍,产品性价比增加一倍。在先进CMOS中,传统靠减薄栅氧化层厚度的方法已经不能满足器件的需求。于是人们不得不通过其它方法来改善器件性能,如高介电常数栅氧技术和应力增强技术。应力增强方法中最重要的就是在P型半导体的源/漏区用选择性外延生长的锗化硅代替传统的硅。因为锗的原子半径比硅要大,当锗掺入硅中后,源漏区会产生张应力,对沟道而言,则会受到压应力的影响。PMOS的空穴在压应力的作用下,迁移速率会大大加快,从而提高了器件性能。论文首先介绍了选择性外延锗化硅生长的原理和机台结构。以及外延锗化硅薄膜的表征手法和监测机台。表征手法主要包括：粉尘的检测,haze(?)：薄雾)的检测,锗化硅厚度和锗浓度的检测。还包括生长的锗化硅有无错位等。外延锗化硅的质量检测是生产过程中的重要一环。其次,论文研究了选择性外延锗化硅生长时的图形密度效应,包括宏观图形密度效应和微观图形密度效应。研究发现,对宏观图形密度效应而言,随着单晶硅曝光比率的增加,SiGe的生长速率逐渐变慢,锗的浓度也逐渐降低。微观图形密度效应是指同一晶片或同一器件之内,微观领域不同功能区之间单晶硅的曝光率不一致,造成不同功能区之间外延锗化硅厚度和浓度的不一致。论文分析了微观图形密度效应对栅间距渐变的影响,以及减小图形密度效应的几种方法。论文还研究了选择性外延锗化硅生长过程中的影响因数。如温度、压力的影响,二氯硅烷气体流量,锗烷气体流量和氯化氢气体流量的影响。分析了上述几个参数对锗化硅的生长速率和锗浓度影响的灵敏度。结果表明,影响锗化硅厚度的顺序为：锗烷分压>反应腔压力>温度>氯化氢气体分压>二氯硅烷分压,其中,氯化氢分压为负向影响；而影响锗浓度的顺序为：反应腔压力>锗烷分压>二氯硅烷分压>温度>氯化氢气体分压,其中温度和二氯硅烷的流量为负向影响。论文最后研究了选择性外延锗化硅籽晶层的生长。随着技术越来越先进,锗的含量也随着提高。同时在锗化硅中掺入硼元素,减少热预算。这两个发展方向都离不开锗化硅籽晶层的生长。本文研究了如何生长质量均匀的籽晶层,使它既能阻挡硼的扩散,又能很好的衔接锗硅硼的主体层。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 CMOS集成电路锗化硅外延层发展的起因与挑战
• 1.1 集成电路概述
• 1.1.1 集成电路的产生及历史意义
• 1.1.2 集成电路的类别
• 1.1.3 集成电路的发展历程及摩尔定律
• 1.1.4 CMOS集成电路发展面临的挑战及解决方法
• 1.2 CMOS集成电路锗化硅外延工艺的发展及挑战
• 1.2.1 CMOS集成电路载流子的迁移率
• 1.2.2 CMOS集成电路主要晶体应变技术简介
• 1.2.3 嵌入式选择性锗化硅外延工艺现状
• 1.2.4 本论文的目的和论文内容的安排
• 第二章 选择性锗化硅外延层的制造及相关参数测试
• 2.1 选择性锗化硅外延层生长的机台简介
• 2.1.1 机台类型的选择
• 2.1.2 AMAT选择性外延反应腔的应用
• 2.1.3 AMAT Centura（?）RP Epi机台构造简介
• 2.1.4 AMAT Centura（?）RP Epi温度控制系统和稳定性测试
• 2.2 选择性SiGe外延反应原理和外延工艺顺序
• 2.3 锗化硅外延控片和产品的准备
• 2.3.1 控片的准备
• 2.3.2 产品的准备
• 2.4 器件测试设备简介
• 2.4.1 光学厚度量测设备简介
• 2.4.2 光学微尘量测设备简介
• 2.4.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.4 二次离子质谱仪（SIMS）
• 2.4.5 器件测试仪器介绍
• 第三章 锗化硅外延层的图形密度效应分析
• 3.1 锗化硅外延层图形密度效应的产生
• 3.2 宏观图形密度效应（Global Loading）
• 3.3 微观图形密度效应
• 3.3.1 微观图形密度效应的产生及验证
• 3.3.2 微观图形密度效应对栅间距渐变的影响
• 3.4 图形密度效应的减小方法
• 第四章 选择性外延锗化硅工艺影响因素研究
• 4.1 外延锗化硅的临界厚度研究
• 4.2 选择性外延锗化硅工艺影响因素研究
• 4.2.1 各因素对选择性外延SiGe生长的理论分析
• 4.2.2 SiGe影响因素实验方法设计
• 4.3 选择性外延SiGe工艺在线分析
• 4.3.1 选择性外延SiGe工艺透射电子显微镜分析（TEM）
• 4.3.2 选择性外延SiGe工艺电性分析
• 第五章 选择性外延SiGe工艺籽晶层的研究
• 5.1 选择性外延SiGe工艺籽晶层的由来
• 5.2 SiGe籽晶层厚度均匀性的研究
• 5.3 SiGe锗浓度梯度的研究
• 第六章 结论
• 参考文献
• 论文与专利发表
• 致谢