SGOI、SODI新结构材料及其相关技术研究

论文摘要

随着芯片制造业遵循摩尔定律向大尺寸晶圆450mm、光刻线宽nm级、高精度、高效率、低成本发展，集成电路也逐步从微电子时代发展到微纳米电子时代，现有的体硅材料和工艺正接近它们的物理极限，遇到了严峻的挑战。应变硅技术、SOI（Silicon-on-Insulator）技术和高K栅介质材料是三项在硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上出现的，有独特优势、能突破体硅材料与硅集成电路限制的新兴技术。 本论文正是在上述背景下，结合中国科学院上海微系统与信息技术研究所和香港城市大学应用物理与材料科学系的实验条件，在国家自然科学基金、上海市青年科技启明星计划、国家重点基础研究发展计划以及香港研究资助局等赞助下开展研究工作，主要包括以下几方面：（1）利用SOI材料作为“容忍型”衬底，在其上异质外延高质量的赝晶SiGe材料，通过高温退火得到驰豫的SiGe薄膜。（2）采用改良型Ge浓缩技术，制备SGOI材料，对SGOI结构进行系统的表征，深入总结其实验机理。（3）在获得的SGOI衬底材料上生长高质量应变硅材料。（4）比较了类金刚石薄膜（Diamond-Like-Carbon简称DLC）作为埋层和涂层两种情况下的热稳定性，从而研究以类金刚石作为埋层制备SOD（Silicon-On-Diamond）材料的可行性。（5）利用Smart-Cut技术制备以SiO2／DLC为埋层的双绝缘埋层的SOI（Silicon-On-SiO2／DLC Dual-Insulator（SODI））材料。（6）在SiGe材料基础上，开展了一系列栅介质材料(Al2O3／ZrO2／Al2O3、Al2O3、Zr0.6Al0.4O1.8)基于SiGe器件应用方面的研究。获得的主要结果如下： 1)以超薄SOI作为“容忍型”衬底，在其上采用超高真空CVD方法生长高质量赝晶SiGe薄膜。所得到的SiGe薄膜Ge组分为18％，深度均匀性好，具有很好的晶体质量，应变率95％，近似完全应变状态。高温退火过程中，超薄SOI中的埋层SiO2具有熔融特性，可以释放SiGe层中的应

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章、前言
• 1.1 SOI技术
• 1.1.1 基本概念
• 1.1.2 SOI的优势及应用
• 1.1.3 SOI材料的主流制备技术
• 1.1.4 SOI器件固有物理问题
• 1.1.5 SOI技术发展的现状与展望
• 1.2 应变Si技术
• 1.2.1 基本概念
• 1.2.2 应变Si产生的途径
• 1.2.3 应变Si的优势
• 1.2.4 应变Si存在物理问题
• 1.2.5 应变Si技术的发展现状与未来商业市场
• 1.2.6 SGOI材料方面
• 1.3 高K栅介质材料
• 1.3.1 基本概念
• 1.3.2 高K栅介质材料的基本要求
• 1.3.3 国际研究进展
• 1.3.4 仍然存在的问题
• 1.4 本论文工作
• 第二章、低应变SiGe生长及表征
• 2.1 引言
• 2.1.1 异质外延
• 2.1.2 SiGe薄膜生长的临界厚度
• 2.1.3 “容忍型”衬底的概念
• 2.2 SiGe薄膜的生长
• 2.2.1 超高真空化学气相沉积（UHVCVD）系统
• 2.2.2 实验流程
• 2.3 SiGe材料表征
• 2.3.1 俄歇电子能谱（AES）
• 2.3.2 四晶衍射（摇摆曲线）
• 2.3.3 Raman光谱
• 2.3.4 透射电镜
• 2.4 SiGe薄膜的应力释放
• 2.4.1 摇摆曲线
• 2.4.2 透射电镜
• 2.5 本章小结
• 第三章、改良型Ge浓缩技术制备SGOI新结构及应变Si生长
• 3.1 SGOI材料的主流制备技术
• 3.1.1 SIMOX技术
• 3.1.2 键合技术
• 3.1.3 Smart-Cut技术
• 3.1.4 Ge浓缩技术
• 3.2 实验流程
• 3.3 SGOI材料的表征
• 3.3.1 透射电镜观察
• 3.3.2 X射线四晶衍射分析
• 3.3.3 原子力显微镜（AFM）观察
• 3.3.4 X射线光电子能谱（XPS）
• 3.3.5 Raman光谱
• 3.3.6 二次离子质谱（SIMS）
• 3.4 Ge浓缩技术中Ge原子运动机理
• 3.5 应变Si的生长
• 3.5.1 实验流程
• 3.5.2 应变Si材料的表征
• 3.6 本章小结
• 第四章、埋层DLC的热稳定性研究
• 4.1 类金刚石薄膜概述
• 4.1.1 类金刚石薄膜的相结构
• 4.1.2 类金刚石薄膜制备方法
• 4.2 埋层DLC的制备
• 4.3 埋层DLC的热稳定性分析
• 4.3.1 Raman光谱
• 4.3.2 X射线光电子能谱（XPS）
• 4.3.3 高热稳定性的机理
• 4.4 本章小结
• 2／DLC为双绝缘埋层的新结构SODI材料'>第五章、以SiO₂／DLC为双绝缘埋层的新结构SODI材料
• 5.1 引言
• 5.1.1 自加热效应
• 5.1.2 SOD（Silicon-On-Diamond）材料
• 5.2 SODI新结构材料的制备
• 5.3 SODI新结构材料的表征与讨论
• 5.3.1 透射电镜分析
• 5.3.2 绝缘性能分析
• 5.3.3 SODI新结构在抑制自加热效应方面的研究
• 5.4 本章小结
• 第六章、SGOI衬底上高K栅介质的研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验流程
• 6.3 SGOI上高K栅介质材料的表征
• 2O₃高K栅介质材料的AFM分析'>6.3.1 Al₂O₃高K栅介质材料的AFM分析
• 2O₃高K栅介质材料的TEM分析'>6.3.2 Al₂O₃高K栅介质材料的TEM分析
• 2O₃与SGOI之间界面产物的HRXPS分析'>6.3.3 Al₂O₃与SGOI之间界面产物的HRXPS分析
• 2O₃高K栅介质材料的电学性能分析'>6.3.4 Al₂O₃高K栅介质材料的电学性能分析
• 2O₃／ZrO₂／Al₂O₃高K栅介质材料的TEM分析'>6.3.5 Al₂O₃／ZrO₂／Al₂O₃高K栅介质材料的TEM分析
• 2O₃／ZrO₂／Al₂O₃栅介质的HRXPS分析'>6.3.6 SGOI衬底上Al₂O₃／ZrO₂／Al₂O₃栅介质的HRXPS分析
• 2O₃／ZrO₂／Al₂O₃高K栅介质材料的电学性能分析'>6.3.7 Al₂O₃／ZrO₂／Al₂O₃高K栅介质材料的电学性能分析
• 0.6Al_0.4O_1.8栅介质材料的热稳定性'>6.3.8 Zr_0.6Al_0.4O_1.8栅介质材料的热稳定性
• 0.6Al_0.4O_1.8栅介质材料的TEM分析'>6.3.9 Zr_0.6Al_0.4O_1.8栅介质材料的TEM分析
• 0.6Al_0.4O_1.8栅介质材料的元素分布'>6.3.10 SiGe上Zr_0.6Al_0.4O_1.8栅介质材料的元素分布
• 6.4 本章小结
• 第七章、总结
• 参考文献
• 发表学术论文目录
• 致谢
• 个人简历
• 学位论文独创性声明
• 学位论文使用授权声明