铝调制外延生长单晶镍硅锗化物及形成机理的研究

SiGe material has been implemented into advanced complementary metal oxide semiconductor (CMOS) devices at source/drain in order to induce uniaxial compressive strain in the Si channel, or, alternatively, as channel material due to its high hole mobility. Due to the NiSiGe low thermal stability and the rough NiSiGe/SiGe interface, one of the challenges for the SiGe devices poses the formation of germanosilicide with pristine electrical and structural properties. This project will employ Ni/Al dual layers or NiAl alloy to study the formation of NiSiGe materials by Al mediated epitaxy. We will investigate the effects of different Al interlayer thicknesses or Al contents on the epitaxial growth of NiSiGe. We will also study the mechanism of Al mediating epitaxial NiSiGe and the growth of orthorhombic NiSiGe structure on the cubic SiGe substrate. This project can provide the perfect epitaxial NiSiGe materials in the source/drain regions for the future MOSFETS.

SiGe在晶体管中可做为源/漏填充材料来引起Si沟道的压应变，提高空穴的迁移率；此外，SiGe本身也是一种高迁移率材料，可用于晶体管的沟道。但是在高迁移率晶体管的SiGe源/漏接触区域，传统的镍硅锗化物（NiSiGe）热稳定性不好，与SiGe材料的界面平整度差，影响了晶体管的性能。本研究拟通过Al元素来调节Ni和SiGe的反应，分别利用Ni/Al双层结构或NiAl合金对NiSiGe材料的形成进行研究，详细讨论Al层厚度不同、Al含量不同对外延生长NiSiGe单晶材料的影响，深入研究Ge含量不同、应变不同的SiGe材料上实现外延NiSiGe单晶材料的方法，探讨Al元素对外延生长NiSiGe单晶材料的调制机理，阐述NiSiGe斜方结构在SiGe立方结构外延生长的机制，为外延生长的NiSiGe材料在纳米晶体管的源/漏区域得到应用奠定基础。

随着集成电路发展到超大规模时代，现有的材料和工艺正在接近量子效应主导的物理极限，工艺难度及工艺成本激增，使得集成电路的可持续发展正在面临前所未有的挑战。源/漏区作为晶体管结构的重要组成部分，是进一步改善晶体管性能的主要因素。下一代源/漏工程的关键是提升源/漏的高度以及形成超浅结。硅锗（SiGe）在晶体管中可做为源/漏填充材料来引起硅沟道的压应变，提高空穴的迁移率；此外，SiGe本身也是一种高迁移率材料，可用于晶体管的沟道。但是在高迁移率晶体管的SiGe源/漏接触区域，传统的镍硅锗化物（NiSiGe）热稳定性不好，与SiGe材料的界面平整度差，影响了晶体管的性能。本研究通过金属铝（Al）元素来调节Ni 和SiGe的反应，详细讨论了Al插入层对外延生长NiSiGe单晶材料的影响，实现了外延NiSiGe单晶材料，成功提高了NiSiGe的热稳定性，为NiSiGe化物提供了极其均匀和平整的接触界面，为SiGe在下一代MOSFETs中源/漏接触中具有的潜在应用提供了有力的支持。在研究Al对NiSiGe形成的基础上，我们还进一步研究了Ti插入层以及离子注入Sn元素，对NiSiGe材料的形成的影响。此外，本课题还研究了新型GeSn衬底材料，研究结果对基于GeSn材料的电子和光学器件制备工艺，有一定的参考意义。为了验证SiGe器件的性能，本研究采用了先进的高k 栅介质和金属栅材料，在Si0.5Ge0.5衬底上，成功制备出pMOSFETs器件。对最终的pMOSFETs进行的电学特性表征表明：pMOSFET表现出良好的转移/输出特性和高空穴迁移率，比常规硅材料器件有了大幅度提高。