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硅基应变材料生长动力学与缺陷控制研究

硅基应变材料及其技术具有迁移率增强高、能带可裁减、与标准Si工艺完

全兼容等高性能、低成本特性,在高速、高频、低压、低功耗等领域被广泛应用,

已成为21世纪延续摩尔定律的关键技术。硅基应变技术应用的基础是高质量硅

基应变材料的制备,而材料生长的机理、生长动力学以及生长工艺对硅基应变材

料的制备有至关重要的影响。

采用FLUENT数值分析软件,论文对RPCVD(减压化学气相淀积)工艺生长

硅基应变与弛豫材料的反应室温度、密度、速度、压强等分布进行CFD(计算流

体动力学)仿真研究。首次采用正交法,对FLUENT模拟进行了正交优化与误差

分析,得到了RPCVD生长硅基应变与弛豫材料的优化工艺参数。

基于生长表面结构的二聚体理论与实验结果,论文提出了硅基应变与弛豫材

料的分速度机制。基于SiGe(锗硅)材料的合金生长特性,论文提出了Si源和

Ge源前驱体的分立流密度机制。

基于气体的碰撞理论,论文研究建立了CVD(化学气相淀积)生长硅基应变

材料的表面反应生长速率模型。基于分立流密度模型、分速度模型和Grove理论,

论文分别建立了硅基应变与弛豫材料的CVD生长动力学模型及其优化模型,并进

行了实验验证,模型误差明显小于表面反应生长模型。

论文系统地研究了硅基应变与弛豫材料中的缺陷机理与行为,并根据低温

Si、渐变组分SiGe及离子注入的工艺原理与特性,设计了三种控制应变Si材料

穿透位错密度TDD的材料结构及工艺,材料表征结果表明:所设计的应变Si结

构材料的TDD低于其他常规结构材料。采用RPCVD工艺及FLUENT的工艺模拟优

化结果,论文进行了硅基应变与弛豫材料的生长实验研究,并采用AFM、DIC、

Raman、TEM等技术,对材料的表面粗糙度、表面位错密度、应力与应变、Ge组

分、位错行为等材料性能与特性进行了全面系统地表征。

基于弹性力学理论和SOI(绝缘层上硅)材料的力学特性,论文提出了一种

制作晶圆级单轴应变SOI的新方法,并阐述了新方法的工艺原理。进行了单轴应

变SOI晶圆的制备,获得了应变量高于现有相似技术的单轴张应变SOI晶圆。

基于薛定谔方程和k.p微扰法,论文还建立了适用于(001)、(101)和(111)

面任意晶向的应变Ge/Si1-xGex价带色散关系模型,得到了相应的价带结构、空

穴各向异性与各向同性有效质量等研究成果。

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