高溫處理機制介紹

熱處理在半導體製程中扮演著重要的角色，其中也包含退火於矽鍺製

程中，由前述文獻介紹可知，矽鍺異質接合結構常被運用在HBT、MOSFET 等半導體製程中[1, 16-18]。因此，熱處理的機制在製程整合技術中是必然 的一道程序，然而不同熱處理製程技術也對矽鍺結構有不同的效果產生。

以下將介紹熱處理的機制對於矽鍺結構產生的影響。

由於矽鍺合金相差4.17 ％的晶格不匹配會導致高密度的晶格缺陷，當 矽鍺厚度超過臨界值時，晶格的錯位差排(misfit dislocation)會在 SiGe/Si 之 介面產生而伴隨著貫穿性現象(threading dislocations)一直延伸到矽鍺層以 降低異質結構的因晶格不匹配所產生出來的應變能，因此，在矽鍺磊晶層 上若形成高密度的貫穿性差排(threading dislocations)會降低元件的性能

[20]

。許多研究已探討如何改進矽鍺薄膜的材料性質，例：S. W. Lee 等人[21]

加入矽的緩衝層以降低矽鍺的貫穿性差排，但不匹配差排之密度在介面之 間增加。S. R. Sheng 等人[22]利用UHV/CVD 生長單晶矽鍺在矽基材上可控 制較少的缺陷產生，成為良好的虛擬基材。H. Watakabe 等人[23]利用電漿 雷射退火(pulsed-laser annealing)以增加鍺含量，但卻無法降低缺陷之密度。

2.5.1傳統退火機制原理

近年來，退火機制已經大量被探討在矽鍺結構的研究中[24-32]，其中影 響 矽 鍺 異 質 接 合 結 構 強 度 ， 最 主 要 是 觀 察 結 構 中 的 貫 穿 性 差 排 密 度 (threading dislocation density)以及結構缺陷(structure defect)的分布以及應變

釋放(strain dislocation)的機制，而一般半導體退火製程中的熱應力(thermal stress)所產生的熱應變(thermal strain)勢必對矽鍺異質接合結構中原本已經 存在的晶格的不匹配(lattice mismatch)產生決定性的影響。

Y. M. Chang 等人[25]之研究顯示退火處理對矽鍺異質接合結構在溫度 400 ℃-1000 ℃之試片樣本中，其中 1000 ℃時矽鍺異質結合結構裡，矽鍺磊 晶層(SiGe epilayer) 和矽基板之間發生層間擴散(interdiffusion)，並改變鍺含 量濃度(Ge composition)。

S. Zheng 等人[26]以退火溫度為600 ℃且退火時間為 30 分鐘，以Ｘ光繞 射分析結果表示矽鍺波峰的半高寬(Full-Width at Half-Maximum, FWHM)隨 著退火溫度上升以及延長退火時間，有變寬的現象，且矽鍺波峰會稍微偏 移至低鍺含量濃度，此擴散作用造成鍺含量下降之缺點。

然而，由於矽鍺與矽有晶格不匹配之現象，因長時間退火以及增加退火 溫度，差排產生在介面上並延伸至矽鍺磊晶層。其中，應變會釋放在矽鍺 磊晶層以及基材介面的不匹配區域。當出現晶格間的滑移(gliding)現象時，

不匹配的部分會彼此影響並生成新的差排，而成群的不匹配區域會有相同 的Burgers vector，此時錯位差排會生成方格圖形(cross-hatch patterns)。經過 長時間的退火後，因方格圖形(cross-hatch patterns)變得更密，應變釋放的程 度也會提升。若同時貫穿性差排出現在表面，則凹洞(pit)現象就會在表面上 形成[27]，此會造成元件性能降低。因此，在下一節將介紹高溫氧化處理以

改進傳統高溫退火的缺點。

2.5.2高溫氧化處理介紹

從1970 年開始，許多學者開始探討矽鍺薄膜之氧化行為[28]。至今，應 變矽鍺層利用高溫氧化處理之技術，已大量應用在光學以及電學之元件上

[29]

。高溫氧化處理可分為濕式氧化(H

2

O)以及乾式氧化(O

2

)兩種，而濕式氧 化速率較乾式氧化速率快[30]。其中矽鍺薄膜之組成比例(composition)、應 變程度(strain)、厚度(thickness)、成長溫度(growth temperature)等參數皆會影 響氧化之動能(kinetic of oxidation)[28]。

對於矽鍺元件製造的過程中，如何生長品質佳之高溫氧化應變矽鍺磊晶 層是相當關鍵的。當矽鍺應變層的鍺含量(x＜0.5)且溫度高達 700 °C 以上會 呈現氧化之現象，由於在加熱的過程中所形成的二氧化矽(SiO

2

)會比二氧化 鍺(GeO

2

)優先形成[29-32]。因此，當熱氧化所形成的二氧化矽(SiO

2

)時，鍺 會被氧化層排斥在氧化層的底層堆積起來，反應式由(2.10)所示[30]:

Si+GeO

₂

→SiO

₂

+Ge (2.10) K. Cai 等人[33]，以能量散射 X 光光譜分析(Energy-dispersive X-ray Spectroscopy, EDS)下，發現氧原子因層間的擴散作用而進入矽鍺磊晶層表 面。另外，在高解析的Ｘ光繞射分析中(High-Resolution X-ray Diffraction, HRXRD)發現，隨著溫度的上升，矽鍺層的特性波鋒會往高繞射角偏移(shift) 的趨勢，此為擴散至矽基材之現象。

因此，為了製造出高鍺含量且具有應變鬆弛的矽鍺磊晶層，以增加載子 的遷移率。並在高溫氧化的過程中，高濃度鍺原子堆積(pile-up)在氧化介面 上，同時在高溫氧化的過程中鍺也會向基材擴散，藉此減少缺陷的產生，

所得到的高品質應變鬆弛矽鍺層，可成為良好的虛擬基材。

在文檔中 矽鍺薄膜高溫氧化處理與奈米機械特性之研究 (頁 23-27)