锗组分对注入 SiGe/Si 异质结构中应变弛豫和磷激活的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Effects of Ge composition on strain relaxation and phosphorus activation in implanted SiGe/Si heterostructures

　　

摘要

在快速热退火（RTA）处理后，系统研究了磷注入SiGe/Si异质结构中锗（Ge）含量、初始结构状态、磷再分布与电激活之间的关系。与Si_0.7Ge_0.3相比，富锗的Si_0.3Ge_0.7异质结构表现出高度弛豫且缺陷丰富的微观结构，大部分应变弛豫在 epitaxial 生长过程中已经发生。二次离子质谱分析表明，高温退火后，富锗样品中磷的再分布和界面富集现象更为显著。Si_0.3Ge_0.7中保留的磷剂量从约4.8×10¹⁵降至2.6×10¹⁵ cm^?2，而Si_0.7Ge_0.3中仅从4.9×10¹⁵轻微减少至4.7×10¹⁵ cm^?2。磷再分布的增强与富锗SiGe中空位辅助扩散和缺陷相关输运贡献的增加相一致。霍尔测量表明，电激活随退火温度升高而增加；在950°C时，Si_0.7Ge_0.3和Si_0.3Ge_0.7的激活率分别达到22.6%和15.0%。对比二次离子质谱与微分霍尔效应计量法深度分布结果，进一步揭示了退火后存在大量电不活跃的磷。这些结果表明热退火中掺杂激活与磷再分布/损失之间存在竞争效应，突显了在基于SiGe的器件热预算优化中初始结构状态和掺杂剂保留的重要性。

引言

硅-锗（SiGe）合金因其可调带结构、增强的载流子迁移率以及与常规互补金属-氧化物-半导体（CMOS）技术的兼容性，在先进半导体器件应用中备受关注[1,2]。然而，当器件尺寸缩小时，反型沟道中产生的强垂直电场会严重降低载流子迁移率[3]。过去十年间，由于表面粗糙度散射和合金散射效应增强，基于SiGe沟道的反型层载流子迁移率显著下降[4]。因此，应变工程成为在不增加器件功耗的前提下提升载流子输运性能的关键途径之一[5,6]。通过改变带结构，应变可降低载流子有效质量并抑制谷间散射，从而提高迁移率[6,7]。在各种方法中，SiGe外延异质结构由于与Si衬底的晶格失配，能有效在沟道区域引入应变，被广泛应用于先进CMOS技术中[8,9]。

在先进CMOS技术中，SiGe材料已广泛被用于源/漏应力源和高迁移率沟道应用。早期研究主要关注用于p型金属-氧化物-半导体场效应晶体管（PMOS）的硼掺杂SiGe结构[10,11]。最近，由于富锗SiGe较窄的带隙可降低肖特基势垒高度并降低抬升式源/漏结构中的接触电阻，磷掺杂SiGe在n型器件应用方面引起越来越多的关注[12,13]。此外，随着环绕栅（GAA）纳米片晶体管等下一代器件架构的发展，理解SiGe异质结构中的热稳定性和掺杂剂扩散行为变得越来越重要[14]。

磷注入作为一种n型掺杂技术在SiGe异质结构中广泛应用，因其与标准CMOS制造工艺兼容[15]。为实现低方块电阻，通常需要高温退火，通过使注入的磷原子占据替位晶格位点来实现电激活。然而，应变SiGe外延层处于亚稳态，对热工艺高度敏感[16]。过大的热预算可能引起应变弛豫和缺陷生成，进而影响掺杂剂再分布、载流子输运和电激活行为[17,18]。尽管先前的研究已探讨过SiGe材料中的应变工程和掺杂剂扩散，但关于富锗SiGe异质结构中磷再分布和激活行为的系统性研究仍然有限。特别是，在后续热工艺过程中，初始应变状态、缺陷结构、磷再分布与电激活之间的相互作用尚未得到完全阐明。因此，理解这些耦合的结构和掺杂过程对于优化基于SiGe的电子器件热工艺具有重要意义。

在本研究中，对具有不同锗含量的磷注入SiGe/Si异质结构在快速热退火（RTA）后进行了系统研究。利用透射电子显微镜（TEM）、倒易空间映射（RSM）和拉曼光谱表征结构演变和应变行为。采用X射线光电子能谱（XPS）和二次离子质谱（SIMS）考察磷的再分布情况，并通过霍尔测量和微分霍尔效应计量法（DHEM）评估电激活特性。本研究并非旨在建立普适的组成依赖扩散关系，而是着重于在相同的生长后注入和RTA条件下，将SiGe的初始结构状态与其后续的磷再分布和电激活相关联。通过结合结构、化学和深度分辨的电学表征，研究结果揭示了热退火的竞争效应：一方面为注入损伤恢复和掺杂剂激活，另一方面为缺陷相关的磷再分布和损失。这种竞争在初始高度弛豫的富锗SiGe异质结构中尤为显著，为理解应变状态、缺陷演变、掺杂剂再分布和电激活之间的耦合提供了见解。

章节片段

实验方法

本研究采用绝缘体上硅（SOI）衬底作为外延生长平台。SOI结构中的埋氧（BOX）层充当电绝缘层，提供有效的电隔离并抑制载流子向Si衬底的泄漏。此外，该氧化层有助于在后续器件制造过程中实现精确的结定义。基于这些结构优势，SiGe外延层直接生长在

结果与讨论

图1展示了不同锗含量的SiGe/Si异质结构在950°C快速热退火（RTA）后的截面TEM和HRTEM图像。图1(a)和(b)对应Si_0.7Ge_0.3样品，图1(c)和(d)对应Si_0.3Ge_0.7样品。TEM图像揭示了两种样品在高温退火后的明显微观结构差异。Si_0.7Ge_0.3样品表现出相对平滑的异质界面，缺陷相关的衬度有限，

结论

本研究系统研究了磷注入SiGe/Si异质结构在快速热退火后初始结构状态、磷再分布与电激活之间的关系。TEM、RSM和拉曼分析揭示了两种SiGe组成的不同应变弛豫行为。外生长Si_0.7Ge_0.3层仍接近假外延状态，弛豫度约为0.03%，随后弛豫至约67.4%

CRediT作者贡献声明

刘金成（Jin-Cheng Liu）：调查研究、形式分析、数据整理。余东元（Tung-Yuan Yu）：撰写—审阅与编辑、撰写—原稿、验证、调查研究、形式分析、数据整理、概念设计。黄育霖（Yu-Lin Huang）：形式分析。林坤霖（Kun-Lin Lin）：指导、调查研究、概念设计。张嘉河（Chia-He Chang）：形式分析。谭志山（Chih-Shan Tan）：指导、调查研究、概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究在资金和技术上得到了台湾半导体研究基金会，国家应用研究研究院的支持。

刘金成（Jin-Cheng Liu）|余东元（Tung-Yuan Yu）|黄育霖（Yu-Lin Huang）|林坤霖（Kun-Lin Lin）|张嘉河（Chia-He Chang）|谭志山（Chih-Shan Tan）

台湾交通大学电子研究所，新竹，台湾