利用掃描電容顯微鏡研究Si1-xGex (x<0.1)薄膜中對硼原子活化之因素及影響

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研究生：	郭觀華 Kuok, Kun-Wa
論文名稱：	利用掃描電容顯微鏡研究Si1-xGex (x<0.1)薄膜中對硼原子活化之因素及影響 Factors and Influence of Boron Atoms Activation in Si1-xGex (x<0.1) Thin Film Using Scanning Capacitance Microscopy
指導教授：	梁正宏 Liang, Jenq-Horng 張茂男 Chang, Mao-Nan
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	原子科學院 - 工程與系統科學系 Department of Engineering and System Science
論文出版年：	2010
畢業學年度：	98
語文別：	中文
論文頁數：	66
中文關鍵詞：	超淺接面、矽鍺、掃描電容顯微鏡、活化
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摘要
隨著金氧半場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）尺寸的一直微縮，淺接面的製作已經步入了奈米尺寸。除此之外，為了防止漏電流和擁有良好的載子遷移速率（carrier mobility），MOSFET在材料上的選擇也很重要。矽鍺材料擁有異質接面結構，故可降低能帶間隙（energy bandgap）並提高載子在基材中的遷移速率，且與矽基材在製程上有良好的相容性，因此矽鍺材料成為未來製作MOSFET的首要考量，故此我們必須更瞭解硼原子佈植於矽鍺材料內的特性。本論文的研究係利用B+低能量離子佈植於Si1-xGex基材(x＜0.1)上製作P-N淺接面，再經不同的熱退火處理來活化硼原子，從中分別探討佈植區域尺寸以及鍺原子對硼原子活化的影響。另外再於矽基材中製作一組佈植與退火條件相同的超淺接面為對照組，以及製作一組以BF2+分子式低能量離子佈植於Si0.97Ge0.03和相同的退火條件的超淺接面為對照組，以探討不同離子佈植源對Si0.97Ge0.03基材中硼原子活化的差異。配合SRIM電腦程式的計算模擬、掃描電容顯微鏡、二次離子質譜儀、穿透式電子顯微鏡等分析工具，藉以瞭解佈植區域尺寸不同和基材內鍺含量增加時，硼原子的活化特性與載子縱深分布的變化情形。
本論文研究係利用Si1-xGex（x＝0、0.01、0.03和0.05）基材，在離子佈植方面則使用4.5 keV、5×1014 cm-2的B+離子佈植以及一組20 keV、5×1014 cm-2的BF2+分子離子佈植於Si0.97Ge0.03，退火方式採取兩階段方式退火處理，第一階段為900℃急遽熱退火（spike annealing, SA）和第二階段為500℃爐管退火（furnace annealing, FA）六小時。發現佈植離子源為B+時，加入SA熱退火處理後，硼原子的活化會隨著佈植區域尺寸的減少而增加，另外，硼原子在鍺含量較高的基材內其活化程度會較高，顯示鍺原子確實有助於硼原子的活化。再經過第二階段FA熱退火處理後，缺陷數量大幅下降且晶格修復更為完全，同時仍然有進一步的活化現象。當佈植離子源為BF2+時，在相同的佈植能量、劑量、基材和退火條件下，發現與B+的結果完全相反，隨著佈植尺寸越大，其活化現象越好，這意味著氟原子的存在確實會對硼原子有影響。綜合以上結果，活化現象產生的基本原因都是來自於為了讓材料自由能下降致使晶格更加穩定所導致的。

目錄
摘要…………………………………………………………………………….………….....…i
誌謝………………………………………...………………………………….………...….....ii
目錄………………………………………………………………..…………............….........iii
附圖目錄………………………………………………………...……..…………......…..…...v
第一章    前言………………………………………………………………………………....1
第二章    文獻回顧……………………………………………………………….…………...5
2.1超淺接面製程的演進與退火技術的改良……...............…..…………….….…5
2.2矽鍺基材的製程技術……….……………….………….……….…..................9
2.3矽鍺基材中摻雜元素的活化行為………………………... ……………...…..10
第三章    實驗方法…………………………………………………………………………..12
3.1 試片製備………………………………………………………….…………..12
    3.1.1矽鍺薄膜之沉積………………………………………………………..12
    3.1.2柵狀圖形與超淺接面……………………………………….………….12
    3.1.3退火製程………………………………………………………………..13
3.2 特性量測分析…...…….…………..…………………….. …………………..14
    3.2.1 SRIM電腦程式模擬…………………………….……………..............14
    3.2.2 掃描電容顯微鏡(SCM).…………………………. …………………..15
                  3.2.2.1 SCM量測原理..........................................................................15
                  3.2.2.2 SCM橫截面試片製備..............................................................17
                  3.2.2.3 SCM量測變因的控制..............................................................19
    3.2.4 二次離子質譜儀(SIMS).……………………….……………………..21
    3.2.5 穿透式電子顯微鏡(TEM).………..…...……...…...……………….…22
第四章    結果與討論………………………………………………..…...……………….…33
4.1 在Si1-xGex(x＜0.1)基材中鍺原子對硼原子活化的影響.........……….….….33
4.1.1硼原子在急遽熱退火（SA）處理下之活化行為….…..........................33
4.1.1.1 SRIM理論模擬觀測硼原子的縱深分布…….………....…..33
4.1.1.2 SIMS量測硼原子的縱深分布…………................................34
4.1.1.3 SCM微分電容訊號分析和探討硼原子活化行為.................35
4.1.1.4 Si0.95Ge0.05基材中之晶格修復──（TEM微缺陷分析）.........37
4.1.2接續爐管熱退火(FA)處理後硼原子之活化行為……....................….38
4.1.2.1 SIMS量測硼原子的縱深分布..........………....……………..39
4.1.2.2 SCM微分電容訊號分析和探討硼原子活化行為...........…..40
4.1.2.3佈植區域尺寸限制導致硼原子的活化不均勻現象..............41
4.1.2.4 Si0.95Ge0.05基材中之晶格修復──（TEM微缺陷分析）..…...42
4.2 矽鍺基材中佈植區域尺寸對硼原子活化行為之觀察…..…………......…...43
4.2.1 B+在不同佈植尺寸下經不同退火處理後的活化行為........................44
4.2.2 氟原子在不同佈植區域尺寸對硼原子活化行為之影響...........…....44
第五章    結論與建議…………………………………………………..……………………61
5.1在Si1-xGex(x＜0.1)基材中鍺原子對硼原子活化的影響……………...…...61
5.2矽鍺基材中佈植區域尺寸對硼原子活化行為之觀察…….....…………..…..61
5.3 建議……………………………………………………....…………………...62
第六章    參考文獻……………………………………………………...……………………63








圖目錄
第三章：
圖3.1    本論文實驗研究之工作流程圖…………………………………………………...25
圖3.2    UHV-CVD超高真空化學氣相沉積結構圖……………………………………....26
圖3.3    柵狀圖形試片結構圖……………………………..…. …………………………...26
圖3.4    急遽升溫退火爐示意圖……………………………..…………………………….27
圖3.5     掃描電容顯微鏡的量測原理示意圖………......……………………………….....27
圖3.6   N型自由載子之電容電壓圖（b）P型自由載子之電容電壓圖……………….....28
圖3.7    橫截面試片的SCM影像圖形……………………………..………………….…..29
圖3.8    SCM橫截面試片製備流程圖……………………………..………………………30
圖3.9    二次離子的生成機制……………………………..…………………………….....31
圖3.10    穿透式電子顯微鏡構造…………………………..…………………………….....32
第四章：
圖4.1    B+與BF2+佈植於不同鍺含量的基材之SRIM硼間隙原子縱深分布模擬：（a）B+；（b）BF2+.......................................................................................................................47
圖4.2    B+佈植於0%~5%鍺含量的基材之SRIM矽間隙原子縱深分布模擬......................48
圖4.3    B+佈植於1%~5%鍺含量的基材之SRIM鍺間隙原子縱深分布模擬......................48
圖4.4    B+佈植於不同鍺含量的基材之SRIM總空位濃度縱深分布模擬........................... 49
圖4.5    B+佈植於0%~5%鍺含量基材內，熱處理前的硼原子縱深分布圖...........................49
圖4.6    B+佈植於0%~5%鍺含量基材內，經SA 900 ℃的退火處理後，硼原子縱深分佈圖.......................................................………………………..........…………….....….50
圖4.7    B+佈植於0% ~ 5%鍺含量之基材內，硼原子的總殘留量.........................................50
圖4.8    B+佈植於0%~5%鍺含量之基材內，剛佈植完和經過SA 900℃後，硼原子的損耗數量...............................................................................................................................51
圖4.9    B+佈植於0%~5%鍺含量之基材內，其微分電容截線分析比較圖，退火條件皆為SA 900 ℃….......…………..…. …………............………………………………...…51
圖4.10 B+佈植於Si0.95Ge0.05後，退火前試片的穿透式電子顯微鏡微結構影像..................52
圖4.11 B+佈植於Si0.95Ge0.05後，經過SA 900 ℃後試片的穿透式電子顯微鏡微結構影像...................................................................................................................................52
圖4.12 B+佈植於0% ~ 5%鍺含量之基材，退火前、只經過SA 900 ℃處理以及經過SA 900 ℃+ 6 hrs、FA 500 ℃處理後之硼原子SIMS圖：（a）0%；（b）1%；（c）3%；（d）5%.................................................................................................................................53
圖4.13 B+佈植於0%~5%鍺含量之基材，經過退火條件為SA 900 ℃+ 6 hrs、FA 500 ℃後之微分電容截線分析圖...............................................................................................53
圖4.14 側壁效應（side-wall effect）的示意圖……………………........................................54
圖4.15 硼原子摻雜於N型的基材中所得的微分電容影像，其標示中央與邊緣部份所分析的位置.............................................................................………………………......54
圖4.16 BF2+佈植於矽基材，經SA 900 ℃與SA 900 ℃+6 hrs、FA 500 ℃兩種熱退火處理所得到表面附近的SCM微分電容訊號強度分布圖。（a）中心位置；（b）邊緣位置..........................................................................................….........……….....……...55
圖4.17 B+佈植於Si0.95Ge0.05基材，經SA 900 ℃與SA 900 ℃+6 hrs、FA 500 ℃兩種熱退火處理所得到表面附近的SCM微分電容訊號強度分布圖。（a）中心位置；（b）邊緣位置.......................................................................................……….........……...56
圖4.18 B+佈植於Si0.95Ge0.05後，經過SA 900 ℃+6 hrs、FA 500 ℃後試片的穿透式電子顯微鏡微結構影像...........................................................................................................57
圖4.19 B+佈植於不同鍺含量之基材，經過SA 900 ℃與SA 900 ℃+6 hrs、FA 500 ℃之微分電容截線分析圖：（a）0%；（b）1%；（c）3%；（d）5%..................................…………57
圖4.20 B+佈植於Si和Si0.95Gi0.05的基材，經過單一SA 900 ℃與SA 900 ℃+ 6 hrs、FA 500 ℃後，0.8 μm、2 μm和5 μm佈植區域的微分電容訊號截線分析圖（a） 0%、（b） 5%............................................................................................................….................58
圖4.21 B+佈植於不同鍺含量之基材內，經過SA 900 ℃後，0.8 μm、2 μm和5 μm佈植區域的微分電容訊號截線分析圖：（a）0%、（b）1%、（c）3%、（d）5%…......................59
圖4.22 BF2+佈植於Si0.97Ge0.03之基材內，經過SA 900 ℃後，0.8 μm、2 μm和5 μm佈植區域的微分電容訊號截線分析圖…...........................................................................59
圖4.23    BF2+佈植於Si0.97Ge0.03基材後剛佈植完和經SA 900 ℃處理後的SIMS縱深分布圖，其中（a）為硼原子、（b）為氟原子的縱深分布情形....…….................................60

                                

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