半导体锗硅薄膜材料及相关工艺技术(精)

锗硅（Ｓｉ１－ｘＧｅｘ）是Ｓｉ和Ｇｅ通过共价键结合形成的半导体合金材

料，是这两种元素无限互溶的替位式固溶体。锗硅一般有非晶、多晶、单晶和超

晶格 四种形态：非晶锗硅主要用于太阳能电池，其光电转换效率通常比非晶硅太

阳能电池高； 多晶锗硅可取代多晶硅制备金属－氧化物－半导体场效应晶体管

（ＭＯＳＦＥＴ）的栅极 和薄膜晶体管（ＴＦＴ）

基金项目：天津市高校科技发展基金 资助项目（ＪＷ２００５１２０１）

December 2006

的有源层；单晶（外延）锗硅主要用作ＭＯＳＦＥＴ的有源层、异质结双极晶体

管（ ＨＢＴ）的基区等，应用于具有高频、高速需求的无线通讯、卫星及光通讯

等领域；锗硅 超晶格可用作半导体光电子材料，如制作弹道晶体管、高电子迁移

率晶体管、光电探测器 和集成光电子器件等。

锗硅的一些独特性质对半导体材料学和 器件应用具有重要意义。这种看法是基于

以下事实：①Ｓｉ１－ｘＧｅｘ适合于能带工程 ，改变ｘ值可以调节其晶格常数

和禁带宽度，也可调节其他材料学参数，如介电常数等； ②

外延Ｓｉ１－ｘＧ

ｅｘ作为ＨＢＴ 的基区，比同质Ｓｉ晶体管具有更高截止频率和电流增益；③Ｓ

ｉ１－ｘＧｅｘ的熔点比 Ｓｉ低，其淀积、结晶和杂质激活温度也比Ｓｉ低，更

适合于低温工艺，如制备玻璃衬底 上的薄膜晶体管（ＴＦＴ）等；④

与现有的

硅

Semiconductor Technology Vol. 31 No. 12

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趋势与

Outlook & features

集成电路工艺相容；⑤

< br>一些新型器件结构，如应变硅ＣＭＯＳ器件、调制掺杂

场效应晶体管（ＭＯＤＦＥ Ｔ）、量子阱金属－氧化物－半导体场效应晶体管、

红外探测器和隧道器件等均是基于Ｓ ｉ／Ｓｉ１－ｘＧｅｘ系统；⑥

多晶锗硅

用作功函数可变的ＭＯＳＦＥＴ的栅极材料［１］、低温薄膜晶体管的有源层

［２－ ３］、提升源漏［４］以及选择扩散源等。图１为Ｓｉ１－ｘＧｅｘ薄膜

作为有源层和缓 冲层的ＭＯＳＦＥＴ示意图［５］。

膜通常含有一定量的氢， Ｓｉ／Ｓｉ１－ｘＧｅｘ界面态密度与氢含量有关。多

晶锗硅薄膜，可由ＭＢＥ、ＣＶＤ 或物理气相沉积（ＰＶＤ）制备。ＰＶＤ方

法，如溅射和蒸镀，制备的Ｓｉ１－ｘＧｅｘ 薄膜一般是非晶或多晶态，重结晶

提高其结晶度，是一种方便且经济的方法。一般认为， 锗硅薄膜通过再结晶，往

往能获得 比较高的结晶度。超薄的Ｓｉ１－ｘＧｅｘ薄膜（纳米量级），可由原

子层沉积（ＡＬＤ ）等工艺实现。

３

锗硅薄膜的固相结晶

非晶或多晶Ｓｉ １－ｘＧｅｘ薄膜的固相结晶（ＳＰＣ）关系到其微结构和性

能。成核和晶核生长特性决 定了晶粒的尺寸分布、择优取向、晶体缺陷和表面粗

糙度等。结晶度越高，缺陷密度越低 ，电导率则越高。薄膜中晶界密度下降，其

热稳定性和力学稳定性更佳。结晶度亦显著影 响薄膜其他物理量，如折射率和光

吸收系数等。影响薄膜结晶度的因素有很多，如薄膜的 制备条件、结晶过程和退

火工艺等。退火工艺有激光退火、热退火和电子束退火等。近年 来，激光退火

（ＬＴＡ）、金属诱导结晶（ＭＩＣ）以及它们与热退火之间的比较，是薄 膜固

相结晶领域研究活跃的课题。ＬＴＡ

具有光能密度和作用时间精确可控、杂质

激活率高且分布陡直、熔化－重结晶可提升 薄膜质量、对衬底造成的热损伤小等

优点。薄膜的结晶度与激光波长、能量密度、脉冲宽 度、重复频率等参量有关。

ＬＴＡ，尤其是脉冲准分子激光退火（ＥＬＡ），被认为是形 成集成电路纳米超

浅结的工艺选择之一。ＭＩＣ机理较为复杂，有争议，其特点是结晶温 度低、成

本低、往往伴随硅化物（或锗硅化物）生成、可引发横向结晶（ＭＩＬＣ）等，

主要缺点是金属的污染。热退火分

２

锗硅薄膜的制备

锗硅薄膜的制备工艺 有多种，单晶锗硅可通过分子束外延（ＭＢＥ）或超高真空

化学气相沉积（ＵＨＶ／ＣＶ Ｄ）制备。这两种沉积方法的本底真空度极高

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