微波退火条件下Ni(Si,Ge)薄膜的表征分析与微波退火的理论研究

摘要

微波退火作为一种可以降低热预算的新兴的退火方式，近年来受到了越来越多的关注，在杂质激活、非晶硅结晶以及硅化物形成等方面都有广泛的研究，并获得了许多有意义的成果。比如在较低的温度下实现杂质激活，而杂质的扩散较RTP却有明显下降，在较低的温度下实现非晶硅的结晶和低电阻率硅化物的形成等。虽然对微波退火应用的研究仍然在不断深入，但是对微波退火理论的研究却相对滞后。本文意在以一定的实验数据为基础，研究微波退火的加热机制并分析其能够降低热预算的原因。实验材料选择Ni/epi-Si0.81Ge0.19，这主要是因为该材料系统在RTP情况下的反应特性和热力学特性均己得到了较好的表征。具体的研究方式和分析过程如下:
　　先将样品分别进行MWA和RTP退火，且保证两种退火方式的温度曲线基本一致，以充分反映两种退火方式的异同。实验结果显示，MWA退火可已在相比于-RTP较低的温度下生成低电阻率的NiSi1-xGex，而且同样可以在较低的温度下使NiSi1-xGex结块，使单晶Si0.81Ge0,19中的应力得到一定程度的释放并产生大量缺陷。这充分说明了MWA退火在我们的样品条件下已经降低了为达到实验目的所须得热预算，同时由于低电阻硅化物的形成和结块以及应力的释放和缺陷的产生都是热的作用，该现象也说明了MWA和RTP退火在退火机制的细节上必然存在不同。
　　随后分析了微波退火的加热机制，重点讨论电导和介质两种损耗，首先分析电导损耗。
　　在分析电导损耗时，不考虑物体被加热后的热辐射和热对流以及相邻薄膜间的热传导，而只考虑物体由于吸收微波而产生的温度上升的速度。首先计算了在微波垂直入射情况下，单层良导体薄膜在微波场中的功率吸收公式和加热速度公式。将公式应用我们的样品，发现在对将样品中Ni和Si单独加热的情况下，Ni层的温度将远远高于衬底Si的结论，这在一定程度上已经能够解释我们实验中的现象了。然后为了严谨起见，推导了双层相邻良导体薄膜在微波场中分别的功率吸收公式和加热速度公式，发现在同时加热的情况下，如果不考虑热辐射和二者之间的热传导，Ni层的温度依然远远高于衬底硅。虽然实际情况下的热传导和热辐射以及热对流将使二者之间的温差减小，我们仍然相信在温差被热传导和热辐射消耗的同时，高温Ni层的温度依然会作用于材料界面并使目标反应得以实现，从而在衬底温度较低的情况下实现了目标反应，降低了材料整体的热预算。由于RTP也是靠辐射电磁波加热，将推导的公式用于RTP，发现其对Ni层和Si衬底的加热效果的区别远小于MWA，因此认为MWA和RTP在电导损耗上的差别是导致它们之间退火差别的主要原因之一。
　　然后从晶格缺陷和偶极子方面定性的分析了介质损耗，发现在微波频率范围内介质损耗较为明显，而在RTP所采用的频率范围内却基本可以忽略，虽然介质损耗不会像电导损耗那样造成Ni层和Si衬底间明显的温度差别，但是由于晶格缺陷通过偶极子吸收微波产生的局部高温对原子扩散以及化学反应更具有较强的针对性，因此也将电介质损耗作为产生MWA和RTP退火差别的一个原因。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微波传输及吸收理论

1．2．1 麦克斯韦方程组

1．2．2 媒质中的场

1．2．3 波方程和基本平面波的解

1．2．4 电磁波的能量和功率

1．2．5 媒质分界面上平面波的反射

1．3 RTP退火情况下Ni Si1-xGex的研究

1．3．1 Ni与单晶Si1-xGex经RTP退火后的表征

1．3．2 NiSi1-xGex与Si1-uGeu的反应和稳定性讨论

第二章 微波退火及相关测试设备简介

2．1 微波退火设备

2．1．1 反应腔与预处理腔

2．1．2 红外测温的不足

2．2 实验所用到的测试设备

2．2．1 四探针测量薄膜方块电阻

2．2．2 拉曼光谱

2．2．3 X射线衍射

2．2．4 透射电子显微镜

2．2．5 X射线散射能谱仪

第三章 Ni／epi-Si0．81Ge0．19材料经MWA和RTP退火后的表征与对比

3．1 Ni／epi-Si0．81Ge0．19材料的生长

3．1．1 硅片的清洗

3．1．2 Si0．81Ge0．19层及Ni薄膜的生长

3．2 样品的退火处理

3．3 有10nm镍的样品的退火结果表征

3．4 有20nm镍的样品的退火结果表征

3．5 实验结果总结

第四章 微波退火的理论研究

4．1 薄膜在微波场中的电导损耗

4．1．1 单层薄膜在微波场中产生的电导损耗

4．1．2 双层相邻薄膜在微波场中产生的电导损耗

4．2 薄膜在微波场中的介质损耗

4．3 RTP和MWA的对比

4．4 本章小结

第五章 总结

参考文献

硕士阶段取得的学术成果

致谢

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