絕緣體上應變硅和硅鍺異質結的微結構研究.pdf

1、應變硅能夠提高電子和空穴的遷移率，有希望成為高性能金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFETs)的n型和p型溝道材料。以絕緣體上弛豫的SiGe外延層作為襯底，能夠獲得使電子和空穴遷移率得到提高的應變硅溝道n型和p型MOSFETs。此項技術整合了絕緣體上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)和SiGe技術的優(yōu)點。 在S0I襯底上生長的SiGe結構中，SiGe外延層的應變弛豫依賴于非晶氧化物埋層在高溫熱處理時表現的粘

2、滯流動性。為了簡化外延生長工藝流程，避免引入更多的位錯和其它高溫退化效應如Ge的偏析和表面粗糙化以及離位熱處理引入的表面污染和氧化，本文采用在SOI襯底上連續(xù)外延生長Si緩沖層、SiGe層和Si帽層隨后進行原位低溫熱處理的方法獲得了應變Si/SiGe/Si-SOI異質結構。 利用在樣品和探測器之間放置狹縫的高分辨X射線三軸衍射實驗得到了應變Si/SiGe/Si-SOI異質結構(004)衍射倒易空間圖譜，為了獲得更高的分辨率，以三

3、次反射Ge(220)分析晶體代替狹縫得到了Si層和SiGe層的(004)和(113)衍射倒易空間圖譜。首次觀察到具有雙峰結構的Si層衍射峰，確定了Si層衍射雙峰與Si層衍射結構的對應變關系。經測量，Si帽層發(fā)生了3.0×10-4的面內拉伸應變，SiGe層下面的Si層發(fā)生了6.0×10-5的面內拉伸應變。SiGe層下面的Si層在無應變狀態(tài)下的晶格常數大于無應變體Si的晶格常數，表明SiGe層中的Ge原子發(fā)生向下擴散，擴散原子的平均濃度為0

4、.84at.％。SiGe層中Ge原子的濃度為18.7at.％，弛豫度為4.7％。在SiGe層(004)衍射倒易空間圖譜中，SiGe層衍射峰沿2θ/ω掃描方向的角度寬化大于沿ω掃描方向的角度寬化，說明組分或/和應變變化引起的晶面間距的變化是SiGe層的主要結構特征。提出Si/SiGe/Si多層異質結構的取向差模型，對Si層與SiGe層之間、SiGe層與SiGe層下面Si層之間的傾斜進行了解釋。 建立了SOI襯底上Si/SiGe/S

5、i異質結構失配應變的分配模型。運用此模型對本文樣品進行計算得到Si帽層和SiGe層下面Si層的應變量均為2.6×10-3，SiGe層的應變量為4.9×10-3。然而，高分辨X射線三軸衍射的測量值卻與理論預測值之間存在較大偏差：SiGe層下面Si層的應變量較理論預測值低二個數量級，Si帽層的應變量較理論預測值低一個數量級。這是由于SiGe層下面Si層的應變來自于SiGe層應變的向下傳遞，應變的傳遞效率受到了溫度和位錯相互作用的制約。在原位

6、熱處理過程中，SiGe層與Si帽層之間的應變傳遞效率高于SiGe層與SiGe層下面Si層的應變傳遞效率，導致Si帽層的應變量大于SiGe層下面Si層的應變量。Si帽層的最終應變量受SiGe層弛豫度和Si帽層厚度的限制。 在應變Si/SiGe/Si-SOI異質結構橫截面高分辨電子顯微像中觀察到60°失配位錯、堆垛層錯以及局部區(qū)域的晶格畸變。堆垛層錯位于SOI項層Si與Si緩沖層的界面處，堆垛層錯周界的不全位錯均為肖克萊型不全位錯，

7、Burgers矢量為1/6[112]。熱應力造成SOI頂層Si與Si緩沖層界面附近原子堆垛次序的改變，進而導致堆垛層錯的形成。SiGe層下界面處存在60°失配位錯，說明SiGe層發(fā)生了應變弛豫。SiGe層的厚度小于由People模型計算的臨界厚度，在外延生長過程中，SiGe層不會以形成失配位錯的形式進行塑性應變弛豫。進入到熱處理階段后，SiGe層的應變弛豫由彈性應變弛豫轉變?yōu)樗苄詰兂谠?，位錯在SiGe層下面Si層中的運動使該層繼續(xù)發(fā)生

8、拉伸應變。 首次在應變Si/SiGe/Si-SOI異質結構中的SiGe層下界面附近觀察到位錯偶極子。構成位錯偶極子的兩根60°位錯線分別存在于互相平行的(111)或(111)半原子面邊緣，Burgers矢量刃型分量的符號相反。根據平行60°位錯之間的相互作用力對位錯偶極子穩(wěn)定相對位置進行定量描述，部分位錯偶極子穩(wěn)定相對位置的測量值與理論預測值之間存在偏差，這歸因于局部晶格存在應力集中。應變Si/SiGe/Si-SOI異質結構中，

9、60°位錯和位錯偶極子不僅出現在SiGe層的下界面處，也分布在SiGe層下界面附近的外延層中。位錯分布范圍的平均寬度與擴散區(qū)寬度十分接近，說明互擴散引入的應力場對位錯的運動及最終分布起到了重要的作用。界面上不同位置的互擴散系數不同，導致位錯在SiGe下界面附近一定寬度范圍內進行分布。提出兩種位錯偶極子的形成機制：一種機制是，熱場的不均勻分布導致在SiGe層下界面處形成失配位錯，失配位錯在界面處或者在互擴散應力場和熱應力場的作用下運動到S

10、iGe層中或SiGe層下面的Si層中，具有相反符號Burgers矢量刃型分量的兩平行近鄰失配位錯形成位錯偶極子；另一種機制是，熱應變在SiGe層下界面處的不均勻分布等因素，導致界面處不同位置的互擴散系數不同，造成在界面處或界面附近微小區(qū)域的成分偏析，在發(fā)生成分偏析的微小區(qū)域邊緣產生失配位錯，具有相反符號Burgers矢量刃型分量的兩平行近鄰失配位錯形成位錯偶極子。 首次利用同步輻射形貌術對應變Si/SiGe/Si-SOI異質結構

11、中缺陷的類型及其空間分布進行研究。在同步輻射白光形貌像中，觀察到樣品表面劃痕、60°位錯和穿透位錯、位錯環(huán)以及局部晶格畸變，并對60°位錯的Burgers矢量進行了判斷。通過對同步輻射X射線雙晶形貌像的分析，明確了衍射結構與衍射峰之間的對應關系和取向關系，獲得了Si帽層、SiGe層、SiGe層下面的Si層和SOI體Si襯底的同步輻射X射線雙晶形貌像。觀察到由位錯偶極子引起的十字交叉線狀襯度和由彈性應變引起的凸起狀襯度。在SiGe層下界面

12、處，失配應變能主要以形成失配位錯的形式進行釋放；在SiGe層內部，失配應變能的釋放向彈性應變的形式進行轉化，同步輻射X射線雙晶形貌像開始表現凸起狀襯度；在SiGe層上界面附近，失配應變能的釋放以表現為凸起狀襯度的彈性應變?yōu)橹鳌Ｍ捷椛鋁射線(004)衍射雙晶搖擺曲線中Si層衍射峰的峰形表現非對稱性，是晶面間距變化、晶體學取向差和晶格畸變的綜合體現。 采用在Si緩沖層上直接生長固定組分的低溫(500℃)SiGe層再生長常規(guī)(650

13、℃)SiGe層的方法制備了具有低溫SiGe層的SiGe異質結構(簡稱低溫SiGe異質結構)。為了進一步提高SiGe層的應變弛豫度和充分發(fā)揮低溫SiGe層的應變弛豫機制，對生長態(tài)低溫SiGe異質結構在不同條件下進行離位熱處理。經750℃5分鐘熱處理后，低溫SiGe異質結構發(fā)生表面氧化。在氧化作用下，樣品表面的Ge原子被推斥進入到剩余的SiGe層中，并發(fā)生從表面Ge富集區(qū)向SiGe層內部的擴散。剩余SiGe層晶格間距的變化是Ge原子擴散和應

14、變弛豫的共同作用結果。經850℃30分鐘熱處理后，樣品表面形成富Ge層。富Ge層的形成是氧化速率快于Ge原子擴散速率的產物。生長態(tài)和經熱處理后的SiGe層表面形貌和演化與Ge/Si材料系自組裝Ge量子點的形貌和演化相類似，這歸因于Ge原子比Si原子具有更大的表面遷移率，因而可以將SiGe合金薄膜的表面不穩(wěn)定性等同于“純Ge”薄膜。本研究表明低溫SiGe層在生長和熱處理過程中發(fā)生不同程度的應變弛豫，由于位錯的形成和伸展被限制在低溫SiGe