絕緣體上應(yīng)變硅和硅鍺異質(zhì)結(jié)的微結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、應(yīng)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)變硅溝道n型和p型MOSFETs。此項(xiàng)技術(shù)整合了絕緣體上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)和SiGe技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。 在S0I襯底上生長(zhǎng)的SiGe結(jié)構(gòu)中，SiGe外延層的應(yīng)變弛豫依賴于非晶氧化物埋層在高溫?zé)崽幚頃r(shí)表現(xiàn)的粘

2、滯流動(dòng)性。為了簡(jiǎn)化外延生長(zhǎng)工藝流程，避免引入更多的位錯(cuò)和其它高溫退化效應(yīng)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(zhǎng)Si緩沖層、SiGe層和Si帽層隨后進(jìn)行原位低溫?zé)崽幚淼姆椒ǐ@得了應(yīng)變Si/SiGe/Si-SOI異質(zhì)結(jié)構(gòu)。 利用在樣品和探測(cè)器之間放置狹縫的高分辨X射線三軸衍射實(shí)驗(yàn)得到了應(yīng)變Si/SiGe/Si-SOI異質(zhì)結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)的Si層衍射峰，確定了Si層衍射雙峰與Si層衍射結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)變關(guān)系。經(jīng)測(cè)量，Si帽層發(fā)生了3.0×10-4的面內(nèi)拉伸應(yīng)變，SiGe層下面的Si層發(fā)生了6.0×10-5的面內(nèi)拉伸應(yīng)變。SiGe層下面的Si層在無(wú)應(yīng)變狀態(tài)下的晶格常數(shù)大于無(wú)應(yīng)變體Si的晶格常數(shù)，表明SiGe層中的Ge原子發(fā)生向下擴(kuò)散，擴(kuò)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(shuō)明組分或/和應(yīng)變變化引起的晶面間距的變化是SiGe層的主要結(jié)構(gòu)特征。提出Si/SiGe/Si多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的取向差模型，對(duì)Si層與SiGe層之間、SiGe層與SiGe層下面Si層之間的傾斜進(jìn)行了解釋。 建立了SOI襯底上Si/SiGe/S

5、i異質(zhì)結(jié)構(gòu)失配應(yīng)變的分配模型。運(yùn)用此模型對(duì)本文樣品進(jìn)行計(jì)算得到Si帽層和SiGe層下面Si層的應(yīng)變量均為2.6×10-3，SiGe層的應(yīng)變量為4.9×10-3。然而，高分辨X射線三軸衍射的測(cè)量值卻與理論預(yù)測(cè)值之間存在較大偏差：SiGe層下面Si層的應(yīng)變量較理論預(yù)測(cè)值低二個(gè)數(shù)量級(jí)，Si帽層的應(yīng)變量較理論預(yù)測(cè)值低一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是由于SiGe層下面Si層的應(yīng)變來(lái)自于SiGe層應(yīng)變的向下傳遞，應(yīng)變的傳遞效率受到了溫度和位錯(cuò)相互作用的制約。在原位

6、熱處理過(guò)程中，SiGe層與Si帽層之間的應(yīng)變傳遞效率高于SiGe層與SiGe層下面Si層的應(yīng)變傳遞效率，導(dǎo)致Si帽層的應(yīng)變量大于SiGe層下面Si層的應(yīng)變量。Si帽層的最終應(yīng)變量受SiGe層弛豫度和Si帽層厚度的限制。 在應(yīng)變Si/SiGe/Si-SOI異質(zhì)結(jié)構(gòu)橫截面高分辨電子顯微像中觀察到60°失配位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)以及局部區(qū)域的晶格畸變。堆垛層錯(cuò)位于SOI項(xiàng)層Si與Si緩沖層的界面處，堆垛層錯(cuò)周界的不全位錯(cuò)均為肖克萊型不全位錯(cuò)，

7、Burgers矢量為1/6[112]。熱應(yīng)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(jìn)而導(dǎo)致堆垛層錯(cuò)的形成。SiGe層下界面處存在60°失配位錯(cuò)，說(shuō)明SiGe層發(fā)生了應(yīng)變弛豫。SiGe層的厚度小于由People模型計(jì)算的臨界厚度，在外延生長(zhǎng)過(guò)程中，SiGe層不會(huì)以形成失配位錯(cuò)的形式進(jìn)行塑性應(yīng)變弛豫。進(jìn)入到熱處理階段后，SiGe層的應(yīng)變弛豫由彈性應(yīng)變弛豫轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詰?yīng)變弛豫，位錯(cuò)在SiGe層下面Si層中的運(yùn)動(dòng)使該層繼續(xù)發(fā)生

8、拉伸應(yīng)變。 首次在應(yīng)變Si/SiGe/Si-SOI異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的SiGe層下界面附近觀察到位錯(cuò)偶極子。構(gòu)成位錯(cuò)偶極子的兩根60°位錯(cuò)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(hào)相反。根據(jù)平行60°位錯(cuò)之間的相互作用力對(duì)位錯(cuò)偶極子穩(wěn)定相對(duì)位置進(jìn)行定量描述，部分位錯(cuò)偶極子穩(wěn)定相對(duì)位置的測(cè)量值與理論預(yù)測(cè)值之間存在偏差，這歸因于局部晶格存在應(yīng)力集中。應(yīng)變Si/SiGe/Si-SOI異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，

9、60°位錯(cuò)和位錯(cuò)偶極子不僅出現(xiàn)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(cuò)分布范圍的平均寬度與擴(kuò)散區(qū)寬度十分接近，說(shuō)明互擴(kuò)散引入的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)及最終分布起到了重要的作用。界面上不同位置的互擴(kuò)散系數(shù)不同，導(dǎo)致位錯(cuò)在SiGe下界面附近一定寬度范圍內(nèi)進(jìn)行分布。提出兩種位錯(cuò)偶極子的形成機(jī)制：一種機(jī)制是，熱場(chǎng)的不均勻分布導(dǎo)致在SiGe層下界面處形成失配位錯(cuò)，失配位錯(cuò)在界面處或者在互擴(kuò)散應(yīng)力場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)到S

10、iGe層中或SiGe層下面的Si層中，具有相反符號(hào)Burgers矢量刃型分量的兩平行近鄰失配位錯(cuò)形成位錯(cuò)偶極子；另一種機(jī)制是，熱應(yīng)變?cè)赟iGe層下界面處的不均勻分布等因素，導(dǎo)致界面處不同位置的互擴(kuò)散系數(shù)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(chǎn)生失配位錯(cuò)，具有相反符號(hào)Burgers矢量刃型分量的兩平行近鄰失配位錯(cuò)形成位錯(cuò)偶極子。 首次利用同步輻射形貌術(shù)對(duì)應(yīng)變Si/SiGe/Si-SOI異質(zhì)結(jié)構(gòu)

11、中缺陷的類型及其空間分布進(jìn)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(cuò)和穿透位錯(cuò)、位錯(cuò)環(huán)以及局部晶格畸變，并對(duì)60°位錯(cuò)的Burgers矢量進(jìn)行了判斷。通過(guò)對(duì)同步輻射X射線雙晶形貌像的分析，明確了衍射結(jié)構(gòu)與衍射峰之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系和取向關(guān)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(cuò)偶極子引起的十字交叉線狀襯度和由彈性應(yīng)變引起的凸起狀襯度。在SiGe層下界面

12、處，失配應(yīng)變能主要以形成失配位錯(cuò)的形式進(jìn)行釋放；在SiGe層內(nèi)部，失配應(yīng)變能的釋放向彈性應(yīng)變的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，同步輻射X射線雙晶形貌像開(kāi)始表現(xiàn)凸起狀襯度；在SiGe層上界面附近，失配應(yīng)變能的釋放以表現(xiàn)為凸起狀襯度的彈性應(yīng)變?yōu)橹?。同步輻射X射線(004)衍射雙晶搖擺曲線中Si層衍射峰的峰形表現(xiàn)非對(duì)稱性，是晶面間距變化、晶體學(xué)取向差和晶格畸變的綜合體現(xiàn)。 采用在Si緩沖層上直接生長(zhǎng)固定組分的低溫(500℃)SiGe層再生長(zhǎng)常規(guī)(650

13、℃)SiGe層的方法制備了具有低溫SiGe層的SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱低溫SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu))。為了進(jìn)一步提高SiGe層的應(yīng)變弛豫度和充分發(fā)揮低溫SiGe層的應(yīng)變弛豫機(jī)制，對(duì)生長(zhǎng)態(tài)低溫SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)在不同條件下進(jìn)行離位熱處理。經(jīng)750℃5分鐘熱處理后，低溫SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jìn)入到剩余的SiGe層中，并發(fā)生從表面Ge富集區(qū)向SiGe層內(nèi)部的擴(kuò)散。剩余SiGe層晶格間距的變化是Ge原子擴(kuò)散和應(yīng)

14、變弛豫的共同作用結(jié)果。經(jīng)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(kuò)散速率的產(chǎn)物。生長(zhǎng)態(tài)和經(jīng)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(diǎn)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(zhǎng)和熱處理過(guò)程中發(fā)生不同程度的應(yīng)變弛豫，由于位錯(cuò)的形成和伸展被限制在低溫SiGe