绝缘体上应变硅和硅锗异质结的微结构研究

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1、摘要摘要应变硅能够提高电子和空穴的迁移率，有希望成为高性能金属．氧化物．半导体场效应管(MOSFETs)的n型和P型沟道材料。以绝缘体上弛豫的SiGe外延层作为衬底，能够获得使电子和空穴迁移率得到提高的应变硅沟道n型和P型MOSFETs。此项技术整合了绝缘体上硅(Silicon．On—Insulator，S01)和SiGe技术的优点。在SOl衬底上生长的SiGe结构中，siGe外延层的应变弛豫依赖于非晶氧化物埋层在高温热处理时表现的粘滞流动性。为了简化外延生长工艺流程，避免引入更多的位错和其它高温退化效应如Ge的偏析和表面粗糙化以及离位热处理引入的表面污染和氧化，本文采

2、用在SOl衬底上连续外延生长Si缓冲层、SiGe层和Si帽层随后进行原位低温热处理的方法获得了应变Si／SiGe／Si—S01异质结构。利用在样品和探测器之间放置狭缝的高分辨x射线三轴衍射实验得到了应变Si／SiGe／Si—S01异质结构(004)衍射倒易空间图谱，为了获得更高的分辨率，以三次反射Ge(220)分析晶体代替狭缝得到了Si层和SiGe层的(004)和(113)衍射倒易空间图谱。首次观察到具有双峰结构的Si层衍射峰，确定了Si层衍射双峰与Si层衍射结构的对应变关系。经测量，Si帽层发生了3．0×10。4的面内拉伸应变，SiGe层下面的Si层发生了6o×104

3、的面内拉仲应变。SiGe层下面的Si层在无应变状态下的晶格常数大于无应变体Si的晶格常数，表明SiGe层中的Ge原子发生向下扩散，扩散原子的平均浓度为084at％。SiGe层中Ge原子的浓度为187at％，弛豫度为4．7％。在siGe层(004)衍射倒易空间图谱中，SiGe层衍射峰沿20／co扫描方向的角度宽化大于沿∞扫描方向的角度宽化，说明组分或／和应变变化引起的晶面间距的变化是SiGe层的主要结构特征。提出Si／SiG“Si多层异质结构的取向差模型，对si层与SiGe层之间、SiGe层与SiGe层下面Si层之间的倾斜进行了解释。建立了S01衬底上Si／SiGe／Si

4、异质结构失配应变的分配模型。运用此模型对本文样品进行计算得到Si帽层和SiGe层下面Si层的应变量均为2．6x10一，SiGe层的应变量为4．9×10一。然而，高分辨x射线三轴衍射的测量值却与理论预测值之间存在较大偏差：SiGe层下面si层的应变量较理论预测值低二个数量级，si帽层的应变量较理论预测值低一个数量级。这是由于SiGe层下面Si层的应变来自于SiGe层应变的向下传递，应变的传递效率受到了温度和位错相互作用的制约。在原位热处理过程中，SiGe层与si帽层之间的应变传递效率高于SiGe层与SiGe层下面si层的应变传递效率，导致Si帽层的应变量大于SiGe层下面

5、Si层的应变量。Si帽层的最终应变量受SiGe层弛豫度和si帽层厚度的限制。摘要在应变Si／siG“si—SOI异质结构横截面高分辨电子显微像中观察到600失配位错、堆垛层错以及局部区域的晶格畸变。堆垛层错位于SOI顶层si与si缓冲层的界面处，堆垛层错周界的不全位错均为肖克莱型不全位错，Burgers矢量为1／6[]-12]。热应力造成SOI顶层si与si缓冲层界面附近原子堆垛次序的改变，进而导致堆垛层错的形成。SiGe层下界面处存在600失配位错，说明SiGe层发生了应变弛豫。SiGe层的厚度小于由People模型计算的临界厚度，在外延生长过程中，SiGe层不会以形

6、成失配位错的形式进行塑性应变弛豫。进入到热处理阶段后，SiGe层的应变弛豫由弹性应变弛豫转变为塑性应变弛豫，位错在SiGe层下面Si层中的运动使该层继续发生拉伸应变。首次在应变Si／Sic耐Si—SOI异质结构中的SiGe层下界面附近观察到位错偶极子。构成位错偶极子的两根600位错线分别存在于互相平行的(111)或(111)半原子面边缘，Burgers矢量刃型分量的符号相反。根据平行600位错之间的相互作用力对位错偶极子稳定相对位置进行定量描述，部分位错偶极子稳定相对位置的测量值与理论预测值之间存在偏差，这归因于局部晶格存在应力集中。应变Si／SiGe／Si—SOI异质

7、结构中，600位错和位错偶极子不仅出现在SiGe层的下界面处，也分布在SiGe层下界面附近的外延层中。位错分布范围的平均宽度与扩散区宽度十分接近，说明互扩散引入的应力场对位错的运动及最终分布起到了重要的作用。界面上不同位置的互扩散系数不同，导致位错在SiGe下界面附近一定宽度范围内进行分布。提出两种位错偶极子的形成机制：一种机制是，热场的不均匀分布导致在SiGe层下界面处形成失配位错，失配位错在界面处或者在互扩散应力场和热应力场的作用下运动到SiGe层中或SiGe层下面的Si层中，具有相反符号Burgers矢量刃型分量的两平行近邻失配位错