微区中分子束外延生长SiGe/Si异质结构研究

摘要

本论文中我们研究微区中外延生长SiGe/Si异质结构,由于外延层和掩膜窗口的边缘效应所引起的应变的变化,并讨论此应变的变化对于材料物理性质的影响。此外,在上述研究工作的基础上,我们提出了一种生长高品质应变Si的新方法。它利用微区生长材料的边缘效应引发应变弛豫的原理,结合Ge组分台阶变化Si1-xGex外延层对于失配位错的限制作用,成功地生长了高品质的具有张应变Si材料。论文中各章讨论的内容如下:
　　第一章,主要介绍SiGe/Si异质结构的基本性质和论文研究工作的目的和意义。
　　第二章,介绍MBE生长SiGe/Si异质结构材料的生长技术,和材料的表征方法。
　　第三章中,我们叙述了掩膜边缘及外延膜边缘效应,对于Si(100)衬底上微区生长的SiGe/Si异质结构中的应变和位错的影响的实验结果。研究了边缘效应对于共度生长材料和非共度生长材料的应变所产生的影响,并利用微区Raman光谱技术,研究了不同的掩模材料(SiO2或Si3N4)的边缘效应对于微区中外延生长的SiGe/Si中的应变分布的影响。
　　在第四章中我们研究了微区生长SiGe/Si材料,由于边缘效应引起的应变变化,导致材料物理性质的变化。主要讨论两方面的内容:
　　一,不同掩膜的边缘效应引起的外延层表面形貌的改变。
　　二,研究微区生长SiGe/Si异质结构中,边缘引起的应变弛豫对于材料的热稳定性影响。
　　实验表明,与无边界约束的生长材料相比,微区生长SiGe/Si材料的应变具有远为良好的热稳定性。它表明利用微区生长材料研制器件,有利于提高器件的可靠性。
　　第五章,我们利用外延薄膜边缘弛豫效应,研究外延生长SiGe薄膜表面纳米结构的密度和尺度随应变的变化,实验中观察到,由于Si1-xGex/Si层的部分应变通过外延膜的边缘释放后,导致Si1-xGex/Si表面的纳米结构的密度降低,同时横向尺度也发生变化。在外延纳米结构时通过外延区域尺寸的选择,可以在Ge组份不改变的情况下,实现对纳米结构密度及尺寸的改变。
　　第六章,我们利用微区外延技术生长高品质的应变Si材料。主要包括下面几个方面:
　　一,研制生长高Ge组份,低位错密度,高应变驰豫的Si0.45Ge0.55膜虚拟衬底。在3微米的窗口内成功生长了应变弛豫达90％,穿透位错密度低于2×105cm-2的Si0.5Ge0.5虚拟衬底,而整个虚拟衬底厚度仅为340nm。
　　二,在Si0.5Ge0.5虚拟衬底上生长高品质的应变Si膜。其张应变达到1.5%,穿透位错密度低于2×105cm2。

目录

摘要

Abstract

第一章 前言

1.1 具有实用意义的硅基异质结构——SiGe/Si异质结构

1.2 SiGe/Si材料的基本性质以及生长中的问题

1.2.1 基本性质

1.2.2 SiGe/Si异质结构外延材料生长

1.3 研究微区中外延生长SiGe/Si异质结构的意义

1.4 本论文主要工作及创新

参考文献

第二章 锗硅分子束外技术及SiGe/Si异质结结构的表征技术

2.1 锗硅分子束外技术

2.1.1.简介及分子束外延设备

2.1.2 Si,Ge生长速率的定标

2.1.3 图形衬底片的制备及清洗

2.2 结构的表征技术

2.2.1 表面形貌测量

2.2.2 外延层应变测量

2.2.3 位错的观察和测量

参考文献

第三章 微区外延生长SiGe/Si异质结的应变,应变驰豫和位错

3.1 前言

3.2 微区生长SiGe/Si异质结的应变,应变弛豫和位错的实验结果

3.2.1 样品制备及实验方法

3.2.2 外延层中应变随窗口尺寸和外延层厚度的关系

3.2.3 微区生长SiGe/Si异质结构的位错

3.3 实验结果的分析和讨论

3.4 总结

参考文献

第四章 微区生长SiGe/Si异质结构的形貌和热稳定性研究

4.1 引言

4.2 微区生长SiGe/Si异质结构中,边缘效应对表面形貌的影响

4.2.1 样品的制备

4.2.2 结果和讨论

4.2.3 小结

4.3 微区生长SiGe/Si异质结构的热稳定性研究

4.3.1 样品的制备和退火实验

4.3.2 结果与讨论

4.3.3 小结

参考文献

第五章 微区中生长表面纳米结构的研究

5.1 引言

5.2 样品制备

5.3 结果和讨论

5.3.1 QDM的形成过程

5.3.2 微区中生长QDM

5.4 总结

参考文献

第六章 微区中生长高质量应变Si层

6.1 简介

6.2 高应变驰豫,低位错密度硅锗合金虚拟衬底的生长

6.2.1 样品制备及测量方法

6.2.2 结果和讨论

6.2.3 小结

6.3 局域外延方法生长张应变的Si层

6.3.1 简介

6.3.2 样品制备及表征手段

6.3.3 结果及讨论

6.4 总结

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢