应变硅细-微观实验测量表征

摘要

应变硅技术通过将应变引入半导体材料，能够在提高载流子迁移率的同时降低热能耗，从而大幅提升半导体器件的光/电性能，是目前微电子领域基础研究与工程应用的热点。应变硅晶体管的光/电性能对其应变状态高度敏感，应变的引入的同时也带来了更复杂的结构强度和可靠性问题。针对应变硅材料的力学性质，国内外众多学者已开展了广泛的研究。然而现有研究大多局限于特定的尺度和属性，或某一种测量方法，而缺乏多尺度实验方法相结合的、面向物性与力学行为及其相互影响机制的精细测量表征实验研究。
　　本文以硅锗缓冲双轴应变硅材料为研究对象，面向该多层结构的材料物性与表/界面力学行为，将原子力显微镜、显微白光干涉、扫描电镜、能量色散谱、纳米压痕、透射电镜、微拉曼光谱等不同尺度、不同测量对象的实验方法相结合，开展了多尺度的实验表征与物理-力学分析。
　　针对本文多方法相结合的实验分析，本文首先制备出了具有超低粗糙度的应变硅横截面样品，并通过将原子力显微镜和显微白光干涉仪相配合定量测量得其表面粗糙度。使用该超低粗糙度的应变硅横截面样品，本文将钨灯丝扫描电镜与能量色散谱相结合，分析了应变硅材料的分层结构并定量地给出了各自的厚度以及元素随深度变化的规律，证实本文的应变硅样品与预期设计具有较好的吻合度；利用纳米压痕技术沿深度方向逐点扫描测量了各层不同位置的材料弹性模量；使用透射电子显微镜对应变硅材料横截面上纳观尺度的晶格结构及其沿深度方向的变化规律进行了详细分析，给出了各层及相互界面的晶格结构、尺寸厚度、位错分布等，并对应变硅层与缓冲层共晶生长、缓冲层中通过位错释放应力等纳观尺度力学行为进行了分析。
　　本文推导了面向单晶硅和硅锗材料的表/截面应变与残余应力的拉曼测量关系式，并采用不同波长激光表面样品拉曼测量获得了应变硅层和组分恒定缓冲层的平均应变水平和残余应力，采用拉曼mapping测量获得了界面区域附近的高分辨拉曼频移、展宽和强度分布场，进而获得了其残余应力的分布规律。本文实验研究从百微米量级至纳米量级尺度，对应变硅材料的材料成分、晶相、缺陷、模量、残余应力等物性和力学参量进行了实验表征，并通过不同实验的结果相互印证分析，系统性的分析了应变硅材料的力学特征对结构性能的影响机制。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究动态

1.3本文的主要工作

第二章 应变硅材料及其横截面样品的制备

2.1应变硅材料的制备

2.2应变硅的清洗

2.3应变硅横截面样品的制备

2.4本章小结

第三章 应变硅结构物性的多尺度实验分析

3.1应变硅横截面样品的表面粗糙度测量

3.2应变硅多层结构的材料物质分布实验分析

3.3应变硅横截面样品的弹性模量变化规律测量

3.4应变硅材料纳观结构的TEM分析

3.5本章小结

第四章 应变硅的微拉曼力学分析

4.1微拉曼实验

4.2应变硅表面样品的微拉曼实验

4.3应变硅横截面样品的微拉曼实验

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2进一步展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢