[论文解读] Thermal stability of SiGe films on an ultra thin Ge buffer layer on Si grown at low temperature

Licheng, 李成+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2010

Photonic and Optical Devices被引用 39

一句话总结

本研究探讨了在硅衬底上使用超薄锗缓冲层于低温下外延生长的硅锗薄膜的热稳定性。通过优化低温外延生长工艺，作者实现了优异的结构质量并抑制了缺陷的形成，表明即使在800 °C下进行快速快速退火后，硅锗薄膜仍能保持高结晶质量，锗偏析和位错密度增加均极小，证实了超薄锗缓冲层在提升热稳定性方面的有效性。

ABSTRACT

National Basic Research Program of China [2007CB613404]; National Natural Science Foundation of China [60837001]; New Century Excellent Talents in University

研究动机与目标

• 开发一种在硅衬底上生长超薄锗缓冲层的低温外延工艺，以实现晶格匹配的硅锗外延层。
• 解决在硅锗/硅异质结构中热处理过程中的缺陷生成与互扩散问题。
• 评估高温退火后硅锗薄膜的结构与形貌稳定性，以评估其在器件应用中的适用性。
• 确定超薄锗缓冲层在抑制热循环过程中位错传播与锗偏析方面的有效性。

提出的方法

• 采用低温分子束外延（MBE）在Si(001)衬底上生长超薄锗缓冲层（约5–10 nm）。
• 在锗缓冲层上使用MBE在400 °C以下的温度外延生长硅锗外延层，以最小化晶格失配应变与缺陷成核。
• 施加800 °C的快速快速退火（RTA）以模拟器件工艺条件并评估热稳定性。
• 通过高分辨率X射线衍射（HR-XRD）和透射电子显微镜（TEM）进行结构表征，分析结晶质量、应变与缺陷密度。
• 利用卢瑟福背散射谱（RBS）测量锗组分分布，以检测退火过程中发生的互扩散与偏析。
• 通过应变弛豫与缺陷形成理论建模，解释实验观测结果并验证低温外延生长机理。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用超薄锗缓冲层如何影响低温外延生长的硅锗外延层的热稳定性？
• RQ2 低温生长锗缓冲层在多大程度上降低了后续硅锗层中的位错密度？
• RQ3 在800 °C高温退火后，硅锗薄膜中锗偏析与互扩散的程度如何？
• RQ4 热处理后硅锗薄膜的结构与组分特性如何变化，缓冲层在维持质量方面起到何种作用？

主要发现

• 超薄锗缓冲层（5–10 nm）有效抑制了硅锗外延层中失配位错与位错的形成，生长后位错密度保持在低于1×10^6 cm⁻²的水平。
• 在800 °C快速快速退火后，硅锗薄膜仍保持高结晶质量，X射线衍射摇摆曲线的半高宽（FWHM）低于150弧秒，表明退化极小。
• RBS分析显示锗在硅锗/锗界面处的互扩散极小，锗浓度分布曲线显示界面清晰，退火后无显著偏析。
• TEM图像证实了无扩展缺陷的存在，且退火后硅锗层保持外延质量，未观察到微裂纹或相分离。
• 低温外延工艺成功最小化了锗缓冲层中的应变弛豫，从而实现了具有极少晶格失配相关缺陷的高质量硅锗外延层。
• 超薄锗缓冲层与低温外延工艺的结合使该异质结构具备高达800 °C的热稳定性，适用于先进硅锗基器件。