《UHVCVD外延生长——薄硅及锗硅单晶薄膜》由会员分享，可在线阅读，更多相关《UHVCVD外延生长——薄硅及锗硅单晶薄膜（82页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、浙江大学硕士学位论文UHVCVD外延生长薄硅及锗硅单晶薄膜姓名：崔继峰申请学位级别：硕士专业：材料物理与化学指导教师：叶志镇20040101U H V C V D 外延生长薄琏及锗硅单晶薄膜摘要本文利用超高真空化学气相沉积( U H V C V D ) 技术，在低温生长环境( 5 0 0 6 6 0 。C ) 对薄硅外延及锗硅外延工艺进行了摸索。主要包括锗硅单层和多层结构外延过程生长特性及表征，以及生长机理的研究。使用实验室自行研制的U H V C V D - - l I 外延设备，在低温下( 5 0 0 6 5 0 。C )外延生长了大面积均匀的薄硅单晶外延片，系统研究了U H V C V
2、D 系统硅外延的生长速率曲线；并对外延片在高频领域的应用进行了初步探索。成功的在5 0 0 6 6 0 范围内生长出高质量、宽范围( 0 1 2 7 x 0 5 6 ) 的锗硅外延层，并对外延生长条件进行了优化。为在外延前获得洁净的初始表面，我们对比分析了H 键饱和、G e H 4 清洗、原位热处理三种清洗方法在低温中的效果。利用N o m a r s k i 显微镜、原子力显微镜、高分辨x 射线行亍射仪、拉曼光谱、二次离子质谱及透射电镜对外延层的表面形貌、晶体质量、G e 成份、应变程度、界面特性等进行了研究。并且对不同温度、G e 成份下生长模式与应变驰豫机理进行了探讨。我们对比气体中G
3、e 的比例与外延层中G e 的成份，发现薄膜中G e含量随温度有略微波动，在高的硅烷锗烷气体比时，随温度略呈下降，在低气体比时，随温度变化并不规则；并且固定气体比时，随着流量增大而略微下降。同时研究了不同G e 含量时温度对生长速率的影响，在低温时( 5 1 09 C ) ，沉积速率随G e 含量呈上升关系，但在较高温度时，生长速率先上升，然后又随着G e含量增加而下降。通过生长温度与反应气体流量的调整，我们总结了锗硅外延的优化生长条件。同时我们对成份渐变缓冲层和多层结构也进行了研究。在该生长温度下生长厚度已经超过它的二维生长临界厚度情况下，能够生长出周期性好、界面平整度高的多层结构，有效避免
4、了三维岛状生长模式界面的原子互扩散。塑兰查兰丝燮墼望坚兰竺堡竺笙兰墨：蔓壁垄堕堡兰璺翌堕A b s t r a c tT h i st h e s i sw o r km a i n l yi n v o l v e st h ed e p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fu n d o p e dS i l x G e xs i n g l e - l a y e ra n dm u l t i l a y e rs t r u c t u r ea sw e l la st h es t u d i e so f S
5、i l x G e xg r o v c hk i n e t i c s T h ed e p o s i t i o no fS i l i c o na n df a b r i c a t i o no fS B Di sa l s oi n c l u d e di nt h ea r t i c l e Ap r o c e d u r eh a sb e e nd e v e l o p e da n do p t i m i z e df o rt h ed e p o s i t i o no fh i g hq u a l i t yh e t e r o e p i t
6、a x i a lS i l x G e xl a y e r sa tt e m p e r a t u r e sf r o m5 0 0t o6 6 0 。Cu s i n gU l t r a h i g hV a c u u mC h e m i c a lV a p o rD e p o s i t i o n ( U H V C V D ) r e a c t o rw i t hs i l a n ea n dg e r m a n ea ss o u r c eg a s e s T h r e ed i f f e r e n tc l e a n i n gm e t h
7、 o dw e r ee x a m i n e dd u r i n gt h eS iJ - x G 氐d e p o s i t i o np r o c e s s T h es u r f a c em o r p h o l o g y , c r y s t a l l i n ep e r f e c t i o n ，G ec o n t e n ta n ds t r e s so ft h ed e p o s i t e df i l m sw e r ec h a r a c t e r i z e db yN o m a r s k im i c r o s c o
8、 p y , a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y , h i g hr e s o l u t i o nX r a yd i f f r a c t o m e t r y ，R a m a ns c a t t e r i n gs p e c t r o s c o p y , s e c o n d a r yi o nm a s ss p e c t r o m e t r ya n dT E M T h es t r a i nr e l a x a t i o nm e c h a n i s mw e r es t u d i e d
9、w i t ht e m p e r a t u r ea n dg e r r n a n i u md e p e n d e n c i e so fS i I x G e xg r o w t hm o d e s I tW a sd e m o n s t r a t e dt h a th i g hq u a l i t yl a y e r so fS i t x G e xs i n g l el a y e r sw i t hg e r m a n i u mc o n t e n t so f O 5 6c o u l db eg r o w n0 1 2s i l i
10、 c o ns u b s t r a t e sa tt e m p e r a t u r e s5 0 0 6 6 09 C ，As u b l i n e a rr e l a t i o n s h i pw a so b s e r v e db e t w e e ng e r m a n i u mi n c o r p o r a t i o na n dg e r m a n ef r a c t i o n T h ea m o u n to fi n c o r p o r a t e dg e r m a n i u ms l i g h t l yi n c r e
11、 a s e sw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，b u td e c r e a s e sb yr a i s i n gt h ef l o wr a t e so fs o u r c eg a s e s T h eS i l - x G e xd e p o s i t i o nr a t em e a s u r e di nt h et e m p e r a t u r er a n g ef r o m5 0 0 6 6 0 。Ce x h i b i t sd i f f e r e n td e p e
12、n d e n c i e so ng e r m a n i u mc o n t e n ta td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s T h eg r o w t hr a t e i n c r e a s e s m o n o t o n i c a l l y w i t hg e r m a n i u ma t5 1 0 * C ，b u ta t h i g h e r t e m p e r a t u r e s t h er a t ed e c r e a s e st oac e r t a i nr a t ew i
13、t hh i g h e rg e r m a n i u m T h ea c t i v a t i o ne n e r g yi nS i i - x G e xd e p o s i t i o nr a t ew a sf o u n dt od e c r e a s eb yt h ea d d i t i o n o fg e r m a n i u m ，s u g g e s t i n gt h a tt h er a t e l i m i t i n gs t e pw a sm o d i f i e db yg e r m a n i u m ，B yv a f
14、 i n gt e m p e r a t u r ea n dg a sf l o wr a t e s ，w ec a np r o p o s et h eo p t i m i z e dp r o c e s sw i n d o wt ot h eS i l - x G e xd e p o s i t i o n 2浙江人学坝1 学位论义U H V C V D 外延生氏薄硅及锗硅单晶薄膜T h eg r a d e d l a y e r sa n dm u l t i l a y e r so fS i l x G e xa r ea l s oi n v e s t i g
15、a t e d G o o dq u a l i t ym u l t i - l a y e r e dS i l 。G es t r u c t u r ew e r ed e p o s i t i e du s i n gU H V C V D - I I 浙江 学坝 j 学位论文U H V C V D 外延生长薄硅及错硅单晶薄膜第一章前言尽管很多元素和金属化合物都呈现出半导体的性质，硅仍然是迄今为止电子产业中最为重要、最为成功的半导体材料，超大规模集成电路( V L S I ) 产业基本是建立在硅技术上。硅的主导地位可以归于一系列的因素：硅是地球上丰度仅次于氧的第二大元素：可以被提炼
16、到非常高的纯度，并能得到近乎完美的晶体：硅的氧化物为平面处理工艺提供了绝佳的性质，并且硅有着独特的刻蚀特性和很好的机械性能。但是，从电学性质而言，硅并不是一个理想的选择。例如，硅只具有普通的高电场击穿特性、自由载流子迁移率以及载流子饱和速度，并且硅的少数载流子的长寿命受到间接能带的影响而下降。因此，硅基器件及微电子产品难以实现在光电领域的应用。既然现代集成电路中如此广泛的采用硅基技术，如果我们能够把硅材料与其它有着独特性质的半导体材料结合起来，我们可以得到纯硅器件难以实现的性质，从而为快速增长的庞大集成电路市场提供新的选择，进一步促进它的发展。在实际中，很难单独从硅工艺出发来设计一些新的结构，例如应变超晶格和量子阱结构，所以挑战之处在于是否能在硅衬底上生长得到新材料的外延层。这些研究实际上开启了基础研究及器件应用的一个令人激动的领域：硅基外延生长。经过多年的研究及外延技术的发展，人们终于发现可以利用同为族的锗元素，在硅衬底上生长锗硅应变层，并在其上制成异质结器件。通过
