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氧化法制备硅基SiGe弛豫衬底的研究

2020-12-03阅读(213)

氧化法制备硅基SiGe弛豫衬底的研究

论文摘要

Si基SiGe异质结构因其优良的性质,与成熟的Si工艺相兼容,成为制备高性能硅基微电子与光电子器件的重要材料。SiGe弛豫衬底克服了SiGe晶格失配的限制,是实现高性能Si基SiGe光电子与微电子器件集成的理想平台。传统的SiGe弛豫衬底的制备方法是采用Ge组分渐变缓冲层,为了获得较高的Ge组分,其外延厚度达数μm,外延非常耗时,且表面粗糙度较大,需进行化学机械抛光,成本很高。因此需要寻找一种能够制备表面平整、表面Ge组份较高、厚度较薄的有效的弛豫衬底的方法,以降低成本和方便后续器件制作工艺。本文以制备Si基SiGe弛豫衬底为目的展开研究,采用氧化低Ge组分SiGe实现Ge的浓缩,成功制备了厚度较薄、Ge组分较高的Si基SiGe弛豫衬底。本论文主要开展了以下几个方面的工作:1、依据Si氧化模型,分析了SiGe氧化的物理过程,建立SiGe氧化动力学模型分析了氧化时间与氧化厚度的关系。从实验数据中提取出不同氧化条件下的模型参数,并指出模型参数随氧化温度和Ge组份的变化趋势。2、①干法氧化Si基Si0.88Ge0.12外延层,成功制备了Si基SiGe弛豫衬底,其表面最高Ge组分达0.3、厚度约30-45nm、弛豫度为98%、表面粗糙度为3.4nm、穿透位错密度为1.2×105cm-2。②通过干法和湿法氧化SiGe过程中氧化自停止实验数据的分析,提出SiGe氧化自停止的可能原因是由于SiO2中存在少量的GeO2影响了氧分子的扩散,从而造成了SiGe氧化的自停止;同时也指出了目前两种解释氧化自停止的观点都无法很好地解释我们的实验结果。③分析了不同氧化条件下SiGe氧化过程的应变弛豫机制,特别是首次观察到并解释了湿氧氧化过程中的反常应变弛豫现象。通过对氧化后样品热稳定性的研究,指出退火过程中Si-Ge互扩散是SiGe层应变弛豫的主要机制。④最后选择合适的Si基SiGe弛豫衬底进行二次外延,获得了接近完全弛豫的Si0.72Ge0.28层,验证了氧化制备的Si基SiGe弛豫衬底的可行性。3、干法氧化SOI基Si0.81Ge0.19材料,成功制备了Ge组分分别为0.24、0.33的SiGeOI缓冲衬底;在Si0.67Ge0.33OI基础之上,继而采用循环氧化退火处理进一步获得了Ge组分为0.44、0.6的SiGeOI缓冲层,并对这些制备的样品的材料参数进行表征。结合实验结果分析了SOI基SiGe氧化过程中的影响应变弛豫的多种因素。最后选择Si0.67Ge0.33OI衬底进行了Si0.72Ge0.28层二次外延,验证了氧化制备的SiGeOI弛豫衬底的可行性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 SiGe技术综述
  • 1.1.1 SiGe材料与器件的简况
  • 1.1.2 SiGe的性质
  • 1.1.3 SiGe的发展前景
  • 1.2 Si基SiGe弛豫衬底
  • 1.2.1 Si基SiGe弛豫衬底的研究意义
  • 1.2.2 SiGe弛豫衬底的研究现状
  • 1.3 本论文的主要工作和创新点
  • 参考文献
  • 第二章 Si基SiGe外延材料的表征与弛豫衬底的制备原理
  • 2.1 Si基SiGe材料的外延
  • 2.1.1 衬底的清洗
  • 2.1.2 材料的外延
  • 2.2 材料表征方法
  • 2.2.1 X射线双晶衍射（DC-XRD）
  • 2.2.2 拉曼散射光谱（Raman）
  • 2.2.3 俄歇电子能谱（AES）
  • 2.2.4 原子力显微镜（AFM）
  • 2.2.5 化学腐蚀位错（EPD）
  • 2.3 SiGe弛豫衬底的氧化制备基本原理
  • 参考文献
  • 第三章 SiGe氧化动力学模型
  • 3.1 引言
  • 3.2 SiGe氧化的物理过程
  • 3.3 SiGe氧化的数学模型
  • 3.4 模型参数
  • 3.5 模拟结果与讨论
  • 3.6 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 Si基SiGe弛豫衬底制备研究
  • 4.1 引言
  • 0.7Ge0.3弛豫缓冲层'>4.2 干法氧化制备Si基Si0.7Ge0.3弛豫缓冲层
  • 4.3 氧化过程中氧化自停止、应力弛豫等关键问题的研究
  • 4.3.1 SiGe氧化自停止
  • 4.3.2 SiGe氧化过程中的应变弛豫
  • 4.4 氧化法制备的SiGe弛豫缓冲层的热稳定性研究
  • 4.5 SiGe弛豫衬底进行二次外延
  • 4.6 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 SOI基SiGe弛豫衬底制备研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 SiGe/SOI材料制备
  • 5.2.1 SOI衬底顶层Si减薄
  • 5.2.2 外延制备SiGe/SOI
  • 5.3 SiGeOI弛豫衬底制备
  • 0.76Ge0.24OI的制备'>5.3.1 Si0.76Ge0.24OI的制备
  • 0.67Ge0.33OI的制备'>5.3.2 Si0.67Ge0.33OI的制备
  • 0.56Ge0.44OI的制备'>5.3.3 Si0.56Ge0.44OI的制备
  • 0.4Ge0.6OI的制备'>5.3.4 Si0.4Ge0.6OI的制备
  • 5.4 氧化制备SiGeOI关键问题的分析
  • 0.72Ge0.28二次外延'>5.5 SiGeOI弛豫衬底Si0.72Ge0.28二次外延
  • 5.6 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 总结与展望
  • 一、总结
  • 二、展望
  • 硕士期间论文发表、专利申请及获奖情况
  • 致谢

    • 相关论文文献

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