（微电子学与固体电子学专业论文）sige材料的椭圆偏振光谱研究.pdf

一 一独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废 壑电太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文柞者签名：返忒蚴a签字日期：沙多 年，1 月7 日 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭邮电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 重庆直e 电太堂 可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者鏊名：她币 导师签名；荟秕 签字日期： 沙争年，1 月- 7 日 签字日期：刃6 年f 月，1 日 重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 s i g e 是继s i 和g a a s 之后的一种重要半导体材料。s i g e 材料通过对 g e 组分的调控可剪裁s i 工g e l 工的能隙宽度、改变载流子的迁移率，从而获 得高性能。目前，国内外主要采用二次离子质谱( s i m s ) 法和x 射线衍 射( x r d ) 法对s i g e 薄膜进行表征。但这些方法或者存在破坏性，或者 信噪比低，不能充分实现目前s i g e 技术的发展需求：椭圆偏振光谱( s e ) 技术具有灵敏度高、无破坏性、对环境要求不苛刻等特点。国外利用s e 进行s i g e 材料和器件的研究工作较多。国内尚未对s i g e 材料进行系统的 椭圆偏振光谱研究。 本文即从此入手，首先介绍s i g e 这一新兴半导体材料的性质和应用。 然后制备了不同工艺条件下的s i g e 薄膜样品，采用椭圆偏振光谱技术对 这一系列样品进行了研究。确定了s i 。g e l x 层的厚度、光学常数和g e 组分， 对不均匀的s i x g e l x 层沿厚度方向进行了组分梯度的表征。其结果与二次 离子质谱法测试结果具有较好的一致性。并在此基础上，分析了退火温度、 退火时间对应变的影响。成功得到了完全驰豫状态的s i x g e l z 薄膜，可用 于器件制作。最后，制备和表征了器件级薄膜系统一一s g o i ( s i g e o n - i n s u l a t o r ) 。 关键词：s i g e 材料、椭圆偏振光谱、组分、厚度、应变 a bs t r a c t s i g ei sak i n do fi m p o r t a n ts e m i c o n d u c t o r 血a t e r i a l a r 盯s ia n dg a a s s 1 g em a t e r i a lc a no b t a i n h i g hp e r f o r m a n c et h r o u g hr e g u l a t i n gt h eg e c o m p o 蛐o nt 0 、t a i l o rt h ew i d t ho fe n e r g yg a pa n dt o c h a n g em o b i l i t ye f f e c t s o tc a r r l e r s a tp r e s e n t ， s i g e6 l mi s m a i n l yc h a r a c t e r i z e db vi o nm a s s s p e c t r o m e t r y ( s i m s ) a n dx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) b u te i t h e rt h e s em e t h o d s a r ed e s t r u c t l v eo rt h es i g n a l t o - n o i s er a t i oi s l o w ，f a i l i n gt os a t i s f yt h et e s t i n g r e q u l r e m e n to fs i g ef i l m s p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r y ( s e ) h a sm e r i t s l i k e n l g ns e n s l t j v l t y n od a m a g et o s a m p l e s ， a n du n f a s t i d i o u sr e q u i r e m e n to f c o n d i t i o n s m u c hw o r ko fs t u d y i n gs i g em a t e r i a la n dd e v i c et h r o u g hs ei s c o n d u c t e do v e r s e a sa n d s y s t e m i cs er e s e a r c ho ns i g em a t e r i a l i sr a r ei n c h i n a 王n ep r o p e r t l e sa n da p p i i c a t i o n so fs i g em a t e r i a l sa r ef i r s ti n t r o d u c e d i n t h i sp a p e r t h e n ，s i g en l m sa r ep r e p a r e du n d e rd i f f e r e n t t e c h n o l o g i e sa n d a n a l y z e db ys et od e t e r m i n et h e t h i c k n e s s ， o p t i c a lc o n s t a n t sa n dg e c o m p o s l t l o n i h e c o m p o s i t i o ng r a d i e n to fn o n u n i f o r m s i g e l 嚷l a v e r si s 1 n v e s t l 譬a t e d a l o n gi t st h i ! c k n e s s ，a n dt h er e s u l ti si ng o o da g r e e m e n tw i t h s i m st e s t i n 矗d d i t i o n ，t h e p a p e rc h a r a c t e r i z e st h ei n f l u e n c e so na n n e a l i n g e m p e r a t u r ea n dt l m e i nt h ee n d ，s g o i ( s i g e o n i n s u l a t o r ) i ss u c c e s s f u l l v p r e p a r e da n dc h a r a c t e r iz e d k e y w o r d s ： s i g e m a t e r i a l ； s p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r y ； c o m p o s i t i o n ； t h i c k n e s s ：s t r a i n 重庆邮电大学硕士论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 选题背景：1 1 2 论文主要工作3 1 3 论文主结构4 第二章s i g e 材料的主要特性5 2 1 s i g e 材料的一般物理性质5 2 1 1 晶体结构5 2 1 2s i g e 合金的晶格失配5 2 2 s i g e 材料的能带7 2 3 s i g e 材料的光学性质9 2 4 应变对s i g e 物理性质的影响1 0 2 5 s i g e 材料性质的表征一1 l 2 5 1 主要的表征参数一11 2 二5 2主要的表征技术：1 2 第三章椭圆偏振光谱技术15 3 1椭圆偏振光谱学的发展1 5 3 2 椭圆偏振光谱技术的原理1 6 3 2 1 椭圆偏振光1 6 3 2 2 椭偏参数1 7 3 2 3 椭圆偏振光谱技术的测量原理1 9 3 3 椭圆偏振光谱技术的优势及特点2 0 3 4 椭圆偏振光谱技术的反演分析2 2 3 4 1 分析步骤2 2 3 4 2 建立模型2 2 3 4 3 参数拟合2 5 3 4 4 最优化方法2 6 第四章s i g e 薄膜的椭圆偏振光谱表征研究：3 0 重庆邮电大学硕士论文目录 4 1 本论文所用的椭圆偏振光谱仪3 0 4 2 s i g e 薄膜的生长与制备3 1 4 3 s i g e 薄膜的椭圆偏振光谱研究3 2 4 3 1 数值反演的具体步骤3 2 4 3 2 结构模型3 2 4 3 3 椭偏测量3 3 4 3 4i 组s i g e 薄膜的椭偏表征3 3 4 3 5 i i 组s i g e 薄膜的椭偏表征3 7 4 4 与s i m s 测试结果比较4 0 4 5 结论4 1 第五章 s g o i 薄膜的椭圆偏振光谱研究4 3 5 1 关于s g o i 薄膜4 3 5 2 s g o i 薄膜的制备4 4 5 3 s g o i 薄膜的椭圆偏振光谱测量4 5 5 4 小结4 7 第六章总结与展望4 8 6 1 总结4 8 6 2 进一步的工作j 4 8 致谢4 9 参考文献5 0 附录：5 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 在微电子领域中最早开发的半导体材料是锗( g e ) ，因为相对来说它 比较容易提纯和制备出完整的单晶。后来随着材料制备技术和器件工艺技 术的进步，半导体硅( s i ) 越来越受到人们的重视，特别是硅平面工艺发 展起来以后，在微电子领域内几乎完全取代了g e 。尽管其他某些半导体材 料也具有较高的载流子饱和漂移速度和较宽的禁带宽度，但由于s i 的许多 优良特性，特别是能方便的形成极其有用的绝缘膜一一s i 0 2 膜，而且在s i 平面工艺中也能够方便的使用另一种很有价值的绝缘膜一一s i 3 n 4 膜，从而 利用s i 能够实现最廉价的集成电路工艺。所以在整个微电子技术中，s i 器件的应用超过9 5 。 虽然现在s i 在微电子技术中占据着主导地位，但是由于其载流子的迁 移率和饱和漂移速度较低，而且具有间接跃迁能带结构，限制了它在若干 方面的应用，因此，在许多模拟电子技术领域，特别是在高频、高速方面 ( 例如射频功率放大器和激光器) ，往往是g a a s 、i n p 等化合物起主要作 用。然而，化合物半导体技术难以大规模集成，同时，加工不便，成本较 高，所以人们还是希望从s i 技术中寻找出适应高频、高速需求的新技术。 最早由i b m 提出的s i g e 技术在很大程度上满足了这种需求【2 1 。 1 1选题背景 早在2 0 世纪8 0 年代，i b m 的工程师们为了解决传统离子注入双极s i 工艺中的矛盾，提出了新的工艺技术方案，将g e 作为添加剂加入到s i 中， 以提高s i 基器件的性能，从而发展出s i g e 技术【2 1 。集成电路发展的里程 表明，新型半导体材料的发展必然是材料制备工艺和器件制作工艺的共同 进步。s i g e 技术的发展也验证了这一点。 基于外延工艺制作的器件需要能够形成任意的掺杂浓度分布和化学组 分( 例如，s i o e 合金的组分) ，而此前的高温( 芝1 0 0 0 ) 外延使杂质的扩 散和应变层的驰豫非常迅速，故而无法满足新器件发展的要求。19 8 2 年， i b m 的研究人员开发出在足够低的温度( s 8 0 0 ) 下生长出优质硅外延层 的新技术一一超高真空化学气相淀积( u h v c v d ) 低温外延技术( l t e ) 。 从而降低了处理温度，使任意的掺杂浓度、杂质浓度分布以及s i g e 合金 组分成为可能。并于l9 8 7 年，成功采用分子束外延( m b e ) 研制出了s i g e 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 基区台面晶体管。集电极、基区和发射区采用m b e 技术在真空中相继生 长，台面则采用干法腐蚀制作，结果其集电极电流增加了6 倍。19 8 8 年， 又采用u h v c v d 基于双重多晶硅b j t 工艺研制出缓变s i g e 基区、多晶 s i 发射极的h b t 。从而建立起一个新的重要发展方向与当今硅技术基 础完全一致的s i g e 夕f 、延基区工艺【3 ，4 】。 。 随着越来越多的研究人员意识到s i g e 技术的重要性，大量的公司企业 【5 】加入到对s i g e 的开发和生产中，使s i g e 技术迅速向实用化迈进。1 9 9 2 年实现了s i g e h b tb i c o m s 工艺。1 9 9 3 年，l s is i g e h b t 集成电路被制 作出来。同年，s i g e h b t 的疗达到l0 0 g h z 。1 9 9 4 年，第一条2 0 0 n m 的 s i g e h b t 生产线建成。19 9 6 年高功率s i g e h b t 投产。l9 9 7 年亚微米s i g e h b te c l 专用电路成功研制。到2 0 0 1 年，s i g e h b t 的厂t 已超过2 0 0 g h z 。 在开发s i g e h b t 的同时，对于s i g e f e t 的研究工作【6 7 】也在大力进行 着。t e x a s 大学研制了s i g e s ip 型m o s f e t ；富士通研究所采用s i g e 沟 道，成功开发出了耗电低的高速p 型m o s 晶体管。而德国的u l m 大学和 美国的i l l i n o i s 大学则主要研究采用调制掺杂的s i g e s i 异质结来代替化合 物半导体异质结的m o d f e t 。 s i g e 技术也是我国计划重点发展的高科技项目，提出了以自主创新为 主、大力开发大直径( 5 i n 8 i n ) 的s o i 材料、锗硅外延材料及其实用化技 术的发展目标。在国外技术迅猛发展的背景下，国内的s i g e 技术的研究和 投产也在不断涌现【8 9 】。 中国电子科技集团2 4 所是国内最早从事s i g e 技术研究的单位之一， 在s i g e 材料制备、器件结构与机理、s i g e 平面工艺、s i g e 超高速集成电 路设计等方面进行了深入研究。突破了应变s i g e 材料制备技术( m b e ) ， 研制出性能优良的s i g e s i 异质结材料。在现有硅工艺线上初步建立了一 套4 i ns i g e 双极平面集成工艺。通过自行设计，研制出了特征频率达 1 0 5 g h z 的s i g e h b t ，带宽达3 2 g h z 、噪声1 7 d b 的s i g e 宽带低噪声 放大器系列，以及2 5 0 m h z 的超高速8 位d 、工作频率3 g h z 的预置分 频器等产品。 清华大学微电子所开发出用于s i g e 材料生长的u h v c v d 外延系统； 电子科技大学在应变s i 驰豫s i g e 材料生长、h c m o s 器件参数提取和物 理模型建立、s i g e h c m o s 器件和单元电路关键工艺技术研究和试制，取 得了多项理论和技术成果和专利；捷智半导体和上海先进半导体、深圳方 正微电子等的s i g e 项目都已经投产。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2 论文主要工作 随着s i g e 技术的发展，不仅仅是纯的模拟产品，而且将会有更多的 s i g e 数字产品出现，还处在实验阶段的光探测器和m e m e s 传感器、执行 元件，在2 0 1 0 年前将投入使用。目前，s i g e 外延片以及芯片组模块中所 用的低噪声放大器、功率放大器不断在增长着。 正因为如此，各国竞相开展了s i z g e l x 材料与器件的研究。其中s i x g e l 工 材料组分、掺杂浓度的研究是其中的重要内容之一。快速有效地确定组分、 掺杂浓度及带隙将对s i 基能带工程物理与器件技术的发展起到积极的推 动和指导作用。 对s i x g e l z 材料组分、掺杂浓度的表征，目前国内主要采用s i m s 和 x r d 分析技术。s i m s 的主要优点是它能够检测所有元素并对某些元素有 极高的检测灵敏度，但是s i m s 是破坏性的表面分析技术，因此必须考虑 由于离子轰击可能引起的样品的改变。而x r d 对于很薄的s i g e 层的检测， 信噪比很低，测试结果的可信程度不高。 椭圆偏振光谱学( s p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r y ) 是一种以椭圆偏振光测量 为基础的光学与光谱技术【l0 1 。该测量方法具有以下优点：( 1 ) 原子层级的 灵敏度。( 2 ) 测试过程对于被测试体系无任何损伤和破坏。( 3 ) 对被测体 系以及被测体系所处的环境条件要求不苛刻。( 4 ) 同时确定介电函数的实 部和虚部。因上述特点，椭圆偏振光谱被广泛地应用于微电子领域，例如 监测半导体材料的生长，分析离子注入半导体的损伤分布，研究金属半导 体界面等： 国外利用椭圆偏振光谱来进行s i g e 材料和器件的研究工作较多。国 内尚未有进行s i g e 椭圆偏振光谱研究的系统工作，并且椭偏谱仪在微电 子研究所和工厂的主要应用也仅仅限于测试s i 0 2 等半导体材料的厚度，这 与国外的差距非常大。因此，论文的主要工作是： 1 在不同工艺条件下制备出s i g e 薄膜。 2 系统研究椭圆偏振光谱技术中数值反演的物理模型以及评价标准， 给出不同工艺条件下，s i g e 薄膜的结构模型和物理模型。 3 利用椭圆偏振光谱技术对制备的s i g e 薄膜进行分析，进一步确定可 用于器件制备的s i g e 薄膜。 4 在前述工作的基础上，制备和表征实用的s g o i ( s i g e o n i n s u l a t o r ) 薄膜系统。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 论文主结构 本论文主要分为六个部分。 第一部分，绪论。介绍s i g e 技术的发展，以及国内外的研究情况和应 用现状。提出目前用椭圆偏振光谱技术来表征s i z g e l q 薄膜的重要意义。 并概括了本文的主要工作。 第二部分，s i g e 材料的主要特性。介绍s i g e 材料的晶格结构、能带、 载流子、以及光学性质和g e 组分的关系。并分析了应变对s i g e 薄膜以及 器件性质的影响。最后简单对比了主要的薄膜表征方法。 第三部分，椭圆偏振光谱技术简介。概述椭圆光谱学的发展：着重分 析了椭圆偏振光谱技术的测量原理、以及与其它表征手段相比的优缺点。 然后介绍了该技术的反演分析过程。 第四部分，s i g e 薄膜的椭圆偏振光谱表征研究。在不同条件下制备单 层s i g e 薄膜，通过椭圆偏振光谱技术进行测试、拟合，与设定结果比较， 进而分析制备条件对s i g e 薄膜的影响，进一步可用于器件衬底的s i g e 薄 膜。 第五部分，s g o i 薄膜的椭圆偏振光谱研究。通过前面的分析，制备出 器件级的s g o i 薄膜，采用椭圆偏振光谱技术进行无损、快速的分析表征。 第六部分，总结和展望。概括了作者在本课题中所做的主要工作和课 题的意义所在，同时提出了进一步工作的方向和需要解决的问题。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章s i g e 材料的主要特性 第二章s i g e 材料的主要特性 、 2 1 s i g e 材料的一般物理性质 2 1 1晶体结构 s i 合金是由s i 元素和元素相互熔合而成的一种连续固溶体，即s i 与 g e 可按照任意比例熔合。其晶体结构与s i 和g e 一样，都具有金刚石结构。空间 群为f d 3 m 。理解面是 1 1 1 ) 晶面，滑移方向是( 1 1 0 ) 晶向。图2 1 给出了s i g e 合 金三种可能的有序结构。图2 2 给出了其表面结构。 、图2 1s i g c 合金的有序结构( 晶胞结构和投影图) l 图2 2s i g e 合金表面层原子的排列 2 1 2s i g e 合金的晶格失配 在2 5 下，s i 、的晶格常数分别为0 5 4 3 1 n m 和0 5 6 5 8 n m 。根据v e g a r d 法 则i l ，s i l 一如恢合金的晶格常数为 魄i o 。( x ) = 魄：( 1 一x ) + 。x = o 5 4 3 1 + o 0 2 2 6 5 x ( 2 1 ) 然而，s i l 一如岛合金的晶格常数并不遵循常用的a r d 法则。实验测定推算出 来的v 堍a r d 法则的晶格常数同组分的关系( 如图2 3 所示) 为 口- s i g 。( x ) = o 5 4 3 1 + o 0 1 9 9 2 x + o 0 0 2 7 3 3 x 2( 2 2 ) 5 重庆邮电大学硕士论文第二章s i g e 材料的主要特性 莛 往 、 东 ：虿 图2 3s i g e 品格常数( 实线为理论值，虚线为实验值) 由于晶格常数不同，s i l 一如氐同s i 之间必然存在晶格失配，并且晶格失配率也 与g e 组分x 有近似线性关系 厂：生进：o 0 3 6 7 x( 2 3 ) 。 口s i 。 这是一种较大的失配体系。当s i g e 薄膜生长在s i 衬底表面上时，会在界面处产生 失配位错。失配位错是种线缺陷，它在晶体中可能形成闭合的位错环，也可能 通过螺旋位错而延伸到晶体的外表面。这是我们制作器件所不期望的。所以采用 外延技术生长s i g e 薄膜，来保证界面处不出现失配位错。但是，这又势必在生长 的s i g e 薄膜内部出现应变。薄膜厚度应在临界厚度以下时为赝晶生长；反之应变 将发生弛豫，s i g e 层内产生失配位错，以释放应变能( 见图2 4 所示) 。临界厚度 随g e 组分的增加会减少。 ( a ) s i 、s i c k 晶格示意图 6 1 i t | 。；r t 嚣 重庆邮电大学硕士论文 第二章s i g e 材料的主要特性 ( b ) s i g b 的赝晶生长 s l f 鼍l 耵t ds l 嘈t ；t ， 他h x e ds i ；o 。； ，辑l 孽f i id i 辱 o c 善t l o n ( c ) s i c b 的应变驰豫生长 图2 4s i c b 薄膜应变的产生和释放 在8 0 年代末期，b e m i e m e y e r s o n 发现了通过生长递变g e 组分的s i g e 缓冲层 可以提高上层s i g e 层的晶体质量，并释放应变。如图2 5 所示f 1 2 】。 踏l 馘ds 1 1 x c 氓 嫩p 骢e p s 图2 5 通过递变s i g b 层来释放上层s i g e 的应变 2 2 s i g e 材料的能带 s i g e 合金的能带可以看成s i 和的能带混合变化而成。其能隙也为间接能 隙，4 2 k 下，s i 的最为1 1 5 5 e v ，g e 的乓为o 7 4 0 e v 。室温下，的能隙为o 6 7 e v ， 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章s i g e 材料的主要特性 s i 为1 1 7 “。g e 的导带底位于布里渊区的l 点，s i 的导带底在点，它们的价 带顶都在r 点( 脚) 。当的组分k o 8 5 时，s i g e 合金的导带为类s i 结构。当 驴o 8 5 时，导带为类g e 结构。其能隙与组分的关系如图2 6 1 1 3 】。 图2 6s i g 电材料的能隙( 9 0 k ) 可见，s i g e 材料的能隙比s i 材料小，所以通过形成异质结构可实现s i 基能带工程。 并且应变的存在使得人们可以通过调节应变来改变能带结构。图2 7 给出了s i g e s i 异质结两种不同应变状态下的能隙图f 1 3 】，在器件设计时，可以通过形成这两种异 质结来得到硅基的电子、空穴气。 d 比孥蚰g a 赳工船恐三2 c v 蛐酣s i j g js t r 血c d s i - 。耋兰譬恐；旦2 皿l 臼旧妇ds is ds - g 。j 即1 1 7 c v 酗1 0 0 c v = 。葛苗苟篇知 l h 0 1 cg 丑s ( a )( b ) 图2 7s i c 耐s i 异质结的能带结构。( a ) i i 型能带。( b ) i 型能带。 s i g e s i 异质结的应变除了会影响能隙大小外，还会影响材料的能带结构，改 变极值点的简并度，从而改变电子、空穴的有效质量。同时其中的应变可以抵消 散射的部分作用。正是这些影响，使得s i g e 具有了高迁移率等优势，图2 8 给出 了s i g e 与几种半导体材料的迁移率比较【1 4 1 ，显然可见s i g e 的性能较优。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章s i g e 材料的主要特性 、 主 薹 ( a ) 。、 ( b ) 图2 8 s i g b 与s i 、g 毛中载流子迁移率的比较。( a ) 电子。( b ) 空穴。 2 3 s i g e 材料的光学性质 s i g e 合金的折射率刀与光子能量和组分之间的关系如图所示。由图2 9 中可 以看出，s i g e 合金的折射率比较大( 一般在4 6 之间) ，并且随着g e 组分的增加 而增大。 图2 9s i g b 合金的折射率 s i 合金在红外光下的折射率可以表示为( 3 0 0 k ) ，k 3 4 2 + o 3 7 x + o 2 2 x 2 ( 2 4 ) 特别，对于s i ( z = o ) ，在7 7 k 7 4 0 0 k 时的红外折射率为 9 重庆邮电大学硕士论文第二章s i g e 材料的主要特性 ，= 3 3 8 ( 1 + 3 9 l o 一5 丁)( 2 5 ) 由于s i g e 合金的折射率万比较大，所以它的反射系数尺也比较大( 在光正入 射到合金与空间的界面上，有尺= 一1 ) 2 + 1 ) 2 ) ，即使是在比较弱的晶格吸收的 远红外区和载流子吸收的近红外区，都有较强的反射损耗。图2 1 0 给出了s i 侥合 金的反射系数与光子能量和组分x 之间的关系曲线。 藿 鼍 撩 l 遥 能量h ， 图2 1 0s i g e 合金的反射系数 s i g e 合金的光吸收系数与光予能量的关系如图2 1 1 所示。当光子能量等于临 界能量e l 时，将出现很大的光学反差。此临界能量e l 与组分x 有关，随着侥组 分的增加，e 1 逐渐下降，具体关系如下 巨( x ) = 3 3 9 5 一1 2 8 7 x o 1 5 3 x ( 1 一x ) ( 2 6 ) ? j 要 h 籁 瞻 皇c 秣 鬟 图2 1 ls i g e 合金的光吸收系数 2 4 应变对i g e 物理性质的影响 由于s i 和g e 晶体之间存在较大的晶格失配，所以生长的晶体薄膜必然在内 l o 的的o曲钟加o 蚰加o柏o柏o 重庆邮电大学硕士论文 第二章s i g e 材料的主要特性 部要出现应变。应变除了产生失配位错以外，对s i g e 薄膜的其它性质也有重要的 影响。 1 赝晶薄膜存在临界厚度。一般来说，随着s i g e 薄膜的厚度增加，赝晶内积 累的应力也在增加。当厚度达到一定的程度后，其应力释放，形成存在位错的晶 体结构( 见图2 4 ) 。所以，为了保存赝晶薄膜中的应变，s i 薄膜的厚度必须有 一个临界值临界厚度。并且临界厚度与g e 组分有关，如图2 1 2 所示。 图2 1 2 临界厚度与g e 组分的关系 2 应变将引起s i 的能带结构发生变化。使导带底和价带顶的简并消失， 同时改变能带边缘，从而改变能隙大小。 2 在s i g e 材料中引入应变可以提高载流子的迁移率。首先，应变改变了等 能面( 无应变s i 上生长压应变s i g e ，( 0 0 1 ) 方向和( 0 1 0 ) 方向的导带底等能面 发生形变) ，使得有效质量变化。同时应变的存在可以抵消半导体中的散射( 能谷 间散射) ，所以载流子迁移率将随着g e 组分x 的增加而增大。这对于改善器件和 电路的性能具有重要的意义。在实际中，我们通常先制备驰豫的s i g e 薄膜做虚拟 衬底，然后在上面生长应变层来制作高迁移率的器件。 2 5 s i g e 材料性质的表征 2 5 1主要的表征参数 我们知道，对于薄膜来说，主要的表征参数有薄膜厚度、折射率、消光系数、 介电常数。然而，对于s i g e 薄膜而言，还有更重要的一个参数，就是组分。 a 厚度d 厚度不仅是评价薄膜生长质量的一个重要标准，也决定性地影响着薄膜的光 学性能、电磁性能和力学性能。并且对器件的制备和性能以及可靠性都有重要作 用。所以，如何能准确、快速、又无损的测量薄膜的厚度一直是材料制备领域的 、 重庆邮电大学硕士论文第二章s i g e 材料的主要特性 一个热点话题。 b 复折射率( 描述的是材料如何对光作用) 庙 疗( 力) = 刀( 五) + 廊( 五)( 2 7 ) 其中刀( 力) 为折射率( 描述的是波的速度和折射) ，后( 五) 为消光系数( 描述的是能量 的衰减) ，还可用吸收系数来表征，口：生当。 九 c 介电常数( 描述的是光如何对材料作用) 荸 吾( 五) = 毛( 五) + f 乞( 兄)( 2 8 ) 其中蜀是体积极化项，而岛是体积吸收项。不论是折射率还是消光系数，还是介 电常数都是波长的函数，而不是一个定值。 折射率和介电常数的关系：。 吾= 商2 ( 2 9 ) ，后=。 ( 2 1 0 ) 复折射率和介电常数表征的都是材料的光学性质。任一薄膜材料必然涉及到 界面的反射和折射问题。这是一组基本性质。 d 应变 从前面的论述可知，应变是s ig i e 材料不可避免的，同时又对晶格结构、能带 关系、迁移率等产生重要影响。在器件的制备中，我们希望得到应变完全驰豫的 s i g e 薄膜来作为虚拟衬底，而完全应变的s i g e 薄膜来制作器件。因此，能否表征 应变成为工程中的实际问题。 e 组分x s i g e 材料作为一种固溶体，由两种元素组成的。g e 的组分水平x 一定程度上 决定整个体系的物理性质。并且，我们正是通过g e 组分的调节来控制s i g e 材料的 基本特性的。 综上所述，薄膜的厚度、组分、光学常数等都是s i g e 生长需要控制的关键 参数，它们决定番s i g e 器件性能的优劣。因此，材料表征技术是s i g e 材料和器 件制备的一个重要组威部分。常用的测量方法有x 射线衍射( m ) 、二次离子质 谱( s m s ) 等。下面进行简单的描述。 2 5 2 主要的表征技术 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章s i g e 材料的主要特性 ) d 【1 5 ，1 6 】基本的原理可以用b r a g g 定律来表述 豺s i n 臼= 以 ( 2 1 1 ) 式中，娓晶面间的距离，a 为x 射线的波长，p 是入射光与晶体表面的夹角。 由x 射线源产生的x 射线经四晶g e 单色仪后滤光后，再通过通孔进一步减小入 射光束的光斑尺寸。x 射线照射晶体，晶体中电子受迫振动产生晶体的衍射波。然 后通过探测器检测衍射光波的信号( 如图2 1 3 所示【1 6 】) 。一般在探测器前加双晶 分析仪，以汇聚衍射光束。分析得到的衍射曲线，可以分析材料的物相( 有哪些 元素组成，各种元素的含量) 、结晶度、晶粒大小、残余应力分析等。 z f - 图2 1 3x r d 分析示意图图2 1 4 含杂质的s i g e 薄膜( 退火后) x r d 图 x i m 的主要优点有：检测快速，工作效率高，操作简单，数据处理方便，自动 化程度高。应用范围广泛( 可在高温下工作) 。但信噪比不高。图2 1 4 示出了一个 退火后的s i g e 薄膜m 图【1 7 】。从图中可以判断出含有的杂质为、f e 、p 。并且 可以将此图指标化，得到晶格结构。 2 s 蹦s s i m s 【1 8 ，1 9 1 的基本原理示于图2 1 5 。将离子源产生的一次离子经加速、聚焦后 打向样品表面，进入固体的离子通过弹性和非弹性碰撞，把能量传递给点阵原子。 受到碰撞的原予发生级联碰撞，从固体表面放射出各种中性粒子、电子和正负离 子，将这些正负二次离子引入质谱仪，经分析后记录其荷质比和强度，就能对固 体表面进行分析。影响二次离子产额的因素很多，它涉及到原子或分子的基态和 激发态同固体表面的相互作用，也与入射离子种类、元素及表面条件有关。 重庆邮电大学硕士论文第二章s i g e 材料的主要特性 图2 1 5 二次离子质谱原理示意图图2 1 6多层s i g e s i 结构中s i 、g e 分布 s d 订s 作为表面分析技术有其特有的优点：( 1 ) 在超高真空下( 1 0 7 p a ) 进行测 试，可以确保得到样品表层的真实信息。( 2 ) 原则上可以完成周期表中几乎所有元 素的低浓度半定量分析。( 3 ) 可检测同位素。( 4 ) 可分析化合物。( 5 ) 具有高的空间分 辨率。( 6 ) 检测灵敏度最高。但在测量过程中要损伤样品。图2 1 6 是一个采用 i 朋c v d 技术生长的多层s i g e s i 结构的例子。从图中可以清楚地看出外延层中 含量的分布随距离的不同而不同，每个g e 峰对应着不同s i g e 层中的g e 含量。 其它的表征技术还有霍尔测量，透射电子显微镜等。这些方法各有优劣，但 是都不能同时表征s i g e 薄膜的多个物理性质，必须综合应用。同时，这些测量方 法对环境要求高( 很多需要超高真空) 、对材料损伤大( 很多都不是无损检测) ， 不能实现在线监测。所以，我们期望能找到一种快速、准确、无损的表征s i g e 薄 膜的测量方法，对s i g e 薄膜的制备提供技术支持。 1 4 1l一砻嚣尘y譬w 重庆邮电大学硕士论文第三章椭圆偏振光谱技术 第三章椭圆偏振光谱技术 椭圆偏振测量是一种测定光与样品相互作用( 这包括反射、透射和散 射) 后，偏振状态变化的光谱技术。此方法是利用光的波动性，以偏振光 在两种介质的界面上的反射和折射公式以及光干涉公式为理论基础。其历 史至少可以追溯到百年以前，但是现在椭圆偏振光谱学( s p e c t r o s c o p i c e l l i p s o m e t r y 或s p e c t r o e l l i p s o m e t r y ) 具有独特性，则是从上世纪5 0 年代 开始，由于计算机技术的发展而逐渐发展起来的。所以椭圆偏振测量是一 门既古老又年轻的技术。 近几十年来，椭圆偏振光谱技术得到广泛的发展【1 0 20 2 。下面分别从 测量技术的分类、椭圆偏振测量的优势、椭圆偏振测量的应用以及数据分 析的特点等方面对这一领域做简单介绍。 3 1 椭圆偏振光谱学的发展 人们最早发现光的偏振性是在17 世纪中叶。l6 6 9 年，丹麦的b a r r o l i n u s 第一次发现方解石晶体能折射出两束光。l8 1 4 年，苏格兰的b r e w s t e r 发现 了著名的b r e w s t e r 反射定律，即当入射角等于b r e w s t e r 角时，从透明物体 表面发射的光是线偏振光。接下来的大量观察和研究表明，光在传播过程 中表现出来的偏振性是光最基本的性质。1 8 1 7 年y a n g 提出光是横波的假 设；18 2 3 年f r e s n e l 推导出光的反射与折射定律；18 6 5 年m a x w e l 建立了 光的电磁理论。从此，椭圆偏振光谱学的理论已基本完成。 1 9 0 1 年，d r u d 描述了目前己知的第一部以人眼作探测器的椭偏装置。 1 9 4 5 年，a r o t h e n 设计和描述了第一台椭圆偏振测量仪，并正式命名了“椭 偏术”一词。6 0 年代研制了马达驱动自动消光椭偏仪和利用电光效应的自 消光椭偏仪。l9 6 9 年，j a s p e r s o n 根据椭偏调制原理研制了自动椭偏仪， 同年c a h a n 和s p a n i e r 首次报道了自动旋转检偏器式的椭偏仪。7 0 年代椭 偏术向更高层次发展，表现在：( 1 ) 测定和研究更复杂的对象，如多层膜、 不均匀样品，多组元材料等；( 2 ) 缩短测量时间，对快速过程实行实时测量； ( 3 ) 从单波长测量向多波长的光谱测量发展。l9 7 5 年，美国贝尔实验室的 a s p n e s 利用光栅单色仪产生可变波长，测量了不同波长下固体材料的光 学特性，由此揭开了椭圆偏振光谱学( s e ) 测量的序幕。此后，r w s t o b i e 等研制出2 5 4 o h m 的红外自动椭偏光谱仪，使波长从紫外、可见区发展 到红外范围。经过技术的不断积累和准备，于9 0 年代初，可供实用的全 1 5 、 重庆邮电大学硕士论文第三章椭圆偏振光谱技术 自动光度型椭圆偏振光谱仪作为商品出现在世界科技市场上。目前，国外 的椭偏仪已商品化和小型化，自动化程度高，既可实现快速的在线测量， 也有光谱型的椭偏仪。这些椭偏仪的功能在扩大，精度也在提高。波长范 围己包括紫外、，可见和红外。其典型的产品有美国w o o l l a m 公司的 m 4 4 m 8 8 型多波长回转检偏器( r a e ) 型椭偏仪和变角度光谱椭偏仪 ( v a s e ) ( 也即是本论文采用的椭圆偏振光谱仪) ，法国j o b i n y v o n 公司的 u v i s e l 超快光谱椭偏仪，德国s e n t e c h 公司的s e 4 0 0 型和s e 5 0 0 型椭 偏仪。 国内的椭偏测量技术最早始于2 0 世纪7 0 年代，在著名物理学家黄昆 院士的建议下，由中山大学莫党教授等开展研究。7 0 年代中期，由莫党教 授等设计制造出我国第一二台椭偏仪t p 7 5 型，即h e n e 激光单波长消光式 椭偏仪；1 9 8 2 年莫党教授等又研制成t p p q 型旋转检偏器式波长扫描光度 法椭偏仪；1 9 8 7 年实现了h e n e 激光光源椭偏仪的自动化；1 9 8 9 年实现 了椭偏光谱仪的自动化；1 9 9 7 年研制了高精度自动椭偏光谱仪。西安交通 大学于1 9 8 7 年研制出了单波长的光度式自动椭偏仪。华南师范大学和重 庆大学于1 9 9 6 年初开始对消光式自动椭偏仪进行研究，并于1 9 9 7 年4 月 完成系统的安装和调试。因国内多家大学和科技单位也相继开展了椭偏光 谱仪器的研制和生产，目前己形成批量生产的有天津港东科技发展有限公 司的s g c 1 型手动椭圆偏振测厚仪和s g c 2 型自动椭圆偏振测厚仪，杭州 光仪厂的w j z 型手动椭偏仪，华南师