通过微拉曼光谱技术研究了(110)取向SiGe薄膜中由表面金字塔结构引起的应变松弛现象

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Surface-pyramid-induced strain relaxation in (110)-oriented SiGe thin films revealed by Micro-Raman spectroscopy

SiGe薄膜在(110)衬底上的生长温度调控影响表面金字塔形结构形成，导致应变松弛机制差异，通过微拉曼光谱和二维应变分布可视化证实粗糙表面显著增强局部应变松弛，为3D CMOS器件应变工程提供新思路。

　　

伊藤勇人（Yuta Ito）|宇田幸二（Koji Usuda）|稻波圭（Kiu Inami）|熊谷直人（Naoto Kumagai）|入泽敏文（Toshifumi Irisawa）|小仓淳（Atsushi Ogura）

摘要

利用高分辨率微拉曼光谱系统研究了金字塔形表面重构对生长在（110）取向Si衬底上的SiGe薄膜应变松弛行为的影响。通过超高真空化学气相沉积（UHV-CVD）在不同生长温度下外延生长了（110）取向的Si_1-xGe_x（x = 0.235）薄膜，以探讨表面形态对应变的影响。原子力显微镜（AFM）观察发现，高温生长的样品形成了类似金字塔的表面结构，而低温生长的样品则获得了原子级平坦的表面。微拉曼光谱显示，对于粗糙表面，SiGe层的Si-Si振动模式向较低波数偏移，表明应变松弛增强。此外，拉曼映射能够获得亚微米空间分辨率的二维应变分布，从而直接可视化与表面金字塔引起的应变松弛相关的不均匀拉曼位移分布。这些结果表明，表面金字塔结构的形成显著促进了局部应变松弛。本研究的发现表明，表面形态强烈调控了（110）取向SiGe薄膜中的应变松弛和应变均匀性，为设计需要复杂应变工程的高级三维CMOS器件提供了重要见解。

引言

近年来，互补金属氧化物半导体（CMOS）器件的微型化已接近物理和技术极限，使得传统的平面架构越来越难以维持足够的静电通道控制并抑制短通道效应[1]。为了克服这些挑战，三维器件架构（如Fin场效应晶体管（-FETs）和全环绕栅极（GAA）FETs）已成为主流，这些器件需要具有高晶体质量和高载流子迁移率的通道材料以实现实际应用。在各种候选材料中，SiGe/Si异质结构作为先进和下一代晶体管（包括GAA-FETs、Forksheet FETs和互补FETs（C-FETs）的通道制造关键组件而受到广泛关注[2]。SiGe合金形成连续固溶体[3]，可以通过在Si、Ge或不同组成的SiGe层上进行异质外延生长来精确控制晶格失配。这种成分和应变的可调性为能带结构工程提供了灵活的平台。因此，SiGe/Si异质结构长期以来一直被研究用于有效提升p型晶体管性能，因为它们具有高空穴迁移率以及更高的应变诱导迁移率增强和可调的能带结构，对推进CMOS技术做出了显著贡献[[4],[5],[6]]。

在传统的（100）Si平台上，空穴迁移率本质上低于电子迁移率，这是实现器件对称性的一个根本瓶颈。为了解决这个问题，最近在（110）取向Si衬底上的异质外延生长引起了越来越多的兴趣。（110）取向的晶体对称性降低减轻了价带简并，使得空穴迁移率相对于（100）取向有了显著提高[7]。此外，（110）取向的SiGe/Si异质结构在?1-10?和?001?方向上表现出明显的面内应变各向异性，这对于精确控制载流子传输非常有利[[8],[9],[10],[11]]。因此，基于（110）取向平台的同步扩展和性能平衡的CMOS器件非常受到期待。然而，（110）表面由于其较低的晶体对称性和强的弹性各向异性，引入了额外的挑战，使得应变工程比在（100）表面上要复杂得多[12,13]。在GAA-FETs中使用的纳米片通道中，通道区域内的应变均匀性是控制载流子传输和阈值电压稳定性的关键参数。当外延SiGe层的厚度超过临界厚度时，应变会通过形成错配位错、穿透位错和表面粗糙化而容易松弛[14]。此外，位错、表面台阶和粗糙的表面形态会促进局部应变松弛，导致高度不均匀的应变分布。这些效应在（110）表面上尤为严重。

先前的研究表明，在（100）取向Si衬底上生长的SiGe层通常表现出由应变诱导的表面粗糙化和表面自由能最小化驱动的金字塔形或岛状表面形态[[15],[16],[17],[18],[19]]。这些结构通常在生长早期或生长后的热退火过程中形成，与局部的应变和成分变化密切相关。据报道，薄膜厚度和应变的波动也会影响底层Si衬底的应变状态[15]。相比之下，尽管（110）取向SiGe薄膜的技术相关性日益增加，但其应变松弛行为尚未得到系统研究。由于（110）平面与（100）表面在原子配置和弹性各向异性上有根本差异，预计（110）平面将表现出不同的临界厚度行为和对应变松弛及表面粗糙化的更高敏感性。在GAA-FET和C-FET架构中，通过图案化和蚀刻Si/SiGe超晶格来制造Si纳米片，然后选择性地去除SiGe层。这种选择性蚀刻过程利用了SiGe在特定蚀刻剂中比Si更高的蚀刻速率[[20],[21],[22],[23],[24]]。由于外延SiGe层的应变状态会影响键能，因此它可以直接影响蚀刻过程的选择性和均匀性[24]。因此，表面粗糙度不仅控制应变松弛，还可能引起纳米片厚度的波动，从而导致晶圆上器件性能的不均匀性。

在本研究中，我们系统研究了在（110）取向Si衬底上生长的Si_0.765Ge_0.235薄膜的应变松弛行为，并有意控制了表面粗糙度。通过调整超高真空化学气相沉积（UHV-CVD）过程中的生长温度来调节表面形态。利用微拉曼光谱，我们直接比较了平坦表面和粗糙表面，以阐明表面形态对（110）取向SiGe薄膜中应变均匀性和松弛机制的影响，并以高空间分辨率可视化和量化了局部应变分布。这些结果为优化未来的（110）取向GAA-FET技术中的异质外延生长和应变工程提供了重要见解。

章节片段

在（110）取向Si衬底上生长SiGe薄膜

图1展示了在（110）取向Si衬底上生长SiGe薄膜的制备流程。使用UHV-CVD在（110）取向Si衬底上外延生长了Si_1-xGe_x（x = 0.235）薄膜。生长前，将Si衬底浸入稀释的氢氟酸（HF）溶液中以去除天然氧化层。然后在真空中以900°C预退火，以促进残留污染物的脱附并改善表面有序性。对于具有平坦表面的样品，

（110）取向SiGe薄膜的拉曼光谱

图3(a)和(b)显示了用可见光激光（λ = 532 nm）激发的代表性样品的拉曼光谱：一个厚度为108-151 nm的粗糙表面SiGe薄膜和一个厚度为167 nm的平坦表面SiGe薄膜。拉曼测量是在Z(XX)-Z背散射配置下进行的，其中X、Y和Z分别对应<1-10>、<001>和<110>晶体学方向。这种配置确保测量的拉曼位移主要反映了沿这些方向的应变分量

结论

在本研究中，我们系统研究了在（110）取向Si衬底上外延生长的Si_0.765Ge_0.235薄膜的应变松弛行为，特别关注其与表面形态的相关性。通过控制生长温度并引入Si缓冲层，我们成功制备了具有平坦表面和类似金字塔表面形态的薄膜。利用微拉曼光谱和拉曼映射来评估

CRediT作者贡献声明

伊藤勇人（Yuta Ito）：撰写——原始草案、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。宇田幸二（Koji Usuda）：资源提供、概念构思。稻波圭（Kiu Inami）：资源提供。熊谷直人（Naoto Kumagai）：资源提供。入泽敏文（Toshifumi Irisawa）：资源提供。小仓淳（Atsushi Ogura）：撰写——审阅与编辑、监督。

资金来源

本工作的部分成果基于“后5G信息与通信系统增强基础设施研究与发展项目”（JPNP20017）的研究结果，该项目由领先半导体技术中心（LSTC）执行，受新能源与工业技术发展组织（NEDO）委托。样品制备是在日本AIST的卓越现代器件共同制造线（COLOMODE）中完成的。这项工作还得到了部分支持

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。