The evolution of microstructure and texture of molecular beam deposited $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ films on $SiO_2$ at deposition temperature ranges of 350 ℃-700 ℃ have been studied with use of x-ray diffraction and transmission electron microscopy. At 400 ℃, the film was deposited as an amorphous phase and a crystalline phase, simultaneously, and the grains have a conversely conical structure. In the temperature ranges deposited a mixed-phase, as the temperature increases, the grain size increases and the texture is changed from a {110} texture to mixed {311} and {110} texture so that the grains not only grow up by deposition, but also laterally grow by the solid phase re-growth. At 500 ℃, the film was deposited as only a crystalline phase and the grains have a columnar structure with a strong {110} texture. In the temperature ranges deposited a crystalline phase, as the temperature increases, the grain size also increases. Moreover, the {311} and {111} texture develop at the expense of the {110} texture. The film deposited at 700 ℃ has a random texture and structure. The poly-$Si_{1-x}Ge_x$ films with Ge mole fraction between 0.1 to 0.5 deposited at 500 ℃. However, the Ge mole fraction have minor effects about texture and microstructure of films. In addition, the diamond hexagonal phase appeared in all as-deposited poly-$Si_{1-x}Ge_x$ films.
Crystal growth mechanism in a mixed-phase $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ film grown by molecular beam deposition on $SiO_2$ at 400 ℃ was studied with use of cross-sectional transmission electron microscopy. The grains in the film have a V appearance independent of the texture of the grains. However, the planes by which the amorphous/crystalline interface at the side wall of the grains are bounded, strongly the texture of the grains, that is, lying the {111} planes with respect to the substrate. In the ＜1100＞ oriented grain with one set of the {111} planes parallel to the normal direction of the substrate, the interfaces were bounded by {511} and {331} planes, in the ＜111＞ oriented grain with one set of the {111} planes parallel to the substrate, the interfaces were bounded by {100} and {331} planes, and in the ＜111＞ oriented grain with two sets of the {111} planes sloping about 35° with respect to the normal direction of the substrate, respectively, those {111} planes formed the interfaces at both side walls. Possible models that can be used to explain which those of bounding planes are formed in each oriented grain, are proposed by taking account of lying the {111} planes with respect to the substrate.
The $P^+$ polycrystalline $S_{1-x} Ge_x$ gate electrode MOS capacitors were fabricated on n-type Si. The flat and voltage decreased with increasing Ge mole fraction independent of the oxide thickness. The work function differences for $Si_{0.9} Ge_{0.1}$, $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ and $Si_{0.5} Ge_{0.5}$ were 0.670 eV, 0.535 eV, and 0.376 eV, respectively. Compared with the work function of Si, the work function of $Si_{1-x} Ge_x$ decreased more than 0.4 V as Ge mole fraction increased 0.5. Moreover, the energy bandgap behaivor of these poy-$Si_{1-x} Ge_x$ followed like that of coherently strained $Si_{1-x} Ge_x$ films. The existence of diamond hexagonal phases lead to these energy bandgap behavior.
The grain morpphology of the $Si_{0.7} Ge_{0.3}$ alloy depends on the number of the primary on-coplanar twin variant formed at early stage of solid phase crystallization. The grain with major twin bands of single twin variant parallel to a {111} plane develops elongated shape owing to the preferential growth in the ＜112＞ direction along twin. However, when the grain has major twin bands of two or more non-coplanar twin variants, the edge between non-coplanar twin bands develops as fast as the ＜112＞ direction along twin, so the grain become more or less equiaxed shape. We propose that such a edge is likely to form {111} ledge. During the crystallization, in addition to twins, the following defects were observed in the grain: intrinsic stacking faults, extrinsic stacking faults, perfect dislocations and Shockley partial dislocations. We have also investigated the complicated defects by reactions between stacking faults on {111} planes: 9R $Si_{0.7} Ge_{0.3}$ polytypes by the periodic glide of Shockley partial dislocations on one set of {111} planes and stair-rod dislocations by intersections between intrinsic stacking faults on two sets of {111} planes. Non-parallel multiple twins were mainly observed in the central region of the grain. Intersections and interactions between non-parallel multiple twins lead to the following defects: a small hexagonal inclusion by propagated of a second order twinning shear into its matrix and a fivefold symmetry twin boundary. These complicated defects hider the crystal growth.
The evolution of microstructure and Ge mole fraction of both as-deposited polycrystalline $Si_{0.7} Ge_{0.3}$ films and solid phase crystallized polycrystalline $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ films during oxidation at 900 ℃ for various lengths of time has been investigated using transmission electron microscopy and Auger electron spectroscopy. In solid phase crystallized polycrystalline $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ films, the Ge piled up behind the oxide from an early state of oxidation, so, the $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ films divided two regions. One is Ge enrich layer beneath oxide and the other is remaining $Si_{0.7} Ge_{0.3}$ layer beneath the Ge enrich layer. As further oxidation continued, the thickness of Ge rich layer gradually increased. Although the stacking faults which can relax strain between these two layers have formed in solid-phase crystallization, the misfit dislocations, which are pure $90^{o}$ edge dislocations, form when the thickness of the Ge enrich layer is over certain thickness. These dislocations climb because the Ge rich layer/remaining $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ layer interface moves. However, as the thickness of remaining SiGe layer gradually decreases, Ge gran boundary diffusion is important. So, Ge mole fraction of remaining SiGe layer is increased. This leads to expel these misfit dislocations toward grain boundary. Therefore, misfit dislocations vanish. Finally, the misfit dislocation completely disappeared and the film changed from polycrystalline $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ to $Si_{0.45}Ge_{0.55}$. However, in as-deposited polycrystalline $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ films, there is no the Ge enrich region. The Ge mole fraction increased through all film thickness, because the Ge can rapidly be diffused through the grain boundary.
분자선 증착법으로 $SiO_2$ 위에 증착한 다결정 $Si_{0.7}Ge_{0.3}$은 400℃에서부터 결정상이 형성되어 비정질상과 결정상이 혼재하는 박막이 증착되었다. 이런 결정상은 증착 초기에서부터 직접적으로 형성되고 결정립은 V 모양을 가지고 있었다. 혼합상 형성 온도 범위에서는 온도가 증가하면서 결정립이 증착에 의해 성장할 뿐만 아니라 고상 재성장에 의해 결정립 크기가 증가하고 배향성도 {110}에서 {311}과 {110}이 혼합된 배향을 보인다. 500℃에서는 결정상만 증착되었고 결정립은 주상 구조를 가지고 강한 {110} 배향을 나타내었다. 결정상만 성장하는 범위에서 증착온도가 증가하면서 결정립이 증가하고 {110} 배향이 줄어들면서 {311}과 {111} 배향도 늘어난다. 700℃에서는 무작위 배향과 구조를 가진 결정립들을 가지는 박막이 증착되었다. Ge 몰분율의 변화는 증착온도에 비해 박막의 결정성, 배향성 그리고 미세구조에 큰 영향을 미치고 있지는 않았다. 400℃에서 성장하는 결정립들은 결정립의 배향성에 관계없이 V 자 형태를 가지고 있었다. 그러나 V 모양 결정립의 양 옆 면은 배향에 따라 다른 면을 띠고 있었고 이는 {111} 면이 기판에 대해 어떤 방향으로 되어 있는가에 의존하고 있었다. ＜110＞ 배향 결정립은 하나의 {111} 면이 기판에 수직한 방향과 평행하고 계면들은 {511}과 {331} 면으로 이루어져 있고, ＜111＞ 배향 결정립은 하나의 {111} 면이 기판에 평행하게 놓여 있고 계면은 {100}과 {331} 면으로 이루어져 있었다. 그리고 ＜111＞ 배향은 두 쌍의 {111} 면이 기판과 수직한 방향과 35° 기울어져 있고 이 {111} 면들로 옆 면의 계면이 이루어져 있다. 각 배향의 결정립의 옆 계면이 형성되는 가능 기구를 {111} 면이 기판에 어떻게 놓여 있는 가를 고려하여 설명하였다. 또한 증착온도와 Ge 몰분율에 관계없이 다이아몬드 육방정 구조를 가지는 상도 존재하고 있었다. $P^+$ 도핑된 다결정 $Si_{1-x}Ge_x$을 게이트 전극으로 사용한 MOS capacitor를 제작하여 C-V 특성을 측정한 결과 산화막 두께에 관계없이 flat band 전압이 Ge 몰분율 증가에 따라 감소하였다. 일함수차를 구해본 결과 $Si_{0.9}Ge_{0.1}$인 경우 0.670 eV. $Si_{0.7}Ge_{0.3}$인 경우 0.535 eV 그리고 $Si_{0.5}Ge_{0.5}$인 경우 0.376 eV이었다. 이는 Ge 몰분율이 0.5 일 경우 실리콘에 비해 0.4 V 정도의 일함수가 감소하였다. 그리고 에너지 대의 변화를 보면 Ge 몰분율이 0.1일 때부터 응력이 걸린 박막에서 나타나는 거동을 보이고 있었다. 이는 증착된 다결정 $Si_{1-x}Ge_x$ 박막내에 육방정 상이 존재하여 다결정 박막에 응력이 걸리기 때문으로 보인다.
결정화에 따른 $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ 결정립의 형태는 서로 다른 {111} 면에 형성되는 주요 쌍정종류의 수에 의존하였다. 하나의 쌍정종만 있는 결정립은 쌍정을 따라 ＜112＞ 방향으로의 우선 성장 때문에 길게 늘어진 결정립이 되었다. 두 개 이상의 다른 면위 쌍정종들이 존재하면 이러한 쌍정종들 사이의 성장 표면이 {111} ledge를 형성하여 ＜112＞ 방향으로의 성장만큼 빨리 자라 나간다. 따라서 결정이 서로 다른 {111} 면에 존재하는 쌍정종들의 수가 늘어날수록 보다 등방향을 갖는 모양이 된다. 결정화되면서 존재하는 결함들은 쌍정, 고유성과 외유성 적층 결함과 Shockley 부분 전위들이 존재하였다. 9R가 같은 다형도 존재하였다. 그리고 여러 쌍정과 적층 결함들이 서로 만나거나 반응하여 stair-rod 전위와 작은 육각정 부분이 존재하였다. 또한 5 축 대칭 쌍정입계도 형성되었다.
증착된 다결정 $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ 박막과 고상결정화한 다결정 $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ 박막의 900℃에서 산화 시간에 따른 미세구조와 Ge 몰분율의 변화를 투과 전자 현미경과 AES를 이용하여 관찰하였다. 고상 결정화한 다결정 박막에서는 Ge이 산화 초기부터 산화막 아래 쌓이고 따라서 박막은 두 지역으로 나뉜다. 하나는 Ge이 많은 지역으로 산화막 아래 존재하고 다른 하나는 원래 존재하던 층으로 Ge이 많은 지역 아래 존재한다. 산화가 계속되면서 Ge이 많은 층의 두께는 점점 증가한다. 비록 결정화시에 형성된 적층결함들이 이러한 두 층 사이의 응력을 완화 시켜주지만 Ge이 많은 지역의 두께가 어느 두께 이상이 되면 불일치 전위로 90° 칼날 전위가 형성된다. 이러한 전위는 Ge이 풍부한 지역/ 원래 층의 계면의 이동에 따라 움직인다. 그러나 남아 있는 $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ 층의 두께가 점점 감소하면서 Ge의 결정 입계 확산이 주요해진다. 따라서 남아 있는 $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ 층의 Ge 몰분율도 증가한다. 이러한 변화는 형성된 불일치 전위를 결정 입계으로 밀려나게 한다. 그러므로 불일치 전위는 점점 없어지고 결국은 완전 사라지게 되고 박막도 다결정 $Si_{0.7}Ge_{0.3}$에서 $Si_{0.45}Ge_{0.55}$로 바뀐다. 그러나 증착한 다결정 $Si_{0.7}Ge_{0.3}$ 박막은 Ge이 많은 지역이 없다. Ge 몰분율은 전체 박막에 걸쳐서 증가하고 이는 Ge이 결정 입계를 통하여 빠른 확산을 하기 때문이다.
