Strain effects on thermal stability of SiGe/Si heterostructures were studied by theoretical and experimental method. All $Si_{1-x}Ge_{x}/Si$ heterostructures (0.2 ＞ x) in this study were deposited by reduced pressure chemical vapor deposition at 650℃, and various measurement methods, such as transmission electron microscopy, medium energy ion scattering spectroscopy, secondary ion mass spectroscopy, and high-resolution x-ray diffractometer, were used to characterize the strain effects on the thermal stability of the SiGe/Si heterostructures. As explained below, the main result in this study is related with the enhanced diffusion by strain effect, i.e., strain-induced diffusion. By high-resolution transmission electron microscopy measurement of interface migration in chapter 3, by medium energy ion scattering spectroscopy measurement of anisotropic diffusion of Ge in chapter 4, and by secondary ion mass spectroscopy measurement of post-annealing effect in oxidized SiGe layers in chapter 6, it was confirmed that strain-induced diffusion is a main strain relaxation mechanism in SiGe/Si heterostructures under thermal budget. As well as strain-induced diffusion, other strain relaxation mechanism, such as defect formation and free surface effect, was discussed in chapter 5, 7, and 8. Furthermore, a method for dry thermal oxidation of strained SiGe layer was proposed in chapter 6.
Firstly, a theoretical model of the strain effect on the diffusion in SiGe/Si heterostructures was proposed, and a strain-induced diffusivity was formulated by defining a strain potential gradient. This model proposed that the strain potential gradient is also an additional driving force for the diffusion in the structure, as well as concentration gradient, and thereby the apparent diffusion in this strained heterostructure is significantly enhanced by strain-induced diffusion. The contribution of the reduced strain energy to the diffusion in the structure was defined by a diffusion enhancement factor, and some equations for measuring the activation energy of the strain-induced diffusivity was deduced. A $Si_{0.83}Ge_{0.17}/Si$ heterostructure was applied to this model, and a high-resolution transmission electron microscopy was used to measure the activation energy of the strain-induced diffusivity. The measured activation energy was about 0.5 eV, and it was much lower that that of concentration gradient diffusivity (3.0 - 4.7 eV). This experimental result was very consistent with the theoretically expected result, and it is the first part of this study on the strain-induced diffusion.
The strain-induced diffusion was also investigated with a medium energy ion scattering spectroscopy in a $Si_{0.91}Ge_{0.09}/Si$ superlattice. From the energy spectra of Ge from SiGe/Si interfaces as-deposited and annealed in the range of 700 ~ 850℃, atomic scale diffusion of Ge and the corresponding strain profiles were clearly observed. From the viewpoint of concentration gradient, the uniform SiGe layer with two surrounding Si layers can be regarded as a diffusion couple with two identical interfaces, and the flux of Ge atoms toward both interfaces during thermal annealing is expected to be the same. However, even though the composition profiles of Ge in the SiGe/Si interfaces are identical, anisotropic diffusion was observed with anisotropic strain relaxation and the strain distribution in SiGe layer of the superlattice was asymmetric. Therefore, it can be concluded that the diffusion only by strain potential gradient is possible as well as by chemical potential gradient, and that the anisotropic diffusion of Ge is clearly correlated with the anisotropic strain relaxation depending on annealing temperatures. The results suggest that atomic scale strain control is critical to maintain abrupt SiGe/Si interfaces under thermal budget, and it was the second part of the this study on the strain-induced diffusion. Furthermore, the origin of asymmetric strain distribution was also investigated, and it was discussed in chapter 5.
To reduce pileup of Ge and strain relaxation by defect, a simple method for the dry thermal oxidation of SiGe layer was proposed. By oxidation of a graded $Si_{1-x}Ge_x layer$ (x = 0.65 at surface and x = 0.185 at interface), the effect of Ge pile up was significantly reduced. In general case of dry oxidation of strained SiGe layer, the extremely high Ge fraction in the pileup region can produce the defect to relax the strain energy. However, due to the low Ge fraction below the oxide layer by graded composition, the Ge fraction in the pileup region in this experiment was not severely higher than average Ge fraction in the graded SiGe layer, and thereby strain relaxation by defect formation did not occur. Therefore, this oxidation method of the graded SiGe layer proposes a defect-free oxidation, and the undesirable strain relaxation by defect formation is negligible. Strain-induced diffusion was also observed during post-annealing process of thermally oxidized SiGe layer.
To homogenize the Ge distribution in the oxidized SiGe layer, post-annealing process was performed. After the process, the Ge atoms in the pileup region diffused into the SiGe layer with very rapid diffusivity. Moreover, by low energy secondary ion mass spectroscopy measurement, it was clearly shown that the position of the maximum Ge concentration in the pileup region moves toward Si substrate. Due to the kinetic barrier of the Ge concentration gradient, the observed uphill diffusion cannot occur in a general diffusion with finite source, such as a dopant diffusion. The migration of the maximum position in the pileup region was consistently observed in all post-annealed samples, and it indicates that there should be an additional driving force for the uphill diffusion as well as concentration gradient. Therefore, these results mean that this uphill diffusion can reduce the total energy of the system by diffusive strain relaxation, and thereby the diffusion in the layer can be significantly enhanced by strain-induced diffusion. It is the third part of this study on the strain-induced diffusion.
During thermal process, the SiGe/Si heterostructure with strain energy has a chance for reducing the energy by overcoming the kinetic barrier for strain relaxation. There were two kinds of the strain relaxation mechanism, diffusive strain relaxation and defect formation. At low Ge fraction in this study, the main strain relaxation mechanism was the diffusive strain relaxation and the homogenization process by interdiffusion of Si and Ge was significantly enhanced by additional diffusion, strain-induced diffusion. In this study, the strain-induced diffusion was proposed by a theoretical model, and clearly proved by three different experiments. Furthermore, the strain effects on the defect formation were also explained, and an alternative method for dry thermal oxidation of SiGe layer was proposed.
SiGe/Si 이종접합구조에 대한 변형량 효과에 대한 본 연구는 이론과 실험이라는 양방향에서 진행되었다. 본 실험에 사용된 SiGe/Si 이종접합구조들은 모두 650℃에서 감압 화학기상증착법으로 제작되었으며, 투과전자현미경, 중 에너지 이온 산란 분광분석법, 이차 이온 산란 분광 분석법, 및 고분해능 x-선 회절법 등을 이용하여 SiGe/Si 이종접합구조의 열적 안정성에 미치는 변형량의 효과를 연구하였다. 밑에서 설명되듯이, 본 연구의 가장 중요한 결과는 변형량 효과에 의해 증진되는 확산, 즉 변형량 유발 확산에 대한 연구결과이다. 3장에서는 이종접합구조에서 변형량에 의해 유발되는 확산의 모델을 이론적으로 제시했을 뿐만 아니라, 고분해능 투과 전자현미경상으로 관찰된 계면 이동 현상을 바탕으로 변형량 유발 확산을 규명하였으며, 4장에서는 중 에너지 이온 산란 분광분석법으로 관찰된 SiGe/Si 초격자 구조에서 비등방 확산으로, 6장에서는 이차 이온 산란 분광분석법으로 산화된 SiGe 층의 후-열처리 효과를 관찰함으로서 변형량 유발 확산을 확증하였다. 이러한 변형량 유발 확산에 대한 연구 이외에도 SiGe/Si 이종접합 구조에 작용하는 다른 변형량 해소 기구, 즉 결함 생성과 자유 표면 효과에 대한 연구들도 수행되었으며, 이는 5, 7 및 8장에서 자세한 논의가 되어 있다. 또한, 기존에 SiGe 공정 중에서 가장 문제시 되어오던 열적 산화에 대한 새로운 산화방법을 6장에서 제시하였다.
우선, SiGe/Si 이종접합구조에서 변형량이 비치는 확산에 대한 이론적 모델을 제시하였으며, 변형량 포텐셜 구배를 정의함으로서 이에 따른 변형량 유발확산을 수식화하였다. 이 모델은 변형량 포텐셜 구배 역시 농도 구배와 함께 확산의 구동력으로 작용하며, 따라서 이러한 변형량이 걸린 이종접합구조에의 확산은 이러한 변형량 유발 확산에 의하여 매우 촉진됨을 제시하였다. 또한 이 모델에서, 변형량 유발 확산에 의해 촉진된 확산은 확산 증진 인자로서 정의되었으며, 이러한 변형량 유발확산의 여기 에너지를 구하기 위한 몇 개의 방정식이 제시되었다. 이 모델은 $Si_{0.83}Ge_{0.17}/Si$ 이종접합구조에 적용되었으며, 고분해능 투과 전자현미경상을 이용한 분석을 통하여 변형량 유발 확산의 여기 에너지가 측정되었다. 측정된 값은 0.5 eV로 이는 변형량 효과가 없을 때의 값인 3 ~ 4.7 eV에 비하여 현저히 낮은 값이었다. 이러한 실험 결과는 이론적으로 제시되었던 결과와 매우 잘 일치하였으며, 이는 변형량 유발 확산과 관련된 본 연구에서 첫번째 부분을 차지한다.
이러한 변형량 유발 확산은 $Si_{0.91}Ge_{0.09}/Si$ 초격자 구조에 대한 중 에너지 이온 산란 분광분석법에 의해서도 확인되었다. SiGe/Si 초격자 구조에서 측정된 에너지 스펙트럼 분석 결과, Ge 원자의 비등방 확산이 관찰되었다. 농도구배의 관점에서 보면, 균일한 Ge 분포를 가지며 양쪽이 모두 Si 층에 쌓여있는 SiGe 층은 양쪽으로 균일한 확산 행태를 보여야 하지만, 본 실험에서는 저에너지 이차 이온 산란 분광분석법으로 확인된 군일한 SiGe 박막에서 비등방 확산이 일어났음이 중에너지 이온산란 분광분석법으로 명백하게 관찰되었다. 이러한 비등방 확산외에도 비등방 변형량 해소 현상이 관찰되었는데, 이러한 두 종류의 비등방성은 서로 밀접한 관련을 가짐이 확인되었다. 이는 균일한 Ge 분포를 가지는 SiGe 층 내에 불균일한 변형량 분포가 존재하기 때문이며, 이러한 불균일한 변형량 분포를 해소하기 위하여 변형량 유발 확산이 높은 초기 변형량을 가지는 영역에서 우선적으로 발생하였으며, 따라서 본 실험에서는 이러한 우선적 확산이 비등방 변형량 유발 확산으로 확인되었다. 이는 3장에서 이론적으로 제시된 변형량 유발 확산을 실험적으로 확인한 두번째 결과이다. 또한, 초기에 존재하는 불균일한 변형량 분포의 원인을 5장에서 제시하였으며, 이는 자유 표면의 효과에 기인한다는 사실을 중 에너지 이온산란 분광분석법으로 규명하였다.
또한, SiGe 층의 열적 산화 시 발생하는 가장 큰 문제점인 Ge의 pileup과 결함 생성에 의한 변형량 해소를 낮추기 위한 간단한 방법이 6장에서 제안되었다. SiGe 층에서 Ge의 농도 구배를 표면쪽이 낮고 계면쪽이 높게 증착하여 농도 구배를 지닌 SiGe 층을 산화시킴으로서, 열적 산화시에 박막에서 산화막 아래로 pileup되는 Ge의 양을 줄이고, 또한 후속-열처리 과정을 거치게 하여 박막의 조성을 균일화 하는 시도를 하였다. 이 결과 Ge의 pileup 효과를 상당히 낮출 수 있었다. 또한 일반적으로 고온 산화시 발생하는 결함 생성에 의한 변형량 해소도 pileup 효과의 감소와 함께 막을 수 있었다. 따라서, 이러한 농도 구배를 지닌 SiGe 박막을 산화시킴으로서 결함 생성이 없이 pileup 효과를 낮추며, 변형량이 걸린 SiGe 층의 건식 열적 산화 방법을 구현하였다.
위와 같은 방법으로 산화시킨 SiGe 층의 조성을 균일화시키는 과정에서 3장에서 제시한 모델인 변형량 유발 확산이 또 다시 이차 이온 산란 분광분석법에 의하여 관찰되었다. 후속 열처리를 후, 조성의 깊이 분포를 이차 이온 산란 분광분석법으로 측정한 결과, 산화에 의해 산화층 아래에 pileup되어 있던 Ge 원자들이 빠른 확산 속도로 기판방향으로 확산하면서 박막을 균일화하는 것이 확인되었다. 그런데, 이러한 균일화가 진행하는 과정에서 농도 구배에 역행하는 확산이 관찰되었는데, 이는 농도 구배 이외에 다른 구동력이 확산에 깊이 작용하고 있음을 의미한다. 이러한 농도 구배에 역행하는 확산의 원인은 앞에서 밝힌 바와 같이 변형량 유발 확산에 의한 것이며, 이는 본 연구에서 일관되게 관찰되어진 변형량 유발 확산을 다시 한번 확증 하는 결과였다.
격자 불일치에 의해 박막에 걸리는 변형량에 의한 탄성 에너지는 고온에서 진행되는 공정을 거치면서 확산 또는 결함 생성을 통하여 그 에너지를 낮추려는 시도를 하게 된다. 이 실험에서 적용된 낮은 Ge 농도를 가지는 SiGe/Si 이종 접합 구조에서는 그러한 탄성 에너지 해소의 가장 주된 기구가 변형량 유발 확산이었으며, 이와 관련된 성질들은 이론적 모델 제시 뿐만 아니라 서로 다른 세가지 종류의 실험 결과로서 일관되게 관찰되었다. 이와 함께 SiGe 이종 접합구조의 열적 안정성과 관련된 또 다른 기구인 결함과 관련된 연구 결과도 7장과 8장에 서술되었으며, 이러한 연구 결과들로부터 SiGe/Si 이종접합구조의 열적 안정성에 중대한 영향을 미치는 변형량 효과에 대한 본 연구에서 이론적인 모델 뿐만 아니라 다양한 방식으로 고안된 실험적 규명이 일관되게 진행되어왔음을 밝힌다.
