Oberflächenanalyse von Si/SiGe-Schichten

Diplomarbeit von Harald Sander

Zusammenfassung:

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Prozess entwickelt, der es erlaubt, die Versetzungsdichten in Si/SiGe Heterostrukturen zu bestimmen.

Dabei wurde im Besonderen Wert auf eine Einführung in die Untersuchungsmethoden der Oberflächenmorphologie von Nanostrukturen, mittels Atomkraft-, Rastertunnel-, und Polarisationsmikroskop, gelegt. Diese Arbeit soll für Interessierte einen erleichterten Einstieg in die Nanostrukturierung, der Methodik und der Terminologie diese Gebietes bringen, um im Anschluss ohne Probleme weiterführende Literatur studieren zu können.

Es wird auch speziell auf die Physik von Versetzungen in Festkörpern eingegangen und deren Arten der Sichtbarmachung, dabei werden auch die Grundprinzipien der Chemie von Ätzverfahren für Halbleiter besprochen.

Es wurden dabei zwei Verfahren zur Sichtbarmachung von Versetzungen untersucht. Im direkten Verfahren wurden die Proben, welche in der MBE-Anlage in Linz gewachsen wurden, direkt nach dem Wachstum unter das Atomkraftmikroskop gelegt. Dies sollte verhindern, dass sich störende Oxidschichten an der Oberfläche bilden und das Scannen der Oberfläche erschweren. Hierbei wurde auch der Einfluss eines Reinigungsschrittes, der aus H2SO4, HF und Methanol besteht, auf die Qualität der Scans untersucht. Es wurde versucht, direkt Versetzungsspiralen sichtbar zu machen. Dies erwies sich aus verschiedenen Gründen als eine sehr schwierige Aufgabe, und es gelang nur, laterale mono- und doppelatomare Stufen aufzulösen.

Als indirektes Verfahren wurde ein Versetzungsätzprozess auf der Basis von Cr(VI)O3 entwickelt. Diese Lösung ätzt selektiv die Probenoberfläche an den Stellen schneller an, an denen Fadenversetzungen die Oberfläche durchstoßen. Die Fadenversetzungsdichte kann hier mit Hilfe eines Polarisationsmikroskops bestimmt werden.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Zusammenfassung	1
2.	Einleitung	2
3.	Si/SiGe Materialsystem	4
3.1	Allgemeines	4
3.2	Bandstruktur	4
3.3	Effektive Masse	7
3.4	Beweglichkeiten	9
3.5	Si/SiGe Heterostrukturen	11
3.5.1	Modulationsdotierte Si/SiGe Heterostrukturen	11
3.5.2	Typ I und Typ II Übergänge	13
3.5.3	Virtuelles Substrat	14
3.5.4	Eindimensionale Gitterbaufehler	15
3.5.5	Kritische Schichtdicke	16
3.5.6	Constant Composition Buffer	16
3.5.7	Linear Gradient Buffer	18
3.5.8	Vorstrukturierte Substrate	18
3.5.9	Cross Hatch	19
4.	Atomkraftmikroskop	22
4.1	Allgemeines	22
4.2	Scanner	25
4.3	Kontaktfreie Messung (No Contact Mode, NC-AFM)	27
4.4	Kontaktmessung (Contact Mode, C-AFM)	28
4.5	Spitzen	29
5.	Polarisationsmikroskop	32
5.1	Allgemeines	32
5.2	Phasenkontrastverfahren	34
6.	Nachweisverfahren	37
6.1	Allgemeines	37
6.2	Indirekte Nachweisverfahren	38
6.2.1	Reaktionkinetische Grundlagen	38
6.2.2	Strukturdefektätzung	40
6.2.3	Anisotropie der Ätzgeschwindigkeit	41
6.2.4	Ätzlösungssystem	43
6.3	Direkte Nachweisverfahren	44
6.3.1	Geometrie von Versetzungen	44
6.3.2	Burgers Vektor und Burgers Umlauf	45
6.3.3	Bewegung von Versetzungen	48
6.3.4	Elastische Eigenschaften von Versetzungen	49
7.	Ergebnisse und Diskussion	54
7.1	Ansetzen der Ätzlösung	54
7.2	Bestimmung der Ätzgeschwindigkeit	54
7.3	Reinigung der Proben	57
7.4	Bestimmung der Störstellendichte mittels Ätzen	58
7.4.1	Si-Referenzprobe	58
7.4.2	Si/SiGe-Schichten	62
7.4.3	Dünne Schichten	67
7.4.4	Dreidimensionales Wachstum	68
7.5	Atomare Auflösung und Versetzungsspiralen	71
8.	Ausblick	76
9.	Literaturverzeichnis	77
10.	Danksagung	80
11.	Lebenslauf	81
12.	Anhang	82