Charakterisierung des Relaxationsverhaltens von Si 1-x Ge x /Si(001) Schichten mittels Röntgentopographie

Die Herstellung von verspannten Schichten mittels Heteroepitaxie gewinnt in der aktuellen Festkörperphysik zunehmend an Bedeutung, insbesondere wenn es gelingt, Schichten mit unterschiedlichen Gitterparametern in hoher kristalliner Perfektion, wie sie für die Herstellung elektronischer Bauelemente notwendig ist, aufeinander abzuscheiden. Der Einsatz verspannter Schichtsysteme erlaubt es, bestimmte Materialeigenschaften, wie die Ladungsträgerbeweglichkeiten und den Bandabstand, gezielt zu beeinflussen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die frühe Phase der Relaxation von dünnen verspannten metastabilen Silizium-Germanium-Mischkristallschichten auf (001)-Siliziumsubstrat untersucht. Derartige metastabile Schichten bilden bei Temperaturbehandlung sogenannte Fehlanpassungsversetzungen aus. Die Ausbildung dieser Versetzungen in makroskopischer Ausdehnung in nahezu perfekt kristallinen Materialien setzt einen Nukleationsvorgang und die Ausbreitung durch Gleiten bzw. Klettern voraus. Diese Vorgänge wurden am o.g. Materialsystem systematisch untersucht. Die Untersuchung außerordentlich geringer Versetzungsdichten erfolgte mittels in-situ und ex-situ Röntgentopographie sowie ergänzender Messungen mittels hochauflösender Röntgendiffraktometrie. Die Plane-view-Transmissionselektronenmikroskopie sowie Atomkraftmikroskopie ergänzten die Experimente auf der damit möglichen Längenskala insbesondere für die Beurteilung des Verhaltens von sich kreuzenden Versetzungen. Es wurden Versetzungsgleitgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von verschiedenen Fremdstoffkonzentrationen und Epitaxieverfahren gemessen. Ein signifikante Einfluß dieser Verfahren auf die Gleitgeschwindigkeit konnte nicht nachgewiesen werden, jedoch veringert der Sauerstoffgehalt einiger Proben die Versetzungsgleitgeschwindigkeit. Eine Kohlenstoffdotierung von 0,1% führt bei Einbau auf Gitterplätzen zu keinem messbaren Einfluß auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Fehlanpassungsversetzungen. Der Prozess der Nukleation von Versetzungen wurde durch die heterogene Nukleation an Einzeldefekten, deren Vorhandensein stark vom Epitaxieverfahren abhängt, dominiert. Dies wurde an einer Vielzahl von Proben verifiziert. Die Aktivität der einzelnen Nukleationszentren ist sehr unterschiedlich und lässt sich nur durch ein "Spektrum" von Nukleationszentren unterschiedlicher "Stärke" erklären. Starke Nukleationszentren können bis ca 100 Versetzungen, die zusammen Versetzungsbündel bilden, induzieren. Die Nukleationszentren werden sequentiell aktiviert. Es wurde gezeigt, dass Laserbeschuss schwache Zentren "aktiviert" und eine damit eine sehr gleichmäßige Relaxation von Schichten möglich wird. Durch in-situ-Beobachtungen konnte erstmals röntgentopografisch der Prozess des Versetzungsblockierens und des Quergleitens an sich kreuzenden Versetzungsbündeln über einen großen Skalenbereich verfolgt werden.Es konnte gezeigt werden, dass die Zweikristall-Röntgentopografie ein geeignetes Verfahren zur Untersuchung großer teilrelaxierter Proben mit extrem geringem Relaxationsgrad darstellt.The deposition of metastable layers by means of heteroepitaxy is gaining more and more in importance in current solid state physics, especially if it is possible to deposit layers with rather different lattice parameters in perfect quality, necessary for the fabrication of electronic devices and semiconductor technology. The use of such layer systems enables to controlling specific material properties, for example the mobility of charge carriers and the energy gap. Within the framework of this work the early stages of the relaxation of very thin strained silicon-germanium layers deposited onto (001)silicon substrates were investigated. Such metastable layers create so-called misfit dislocations at annealing. The formation of dislocations in nearly perfect materials as silicon in macroscopic extension presumes a nucleation process and the propagation by means of gliding and/or climbing of the threading segments. These processes were investigated systematically at silicon-germanium-films on silicon substrates as a modelsystem. Very low densities of dislocations were investigated by in-situ and ex-situ X-ray topography as well as high resolution X-ray diffractometry. Plane-view transmission electron microscopy and atomic force microscopy complemented the experiments in order to study the behavior at the dislocation crossings at smaller length scale. Dislocation glide rates were measured at different concentrations of impurities (e.g. carbon) in the sample and for different growth techniques. There was no significant influence of the epitaxial method on the glide velocities but a very low amount of oxygen decreases the the velocity effectively. A low density of carbon (0,1%) wich occcupy silicon or germanium lattice sites had no significant influence on the propagation of dislocations. The process of nucleation is dominated by heterogeneous nucleation as was verified at a large number of samples and varies in detail for different epitaxial depostion methods. The activity of single nucleation centers is rather different and can interpreted with a "spectrum" of centers of different strength. A strong center can induce as many as 100 dislocations. These dislocations form bunches of dislocations as was observed with X-ray topography. The centers are sequentially activated. This was demonstrated at samples where a pretreatment with an excimer laser "activated" weak centers thereby inducing a comparatively homogeneous distribution of dislocations. By means of in-situ synchrotron radiation experiments the prozesses of propagation, blocking and crossslip could be observed for the first time in large areas of samples. The double crystal X-ray topography is a suitable method to observe these processes in comparatively large samples with a very low degree of relaxation