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应变硅能够提高电子和空穴的迁移率，有希望成为高性能金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFETs)的n型和p型沟道材料。以绝缘体上弛豫的SiGe外延层作为衬底，能够获得使电子和空穴迁移率得到提高的应变硅沟道n型和p型MOSFETs。此项技术整合了绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)和SiGe技术的优点。
在S0I衬底上生长的SiGe结构中，SiGe外延层的应变弛豫依赖于非晶氧化物埋层在高温热处理时表现的粘滞流动性。为了简化外延生长工艺流程，避免引入更多的位错和其它高温退化效应如Ge的偏析和表面粗糙化以及离位热处理引入的表面污染和氧化，本文采用在SOI衬底上连续外延生长Si缓冲层、SiGe层和Si帽层随后进行原位低温热处理的方法获得了应变Si/SiGe/Si-SOI异质结构。
利用在样品和探测器之间放置狭缝的高分辨X射线三轴衍射实验得到了应变Si/SiGe/Si-SOI异质结构(004)衍射倒易空间图谱，为了获得更高的分辨率，以三次反射Ge(220)分析晶体代替狭缝得到了Si层和SiGe层的(004)和(113)衍射倒易空间图谱。首次观察到具有双峰结构的Si层衍射峰，确定了Si层衍射双峰与Si层衍射结构的对应变关系。经测量，Si帽层发生了3.0×10-4的面内拉伸应变，SiGe层下面的Si层发生了6.0×10-5的面内拉伸应变。SiGe层下面的Si层在无应变状态下的晶格常数大于无应变体Si的晶格常数，表明SiGe层中的Ge原子发生向下扩散，扩散原子的平均浓度为0.84at.％。SiGe层中Ge原子的浓度为18.7at.％，弛豫度为4.7％。在SiGe层(004)衍射倒易空间图谱中，SiGe层衍射峰沿2θ/ω扫描方向的角度宽化大于沿ω扫描方向的角度宽化，说明组分或/和应变变化引起的晶面间距的变化是SiGe层的主要结构特征。提出Si/SiGe/Si多层异质结构的取向差模型，对Si层与SiGe层之间、SiGe层与SiGe层下面Si层之间的倾斜进行了解释。
建立了SOI衬底上Si/SiGe/Si异质结构失配应变的分配模型。运用此模型对本文样品进行计算得到Si帽层和SiGe层下面Si层的应变量均为2.6×10-3，SiGe层的应变量为4.9×10-3。然而，高分辨X射线三轴衍射的测量值却与理论预测值之间存在较大偏差：SiGe层下面Si层的应变量较理论预测值低二个数量级，Si帽层的应变量较理论预测值低一个数量级。这是由于SiGe层下面Si层的应变来自于SiGe层应变的向下传递，应变的传递效率受到了温度和位错相互作用的制约。在原位热处理过程中，SiGe层与Si帽层之间的应变传递效率高于SiGe层与SiGe层下面Si层的应变传递效率，导致Si帽层的应变量大于SiGe层下面Si层的应变量。Si帽层的最终应变量受SiGe层弛豫度和Si帽层厚度的限制。
在应变Si/SiGe/Si-SOI异质结构横截面高分辨电子显微像中观察到60°失配位错、堆垛层错以及局部区域的晶格畸变。堆垛层错位于SOI项层Si与Si缓冲层的界面处，堆垛层错周界的不全位错均为肖克莱型不全位错，Burgers矢量为1/6[112]。热应力造成SOI顶层Si与Si缓冲层界面附近原子堆垛次序的改变，进而导致堆垛层错的形成。SiGe层下界面处存在60°失配位错，说明SiGe层发生了应变弛豫。SiGe层的厚度小于由People模型计算的临界厚度，在外延生长过程中，SiGe层不会以形成失配位错的形式进行塑性应变弛豫。进入到热处理阶段后，SiGe层的应变弛豫由弹性应变弛豫转变为塑性应变弛豫，位错在SiGe层下面Si层中的运动使该层继续发生拉伸应变。
首次在应变Si/SiGe/Si-SOI异质结构中的SiGe层下界面附近观察到位错偶极子。构成位错偶极子的两根60°位错线分别存在于互相平行的(111)或(111)半原子面边缘，Burgers矢量刃型分量的符号相反。根据平行60°位错之间的相互作用力对位错偶极子稳定相对位置进行定量描述，部分位错偶极子稳定相对位置的测量值与理论预测值之间存在偏差，这归因于局部晶格存在应力集中。应变Si/SiGe/Si-SOI异质结构中，60°位错和位错偶极子不仅出现在SiGe层的下界面处，也分布在SiGe层下界面附近的外延层中。位错分布范围的平均宽度与扩散区宽度十分接近，说明互扩散引入的应力场对位错的运动及最终分布起到了重要的作用。界面上不同位置的互扩散系数不同，导致位错在SiGe下界面附近一定宽度范围内进行分布。提出两种位错偶极子的形成机制：一种机制是，热场的不均匀分布导致在SiGe层下界面处形成失配位错，失配位错在界面处或者在互扩散应力场和热应力场的作用下运动到SiGe层中或SiGe层下面的Si层中，具有相反符号Burgers矢量刃型分量的两平行近邻失配位错形成位错偶极子；另一种机制是，热应变在SiGe层下界面处的不均匀分布等因素，导致界面处不同位置的互扩散系数不同，造成在界面处或界面附近微小区域的成分偏析，在发生成分偏析的微小区域边缘产生失配位错，具有相反符号Burgers矢量刃型分量的两平行近邻失配位错形成位错偶极子。
首次利用同步辐射形貌术对应变Si/SiGe/Si-SOI异质结构中缺陷的类型及其空间分布进行研究。在同步辐射白光形貌像中，观察到样品表面划痕、60°位错和穿透位错、位错环以及局部晶格畸变，并对60°位错的Burgers矢量进行了判断。通过对同步辐射X射线双晶形貌像的分析，明确了衍射结构与衍射峰之间的对应关系和取向关系，获得了Si帽层、SiGe层、SiGe层下面的Si层和SOI体Si衬底的同步辐射X射线双晶形貌像。观察到由位错偶极子引起的十字交叉线状衬度和由弹性应变引起的凸起状衬度。在SiGe层下界面处，失配应变能主要以形成失配位错的形式进行释放；在SiGe层内部，失配应变能的释放向弹性应变的形式进行转化，同步辐射X射线双晶形貌像开始表现凸起状衬度；在SiGe层上界面附近，失配应变能的释放以表现为凸起状衬度的弹性应变为主。同步辐射X射线(004)衍射双晶摇摆曲线中Si层衍射峰的峰形表现非对称性，是晶面间距变化、晶体学取向差和晶格畸变的综合体现。
采用在Si缓冲层上直接生长固定组分的低温(500℃)SiGe层再生长常规(650℃)SiGe层的方法制备了具有低温SiGe层的SiGe异质结构(简称低温SiGe异质结构)。为了进一步提高SiGe层的应变弛豫度和充分发挥低温SiGe层的应变弛豫机制，对生长态低温SiGe异质结构在不同条件下进行离位热处理。经750℃5分钟热处理后，低温SiGe异质结构发生表面氧化。在氧化作用下，样品表面的Ge原子被推斥进入到剩余的SiGe层中，并发生从表面Ge富集区向SiGe层内部的扩散。剩余SiGe层晶格间距的变化是Ge原子扩散和应变弛豫的共同作用结果。经850℃30分钟热处理后，样品表面形成富Ge层。富Ge层的形成是氧化速率快于Ge原子扩散速率的产物。生长态和经热处理后的SiGe层表面形貌和演化与Ge/Si材料系自组装Ge量子点的形貌和演化相类似，这归因于Ge原子比Si原子具有更大的表面迁移率，因而可以将SiGe合金薄膜的表面不稳定性等同于“纯Ge”薄膜。本研究表明低温SiGe层在生长和热处理过程中发生不同程度的应变弛豫，由于位错的形成和伸展被限制在低温SiGe层的下界面附近，从而降低了SiGe层表面的穿透位错密度。