JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
工程学

חישוב תיאורטי ואימות ניסיוני להפחתת נקעים בשכבות גרמניום אפיטקסיאליות עם חללים סמי-גליליים על סיליקון

Published: July 17, 2020
doi:
10.3791/58897
, , ,
1Department of Materials Engineering,The University of Tokyo, 2Department of Electrical and Electronic Information Engineering,Toyohashi University of Technology, 3Department of Materials Science and Engineering,Massachusetts Institute of Technology

Summary

חישוב תיאורטי ואימות ניסיוני מוצעים להפחתת צפיפות פריקת השחלה (TD) בשכבות גרמניום אפיטקסיאליות עם חללים גליליים למחצה על סיליקון. מוצגים חישובים המבוססים על האינטראקציה של TDs ופני השטח באמצעות כוח תמונה, מדידות TD ותצפיות במיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת של TDs.

Abstract

הפחתת צפיפות פריקת השחלה (TDD) בגרמניום אפיטקסיאלי (Ge) על סיליקון (Si) הייתה אחד האתגרים החשובים ביותר למימוש מעגלים פוטוניים משולבים מונוליטית. המאמר הנוכחי מתאר שיטות חישוב תיאורטיות ואימות ניסיוני של מודל חדשני להפחתת TDD. שיטת החישוב התיאורטית מתארת את כיפוף נקעי השחלה (TDs) בהתבסס על אינטראקציה של TDs ומשטחי צמיחה לא מישוריים של צמיחה אפיטקסית סלקטיבית (SEG) במונחים של כוח תמונת נקע. החישוב מגלה כי נוכחות של חללים על מסכות SiO2 לעזור להפחית TDD. אימות ניסיוני מתואר על ידי גרמניום (Ge) SEG, באמצעות שיטת שיקוע אדים כימיים בוואקום גבוה במיוחד ותצפיות TD של Ge הגדל באמצעות תחריט ומיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת חתך (TEM). מומלץ מאוד כי הפחתת TDD תהיה בשל נוכחותם של חללים גליליים למחצה מעל מסכות SiO2 SEG וטמפרטורת הצמיחה. לצורך אימות ניסיוני, שכבות Ge אפיטקסיאליות עם חללים גליליים למחצה נוצרות כתוצאה של SEG של שכבות Ge והתלכדותן . ה-TDDs שהתקבלו בניסוי משחזרים את ה-TDDs המחושבים בהתבסס על המודל התיאורטי. תצפיות TEM בחתך רוחב מגלות כי הן הסיום והן היצירה של TDs מתרחשים בחללים גליליים למחצה. תצפיות TEM במבט תוכניתי חושפות התנהגות ייחודית של TDs ב-Ge עם חללים סמי-גליליים (כלומר, TDs מכופפים להיות מקבילים למסכות SEG ולמצע Si).

Introduction

Epitaxial Ge on Si משכה תחומי עניין משמעותיים כפלטפורמת התקנים פוטוניים פעילה מכיוון ש- Ge יכולה לזהות/לפלוט אור בתחום התקשורת האופטית (1.3-1.6 מיקרומטר) והיא תואמת לטכניקות עיבוד Si CMOS (מוליכים למחצה משלימים של תחמוצת מתכת). עם זאת, מכיוון שאי ההתאמה בסריג בין Ge ו- Si היא גדולה כמו 4.2%, נקעי השחלה (TDs) נוצרים בשכבות Ge epitaxial על Si בצפיפות של ~ 109/cm2. הביצועים של התקנים פוטוניים Ge מתדרדרים על ידי TDs מכיוון ש- TDs פועלים כמרכזי ייצור נשאים בפוטו-גלאים Ge (PDs) ומודולטורים (MODs), וכמרכזי רקומבינציה נשאים בדיודות לייזר (LD). בתורו, הם יגדילו את זרם הדליפה ההפוכה (דליפת J) ב- PDs ו- MODs 1,2,3, ואת זרם הסף (Jth) ב- LDs 4,5,6.

דווח על ניסיונות שונים להפחית את צפיפות TD (TDD) ב-Ge on Si (איור משלים 1). חישול תרמי מגרה תנועה של TDs המוביל להפחתת TDD, בדרך כלל ל 2 x 107/cm2. החיסרון הוא הערבוב האפשרי של Si ו-Ge ודיפוזיה החוצה של דופנטים ב-Ge כמו זרחן 7,8,9 (איור משלים 1a). שכבת החיץ המדורגת SiGe 10,11,12 מגדילה את העוביים הקריטיים ומדכאת את יצירת ה- TD מה שמוביל להפחתת TDD, בדרך כלל ל 2 x 10 6/cm2. החיסרון כאן הוא שהמאגר העבה מפחית את יעילות צימוד האור בין מכשירי Ge ומדריכי גל Si שמתחתיהם (איור משלים 1b). לכידת יחס גובה-רוחב (ART)13,14,15 היא שיטת גידול אפיטקסיאלי סלקטיבי (SEG) ומפחיתה TDs על ידי לכידת TDs בדפנות של תעלות SiO 2 עבות, בדרך כלל ל <1 x 10 6/cm 2. שיטת ART משתמשת במסכת SiO 2 עבה כדי להפחית TDD ב-Ge על פני מסכות SiO2, אשר ממוקמות הרבה מעל Si ויש להן את אותו החיסרון (איור משלים 1b,1c). צמיחת Ge על זרעי עמוד Si וחישול 16,17,18 דומים לשיטת ART, ומאפשרים לכידת TD על ידי יחס גובה-רוחב גבוה צמיחת Ge, ל- <1 x 10 5/cm2. אולם לחישול בטמפרטורה גבוהה עבור התלכדות Ge יש את אותם חסרונות באיור המשלים 1a-c (איור משלים 1d).

כדי להשיג צמיחה אפיטקסיאלית נמוכה של TDD Ge על Si שאינה משוחררת מהחסרונות של השיטות הנ”ל, הצענו הפחתת TDD הנגרמת על ידי התלכדות 19,20 בהתבסס על שתי התצפיות העיקריות הבאות שדווחו עד כה בצמיחת SEG Ge 7,15,21,22,23 1) TDs מכופפים להיות נורמליים למשטחי הגידול (נצפו במיקרוסקופ אלקטרונים בחתך רוחב (TEM)), ו-2) התלכדות של שכבות SEG Ge גורמת להיווצרות חללים סמי-גליליים מעל מסכות SiO2.

הנחנו שה-TDs מכופפים בגלל כוח התמונה ממשטח הצמיחה. במקרה של Ge on Si, כוח התמונה מייצר לחצים של 1.38 GPa ו-1.86 GPa עבור נקעי בורג ונקעי קצה במרחקים של 1 ננומטר מהמשטחים החופשיים, בהתאמה19. לחצי הגזירה המחושבים גדולים משמעותית מלחץ פיירלס של 0.5 GPa שדווח עבור נקעים של 60° ב-Ge24. החישוב חוזה הפחתת TDD בשכבות Ge SEG על בסיס כמותי ותואם היטב את צמיחת SEG Ge19. תצפיות TEM של TDs מתבצעות כדי להבין התנהגויות TD בצמיחת SEG Ge המוצגת ב- Si20. הפחתת TDD הנגרמת על ידי כוח תמונה חופשית מכל חישול תרמי או שכבות חיץ עבות, ולכן מתאימה יותר ליישום התקנים פוטוניים.

במאמר זה, אנו מתארים שיטות ספציפיות לחישוב תיאורטי ואימות ניסיוני המשמשים בשיטת הפחתת TDD המוצעת.

Protocol

1. הליך חישוב תיאורטי חישוב מסלולים של TDs. בחישוב, נניח שמסכות SEG דקות מספיק כדי להתעלם מאפקט ART על הפחתת TDD.לקבוע משטחי צמיחה ולבטא אותם על ידי משוואה/ות. לדוגמה, בטאו את התפתחות הזמן של חתך בצורת חתך עגול של שכבת SEG Ge עם פרמטר התפתחות הזמן n = i, גבהים של SEG Ge (h i) ורדיסי SEG Ge (ri…

Representative Results

חישוב תיאורטי איור 3 מראה מסלולים מחושבים של TD ב-6 סוגים של שכבות Ge מאוחדות: כאן אנו מגדירים את יחס הצמצם (APR)כחלון W/(חלון W +מסיכת W). איור 3a מראה מקור SEG בצורת עגול שהתלכד Ge של APR = 0.8. כ?…

Discussion

בעבודה הנוכחית, TDD של 4 x 107/cm2 הוצגו באופן ניסיוני. להפחתת TDD נוספת, ישנם בעיקר 2 שלבים קריטיים בפרוטוקול: הכנת מסכת SEG וצמיחת Ge אפיטקסיאלית.

המודל שלנו המוצג באיור 4 מצביע על כך שניתן להפחית TDD מתחת ל-107/cm2 ב-Ge מאוחד כאשר APR,חלון W/(חלו…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה כספית על ידי האגודה היפנית לקידום המדע (JSPS) KAKENHI (17J10044) ממשרד החינוך, התרבות, הספורט, המדע והטכנולוגיה (MEXT), יפן. תהליכי הייצור נתמכו על ידי “פלטפורמת ננוטכנולוגיה” (פרויקט מס ‘12024046), MEXT, יפן. המחברים רוצים להודות למר ק. ימאשיטה ולגב’ ס. היראטה, מאוניברסיטת טוקיו, על עזרתם בתצפיות TEM.

Materials

AFM SII NanoTechnology SPI-3800N
BHF DAIKIN BHF-63U
CAD design AUTODESK AutoCAD 2013 Software
CH3COOH Kanto-Kagaku Acetic Acid for Electronics
CVD Canon ANELVA I-2100 SRE
Developer ZEON ZED
Developer rinse ZEON ZMD
EB writer ADVANTEST F5112+VD01
Furnace Koyo Thermo System KTF-050N-PA
HF, 0.5 % Kanto-Kagaku 0.5 % HF
HF, 50 % Kanto-Kagaku 50 % HF
HNO3, 61 % Kanto-Kagaku HNO3 1.38 for Electronics
I2 Kanto-Kagaku Iodine 100g
Photoresist ZEON ZEP520A
Photoresist remover Tokyo Ohka Hakuri-104
Surfactant Tokyo Ohka OAP
TEM JEOL JEM-2010HC
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Giovane, L. M., Luan, H. C., Agarwal, A. M., Kimerling, L. C. Correlation between leakage current density and threading dislocation density in SiGe p-i-n diodes grown on relaxed graded buffer layers. Applied Physics Letters. 78 (4), 541-543 (2001).
  2. Wang, J., Lee, S. Ge-photodetectors for Si-based optoelectronic integration. Sensors. 11, 696-718 (2011).
  3. Ishikawa, Y., Saito, S. Ge-on-Si photonic devices for photonic-electronic integration on a Si platform. IEICE Electronics Express. 11 (24), 1-17 (2014).
  4. Cai, Y. . Materials science and design for germanium monolithic light source on silicon, Ph.D. dissertation. , (2009).
  5. Wada, K., Kimerling, L. C. . Photonics and Electronics with Germanium. , 294 (2015).
  6. Higashitarumizu, N., Ishikawa, Y. Enhanced direct-gap light emission from Si-capped n+-Ge epitaxial layers on Si after post-growth rapid cyclic annealing: Impact of non-radiative interface recombination toward Ge/Si double heterostructure lasers. Optics Express. 25 (18), 21286-21300 (2017).
  7. Luan, H. C., et al. High-quality Ge epilayers on Si with low threading-dislocation densities. Applied Physics. Letters. 75 (19), 2909-2911 (1999).
  8. Nayfeha, A., Chui, C. O., Saraswat, K. C. Effects of hydrogen annealing on heteroepitaxial-Ge layers on Si: Surface roughness and electrical quality. Applied Physics Letters. 85 (14), 2815-2817 (2004).
  9. Choi, D., Ge, Y., Harris, J. S., Cagnon, J., Stemmer, S. Low surface roughness and threading dislocation density Ge growth on Si (001). Journal of Crystal Growth. 310 (18), 4273-4279 (2008).
  10. Currie, M. T., Samavedam, S. B., Langdo, T. A., Leitz, C. W., Fitzgerald, E. A. Controlling threading dislocation densities in Ge on Si using graded SiGe layers and chemical-mechanical polishing. Applied Physics Letters. 72 (14), 1718-1720 (1998).
  11. Liu, J. L., Tong, S., Luo, Y. H., Wan, J., Wang, K. L. High-quality Ge films on Si substrates using Sb surfactant-mediated graded SiGe buffers. Applied Physics Letters. 79 (21), 3431-3433 (2001).
  12. Yoon, T. S., Liu, J., Noori, A. M., Goorsky, M. S., Xie, Y. H. Surface roughness and dislocation distribution in compositionally graded relaxed SiGe buffer layer with inserted-strained Si layers. Applied Physics Letters. 87 (1), 012014 (2005).
  13. Langdo, T. A., Leitz, C. W., Currie, M. T., Fitzgerald, E. A., Lochtefeld, A., Antoniadis, D. A. High quality Ge on Si by epitaxial necking. Applied Physics Letters. 76 (25), 3700-3702 (2000).
  14. Park, J. S., Bai, J., Curtin, M., Adekore, B., Carroll, M., Lochtefeld, A. Defect reduction of selective Ge epitaxy in trenches on Si(001) substrates using aspect ratio trapping. Applied Physics Letters. 90 (5), 052113 (2007).
  15. Fiorenza, J. G., et al. Aspect ratio trapping: A unique technology for integrating Ge and III-Vs with silicon CMOS. ECS Transactions. 33 (6), 963-976 (2010).
  16. Salvalaglio, M., et al. Engineered Coalescence by Annealing 3D Ge Microstructures into High-Quality Suspended Layers on Si. Applied Materials & Interfaces. 7 (34), 19219-19225 (2015).
  17. Bergamaschini, R., et al. Self-aligned Ge and SiGe three-dimensional epitaxy on dense Si pillar arrays. Surface Science Reports. 68 (3), 390-417 (2013).
  18. Isa, F., et al. Highly Mismatched, Dislocation-Free SiGe/Si Heterostructures. Advanced Materials. 28 (5), 884-888 (2016).
  19. Yako, M., Ishikawa, Y., Wada, K. Coalescence induced dislocation reduction in selectively grown lattice-mismatched heteroepitaxy: Theoretical prediction and experimental verification. Journal of Applied Physics. 123 (18), 185304 (2018).
  20. Yako, M., Ishikawa, Y., Abe, E., Wada, K. Defects and Their Reduction in Ge Selective Epitaxy and Coalescence Layer on Si With Semicylindrical Voids on SiO2 Masks. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 24 (6), 8201007 (2018).
  21. Park, J. S., Bai, J., Curtin, M., Carroll, M., Lochtefeld, A. Facet formation and lateral overgrowth of selective Ge epitaxy on SiO2-patterned Si(001) substrates. Journal of Vacuum Science & Technology B. 26 (1), 117-121 (2008).
  22. Bai, J., et al. Study of the defect elimination mechanisms in aspect ratio t.rapping Ge growth. Applied Physics Letters. 90 (10), 101902 (2007).
  23. Montalenti, F., et al. Dislocation-Free SiGe/Si Heterostructures. Crystals. 8 (6), 257 (2018).
  24. Zhang, H. L. Calculation of shuffle 60° dislocation width and Peierls barrier and stress for semiconductors silicon and germanium. European Physical Journal B. 81 (2), 179-183 (2011).
  25. Kim, M., Olubuyide, O. O., Yoon, J. U., Hoyt, J. L. Selective Epitaxial Growth of Ge-on-Si for Photodiode Applications. ECS Transactions. 16 (10), 837-847 (2008).
  26. Yako, M., Kawai, N. J., Mizuno, Y., Wada, K. The kinetics of Ge lateral overgrowth on SiO2. Proceedings of MRS Fall Meeting. , (2015).
  27. Kamino, T., Yaguchi, T., Hashimoto, T., Ohnishi, T., Umemura, K. A FIB Micro-Sampling Technique and a Site Specific TEM Specimen Preparation Method. Introduction to Focused Ion Beams. , (2005).
  28. Park, J. S., et al. Low-defect-density Ge epitaxy on Si(001) using aspect ratio trapping and epitaxial lateral overgrowth. Electrochemical and Solid-State Letters. 12 (4), H142-H144 (2009).
  29. Li, Q., Jiang, Y. B., Xu, H., Hersee, S., Han, S. M. Heteroepitaxy of high-quality Ge on Si by nanoscale Ge seeds grown through a thin layer of SiO2. Applied Physics Letters. 85 (11), 1928-1930 (2004).
  30. Halbwax, M., et al. Epitaxial growth of Ge on a thin SiO2 layer by ultrahigh vacuum chemical vapor deposition. Journal of Crystal Growth. 308 (1), 26-29 (2007).
  31. Leonhardt, D., Ghosh, S., Han, S. M. Origin and removal of stacking faults in Ge islands nucleated on Si within nanoscale openings in SiO2. Journal of Applied Physics. 10 (7), 073516 (2011).
  32. Takada, Y., Osaka, J., Ishikawa, Y., Wada, K. Effect of Mesa Shape on Threading Dislocation Density in Ge Epitaxial Layers on Si after Post-Growth Annealing. Japanese Journal of Applied Physics. 49 (4S), 04DG23 (2010).
  33. Ishikawa, Y., Wada, K. Germanium for silicon photonics. Thin Solid Films. 518 (6), S83-S87 (2010).
  34. Nagatomo, S., Ishikawa, Y., Hoshino, S. Near-infrared laser annealing of Ge layers epitaxially grown on Si for high-performance photonic devices. Journal of Vacuum Science & Technology B. 35 (5), 051206 (2017).
  35. Ayers, J. E., Schowalter, L. J., Ghandhi, S. K. Post-growth thermal annealing of GaAs on Si(001) grown by organometallic vapor phase epitaxy. Journal of Crystal Growth. 125 (1), 329-335 (1992).
  36. Wang, G., et al. A model of threading dislocation density in strain-relaxed Ge and GaAs epitaxial films on Si (100). Applied Physics Letters. 94 (10), 102115 (2009).
  37. Leonhardt, D., Ghosh, S., Han, S. M. Defects in Ge epitaxy in trench patterned SiO2 on Si and Ge substrates. Journal of Crystal Growth. 335 (1), 62-65 (2011).
  38. Sammak, A., Boer, W. B., Nanver, L. K. Ge-on-Si: Single-crystal selective epitaxial growth in a CVD reactor. ECS Transactions. 50 (9), 507-512 (2012).
  39. Ishikawa, Y., Wada, K., Cannon, D. D., Liu, J., Luan, H. C., Kimerling, L. C. Strain-induced band gap shrinkage in Ge grown on Si substrate. Applied Physics Letters. 82 (13), 2044-2046 (2003).
  40. Bolkhovityanov, Y. B., Gutakovskii, A. K., Deryabin, A. S., Sokolov, L. V. Edge Misfit Dislocations in GexSi1–x/Si(001) (x~1) Heterostructures: Role of Buffer GeySi1–y (y < x) Interlayer in Their Formation. Physics of the Solid State. 53 (9), 1791-1797 (2011).
  41. Bourret, A. How to control the self-organization of nanoparticles by bonded thin layers. Surface Science. 432 (1), 37-53 (1999).
  42. Hirth, J. P., Lothe, J. Grain boundaries. Theory of Dislocations, 2nd ed. 19, 697-750 (1982).
  43. Mizuno, Y., Yako, M., Luan, N. M., Wada, K. Strain tuning of Ge bandgap by selective epigrowth for electro-absorption modulators. Proceedings of SPIE Photonics West, San Francisco, CA, USA. 9367, 1-6 (2015).
  44. Nam, J. H., et al. Lateral overgrowth of germanium for monolithic integration of germanium-on-insulator on silicon. Journal of Crystal Growth. 416 (15), 21-27 (2015).
  45. Fitch, J. T. Selectivity Mechanisms in Low Pressure Selective Epitaxial Silicon Growth. Journal of The Electrochemical Society. 141 (4), 1046-1055 (1994).
  46. Ye, H., Yu, J. Germanium epitaxy on silicon. Science and Technology of Advanced Materials. 15 (2), 1-9 (2014).

Tags

Dislocation ReductionGermanium Epitaxial LayersSemicylindrical VoidsSiliconThreading Dislocation DensitySelective Epitaxial GrowthBoron-doped P-siliconSilicon DioxidePhotoresistBuffered Hydrofluoric AcidGermanium Growth

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Yako, M., Ishikawa, Y., Abe, E., Wada, K. Theoretical Calculation and Experimental Verification for Dislocation Reduction in Germanium Epitaxial Layers with Semicylindrical Voids on Silicon. J. Vis. Exp. (161), e58897, doi:10.3791/58897 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image