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Engineering

Theoretische Berechnung und experimenteller Nachweis zur Versetzungsreduktion in Germanium-Epitaxieschichten mit semizylindrischen Hohlräumen auf Silizium

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

Theoretische Berechnungen und experimentelle Nachweise werden für eine Verringerung der Dichte der Gewindeversetzungen (TD) in Germanium-Epitaxieschichten mit semizylindrischen Hohlräumen auf Silizium vorgeschlagen. Es werden Berechnungen vorgestellt, die auf der Wechselwirkung von TDs und Oberfläche über Bildkraft, TD-Messungen und transmissionselektronenmikroskopische Beobachtungen von TDs basieren.

Abstract

Die Reduzierung der Gewindeversetzungsdichte (TDD) in epitaktischem Germanium (Ge) auf Silizium (Si) war eine der wichtigsten Herausforderungen für die Realisierung monolithisch integrierter photonischer Schaltkreise. Die vorliegende Arbeit beschreibt Methoden der theoretischen Berechnung und experimentellen Verifikation eines neuartigen Modells zur Reduktion von TDD. Die Methode der theoretischen Berechnung beschreibt die Biegung von Gewindeversetzungen (TDs) basierend auf der Wechselwirkung von TDs und nicht-planaren Wachstumsflächen des selektiven epitaktischen Wachstums (SEG) in Bezug auf die Versetzungsbildkraft. Die Berechnung zeigt, dass das Vorhandensein von Hohlräumen auf SiO2 -Masken dazu beiträgt, TDD zu reduzieren. Die experimentelle Verifizierung wird durch Germanium (Ge) SEG unter Verwendung einer chemischen Ultrahochvakuum-Gasphasenabscheidungsmethode und TD-Beobachtungen des gezüchteten Ge mittels Ätzen und Querschnittstransmissionselektronenmikroskop (TEM) beschrieben. Es wird stark vermutet, dass die TDD-Reduktion auf das Vorhandensein von halbzylindrischen Hohlräumen über den SiO2-SEG-Masken und der Wachstumstemperatur zurückzuführen ist. Zur experimentellen Überprüfung werden epitaktische Ge-Schichten mit halbzylindrischen Hohlräumen als Ergebnis von SEG von Ge-Schichten und deren Koaleszenz gebildet. Die experimentell erhaltenen TDDs reproduzieren die berechneten TDDs auf der Grundlage des theoretischen Modells. TEM-Beobachtungen im Querschnitt zeigen, dass sowohl die Terminierung als auch die Erzeugung von TDs in semizylindrischen Hohlräumen auftreten. Draufsicht-TEM-Beobachtungen zeigen ein einzigartiges Verhalten von TDs in Ge mit halbzylindrischen Hohlräumen (d.h. TDs sind so gebogen, dass sie parallel zu den SEG-Masken und dem Si-Substrat sind).

Introduction

Epitaktisches Ge on Si hat als aktive photonische Bauelementplattform großes Interesse geweckt, da Ge Licht im optischen Kommunikationsbereich (1,3-1,6 μm) detektieren/emittieren kann und mit Si-CMOS-Verarbeitungstechniken (komplementärer Metalloxid-Halbleiter) kompatibel ist. Da die Gitterfehlanpassung zwischen Ge und Si jedoch bis zu 4,2% beträgt, bilden sich in Ge-Epitaxieschichten auf Si Gewindeversetzungen (TDs) mit einer Dichte von ~109/cm2. Die Leistung von photonischen Ge-Bauelementen wird durch TDs verschlechtert, da TDs als Trägererzeugungszentren in Ge-Photodetektoren (PDs) und Modulatoren (MODs) und als Ladungsträger-Rekombinationszentren in Laserdioden (LDs) fungieren. Im Gegenzug würden sie den Sperrleckstrom (J-Leck) in PDs und MODs 1,2,3 und den Schwellenstrom (Jth) in LDs 4,5,6 erhöhen.

Es wurde über verschiedene Versuche berichtet, die TD-Dichte (TDD) in Ge on Si zu reduzieren (ergänzende Abbildung 1). Das thermische Glühen stimuliert die Bewegung von TDs, was zu einer Reduzierung der TDD führt, typischerweise auf 2 x 107/cm2. Der Nachteil ist die mögliche Vermischung von Si und Ge und die Ausdiffusion von Dotierstoffen in Ge wie Phosphor 7,8,9 (Ergänzende Abbildung 1a). Die SiGe-abgestufte Pufferschicht 10,11,12 erhöht die kritischen Dicken und unterdrückt die Erzeugung von TDs, was zu einer Reduzierung der TDD führt, typischerweise auf 2 x 10 6/cm2. Der Nachteil hierbei ist, dass der dicke Puffer die Lichtkopplungseffizienz zwischen Ge-Bauelementen und darunter liegenden Si-Wellenleitern verringert (ergänzende Abbildung 1b). Aspect Ratio Trapping (ART)13,14,15 ist eine Methode des selektiven epitaktischen Wachstums (SEG) und reduziert TDs durch Einfangen von TDs an den Seitenwänden dickerSiO2-Gräben, typischerweise auf <1 x 10 6/cm2. Die ART-Methode verwendet eine dicke SiO2-Maske, um TDD in Ge gegenüber denSiO2-Masken zu reduzieren, die weit über Si liegen und den gleichen Nachteil aufweisen (ergänzende Abbildung 1b,1c). Das Ge-Wachstum auf Si-Säulensamen und das Glühenvon 16,17,18 ähneln der ART-Methode und ermöglichen das TD-Einfangen durch das hohe Aspektverhältnis Ge-Wachstum auf <1 x 10 5/cm2. Das Hochtemperaturglühen für die Ge-Koaleszenz hat jedoch die gleichen Nachteile in der ergänzenden Abbildung 1a-c (ergänzende Abbildung 1d).

Um ein epitaktisches Wachstum mit niedrigem TDD-Ge auf Si zu erreichen, das frei von den Nachteilen der oben genannten Methoden ist, haben wir eine Koaleszenz-induzierte TDD-Reduktion 19,20 vorgeschlagen, basierend auf den folgenden zwei Schlüsselbeobachtungen, die bisher im SEG Ge-Wachstum berichtet wurden 7,15,21,22,23 : 1) TDs werden so gebogen, dass sie senkrecht zu den Wachstumsoberflächen sind (beobachtet durch das Querschnittstransmissionselektronenmikroskop (TEM)), und 2) die Koaleszenz von SEG Ge-Schichten führt zur Bildung von halbzylindrischen Hohlräumen über denSiO2-Masken.

Wir haben angenommen, dass die TDs aufgrund der Bildkraft von der Wachstumsoberfläche gebogen werden. Im Fall von Ge auf Si erzeugt die Bildkraft 1,38 GPa und 1,86 GPa Schubspannungen für Schraubenversetzungen und Kantenversetzungen in Abständen von 1 nm von den freien Oberflächen bzw.19. Die berechneten Schubspannungen sind signifikant größer als die Peierls-Spannung von 0,5 GPa, die für 60°-Versetzungen in Ge24 angegeben wurde. Die Berechnung prognostiziert eine TDD-Reduktion in Ge-SEG-Schichten auf quantitativer Basis und stimmt gut mit dem SEG Ge-Wachstum19 überein. TEM-Beobachtungen von TDs werden durchgeführt, um das TD-Verhalten im vorgestellten SEG Ge-Wachstum auf Si20 zu verstehen. Die bildkraftinduzierte TDD-Reduktion ist frei von jeglichem thermischen Annealing oder dicken Pufferschichten und eignet sich daher besser für die Anwendung in photonischen Bauelementen.

In diesem Artikel beschreiben wir spezifische Methoden für die theoretische Berechnung und experimentelle Überprüfung, die in der vorgeschlagenen TDD-Reduktionsmethode verwendet werden.

Protocol

1. Theoretisches Berechnungsverfahren Berechnen Sie Trajektorien von TDs. Nehmen Sie bei der Berechnung an, dass die SEG-Masken dünn genug sind, um den ART-Effekt auf die TDD-Reduktion zu ignorieren.Bestimmen Sie Wachstumsoberflächen und drücken Sie sie durch Gleichung(en) aus. Drücken Sie beispielsweise die zeitliche Entwicklung eines runden Querschnitts einer SEG Ge-Schicht mit dem Zeitentwicklungsparameter n = i, SEG Ge-Höhen (h i) und SEG Ge-Radien (ri) aus, wie im …

Representative Results

Theoretische Berechnung Abbildung 3 zeigt berechnete Trajektorien von TDs in 6 Arten von verschmolzenen Ge-Schichten: Hier definieren wir das Öffnungsverhältnis (APR) als W-Fenster/(W-Fenster + W-Maske). Abbildung 3a zeigt ein rundes SEG-Ursprungskoalesziertes Ge mit einem effektiven Jahreszins = 0,8. Hier sind 2/6 TDs…

Discussion

In der vorliegenden Arbeit wurden TDD von 4 x 107/cm2 experimentell gezeigt. Für eine weitere TDD-Reduzierung gibt es hauptsächlich 2 kritische Schritte innerhalb des Protokolls: SEG-Maskenvorbereitung und epitaktisches Ge-Wachstum.

Unser in Abbildung 4 gezeigtes Modell zeigt, dass TDD in koaleszierendem Ge unter 107/cm2 reduziert werden kann, wenn der effektive Jahreszins (W-Fenster/(W-Fenster +<…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (17J10044) des japanischen Ministeriums für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT) finanziell unterstützt. Die Herstellungsprozesse wurden von der “Nanotechnology Platform” (Projekt-Nr. 12024046), MEXT, Japan, unterstützt. Die Autoren danken Herrn K. Yamashita und Frau S. Hirata von der Universität Tokio für ihre Hilfe bei TEM-Beobachtungen.

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
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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).
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