JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Türkçe

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Silikon Üzerinde Yarı Silindirik Boşluklu Germanyum Epitaksiyel Tabakalarında Çıkığın Azaltılması için Teorik Hesaplama ve Deneysel Doğrulama

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

Silikon üzerinde yarı silindirik boşluklar bulunan germanyum epitaksiyel tabakalarındaki diş açma çıkığı (TD) yoğunluğunun azaltılması için teorik hesaplama ve deneysel doğrulama önerilmiştir. TD’lerin ve yüzeyin görüntü kuvveti ile etkileşimine dayalı hesaplamalar, TD ölçümleri ve TD’lerin iletim elektron mikroskobu gözlemleri sunulmaktadır.

Abstract

Epitaksiyel germanyumda (Ge) silikon (Si) üzerindeki diş açma çıkığı yoğunluğunun (TDD) azaltılması, monolitik olarak entegre fotonik devrelerin gerçekleştirilmesinde en önemli zorluklardan biri olmuştur. Bu yazıda TDD’nin azaltılması için yeni bir modelin teorik hesaplama ve deneysel doğrulama yöntemleri açıklanmaktadır. Teorik hesaplama yöntemi, TD’lerin ve seçici epitaksiyel büyümenin (SEG) düzlemsel olmayan büyüme yüzeylerinin çıkık görüntü kuvveti açısından etkileşimine dayanan diş açma çıkıklarının (TD’ler) bükülmesini tanımlar. Hesaplama, SiO2 maskelerindeki boşlukların varlığının TDD’yi azaltmaya yardımcı olduğunu ortaya koymaktadır. Deneysel doğrulama, ultra yüksek vakumlu kimyasal buhar biriktirme yöntemi ve aşındırma ve kesitsel iletim elektron mikroskobu (TEM) yoluyla yetiştirilen Ge’nin TD gözlemleri kullanılarak germanyum (Ge) SEG ile tanımlanır. TDD azalmasının, SiO2 SEG maskeleri ve büyüme sıcaklığı üzerinde yarı silindirik boşlukların varlığından kaynaklanacağı kuvvetle önerilmektedir. Deneysel doğrulama için, yarı silindirik boşluklara sahip epitaksiyel Ge katmanları, Ge katmanlarının SEG’si ve bunların birleşmesi sonucu oluşur. Deneysel olarak elde edilen TDD’ler, teorik modele dayanarak hesaplanan TDD’leri yeniden üretir. Kesitsel TEM gözlemleri, TD’lerin hem sonlandırılmasının hem de üretilmesinin yarı silindirik boşluklarda meydana geldiğini ortaya koymaktadır. Plan-view TEM gözlemleri, Ge’deki TD’lerin yarı silindirik boşluklarla benzersiz bir davranışını ortaya koymaktadır (yani, TD’ler SEG maskelerine ve Si substratına paralel olacak şekilde bükülmüştür).

Introduction

Epitaxial Ge on Si, Ge optik iletişim aralığında (1.3-1.6 μm) ışığı algılayabildiği / yayabildiği ve Si CMOS (tamamlayıcı metal oksit yarı iletken) işleme teknikleriyle uyumlu olduğu için aktif bir fotonik cihaz platformu olarak önemli ilgi görmüştür. Bununla birlikte, Ge ve Si arasındaki kafes uyumsuzluğu% 4.2 kadar büyük olduğundan, Si üzerindeki Ge epitaksiyel katmanlarında ~ 109 /cm2 yoğunlukta diş açma çıkıkları (TD’ler) oluşur. Ge fotonik cihazlarının performansları TD’ler tarafından bozulur, çünkü TD’ler Ge fotodetektörlerinde (PD’ler) ve modülatörlerde (MOD’lar) taşıyıcı üretim merkezleri olarak ve lazer diyotlarda (LD’ler) taşıyıcı rekombinasyon merkezleri olarak çalışır. Buna karşılık, PD’lerde ve MOD’larda ters kaçak akımı (Jsızıntısı) 1,2,3’te ve LD’lerde 4,5,6’da eşik akımını (J th) artıracaklardı.

Ge on Si’de TD yoğunluğunu (TDD) azaltmak için çeşitli girişimlerde bulunulduğu bildirilmiştir (Ek Şekil 1). Termal tavlama, TDD’lerin hareketini uyararak TDD’nin tipik olarak 2 x 107/cm2’ye düşürülmesine yol açar. Dezavantajı, Si ve Ge’nin olası birbirine karışması ve fosfor 7,8,9 gibi Ge’deki katkı maddelerinin dışarı difüzyonudur (Ek Şekil 1a). SiGe derecelendirilmiş tampon tabakası 10,11,12, kritik kalınlıkları arttırır ve TDD’nin tipik olarak 2 x 10 6/cm2’ye düşürülmesine yol açan TD’lerin oluşumunu bastırır. Buradaki dezavantaj, kalın tamponun Ge cihazları ve altındaki Si dalga kılavuzları arasındaki ışık bağlantısı verimliliğini azaltmasıdır (Ek Şekil 1b). En boy oranı yakalama (ART)13,14,15, seçici bir epitaksiyel büyüme (SEG) yöntemidir ve tank avcılarını kalın SiO2 siperlerinin yan duvarlarında, tipik olarak <1 x 10 6/cm2’ye yakalayarak TD’leri azaltır. ART yöntemi, Si’nin çok üzerinde bulunan ve aynı dezavantaja sahip olan SiO 2 maskeleri üzerinde Ge’deki TDD’yi azaltmak için kalın bir SiO2 maskesi kullanır (Ek Şekil 1b, 1c). Si sütun tohumlarında Ge büyümesi ve16,17,18 tavlama, ART yöntemine benzer, yüksek en boy oranı ile TD yakalamayı sağlar Ge büyümesi, <1 x 105 /cm2’ye. Bununla birlikte, Ge birleşmesi için yüksek sıcaklıkta tavlama, Ek Şekil 1a-c’de (Ek Şekil 1d) aynı dezavantajlara sahiptir.

Yukarıda belirtilen yöntemlerin dezavantajlarından arındırılmış olan Si üzerinde düşük TDD Ge epitaksiyel büyümesi elde etmek için, SEG Ge büyümesinde şimdiye kadar bildirilen aşağıdaki iki temel gözleme dayanarak birleşmeye bağlı TDD indirgemesi19,20 önerdik 7,15,21,22,23 : 1) TD’ler büyüme yüzeylerine normal olacak şekilde bükülür (kesitsel iletim elektron mikroskobu (TEM) tarafından gözlenir) ve 2) SEG Ge katmanlarının birleşmesi, SiO2 maskeleri üzerinde yarı silindirik boşlukların oluşmasına neden olur.

TD’lerin büyüme yüzeyinden gelen görüntü kuvveti nedeniyle büküldüğünü varsaydık. Ge on Si durumunda, görüntü kuvveti, serbest yüzeylerden 1 nm uzaklıktaki vida çıkıkları ve kenar çıkıkları için sırasıyla 19 GPa ve 1,86 GPa kesme gerilmeleriüretir. Hesaplanan kayma gerilimleri, Ge24’te 60° çıkıklar için bildirilen 0,5 GPa’lık Peierls geriliminden önemli ölçüde daha büyüktür. Hesaplama, Ge SEG katmanlarında TDD azalmasını nicel olarak öngörmektedir ve SEG Ge büyümesi19 ile iyi bir uyum içindedir. TD’lerin TEM gözlemleri, Si20’de sunulan SEG Ge büyümesindeki TD davranışlarını anlamak için gerçekleştirilir. Görüntü kuvveti kaynaklı TDD indirgemesi, herhangi bir termal tavlama veya kalın tampon katmanından arındırılmıştır ve bu nedenle fotonik cihaz uygulaması için daha uygundur.

Bu makalede, önerilen TDD indirgeme yönteminde kullanılan teorik hesaplama ve deneysel doğrulama için özel yöntemler açıklanmaktadır.

Protocol

1. Teorik hesaplama prosedürü TD’lerin yörüngelerini hesaplayın. Hesaplamada, SEG maskelerinin TDD indirgemesi üzerindeki ART etkisini göz ardı edecek kadar ince olduğunu varsayalım.Büyüme yüzeylerini belirleyin ve bunları denklem (ler) ile ifade edin. Örneğin, Ek Video 1a ve Eq. (1)’de gösterildiği gibi, bir SEG Ge katmanının yuvarlak şekilli bir kesitinin zaman evrimini, zaman evrimi parametresi n = i, SEG Ge yükseklikleri (h i) ve SE…

Representative Results

Teorik Hesaplama Şekil 3, 6 tür birleşik Ge katmanındaki TD’lerin hesaplanan yörüngelerini göstermektedir: burada, diyafram açıklığı oranını (APR) Wpenceresi / (Wpenceresi + Wmaskesi) olarak tanımlıyoruz. Şekil 3a , yuvarlak şekilli bir SEG orijinli birleşmiş APR = 0.8 Ge’sini göstermektedir. Burada …

Discussion

Bu çalışmada 4 x 107/cm2’lik TDD deneysel olarak gösterilmiştir. TDD’nin daha da azaltılması için, protokolde temel olarak 2 kritik adım vardır: SEG maskesi hazırlama ve epitaksiyel Ge büyümesi.

Şekil 4’te gösterilen modelimiz, APR, W pencere/(Wpencere + W maskesi) 0,1 kadar küçük olduğunda birleştirilmiş Ge’de TDD’nin 107/cm2’den daha düşük bir değere düşürül…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, Japonya Eğitim, Kültür, Spor, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı’ndan (MEXT) Japonya Bilimi Geliştirme Derneği (JSPS) KAKENHI (17J10044) tarafından finansal olarak desteklenmiştir. Üretim süreçleri “Nanoteknoloji Platformu” (proje No. 12024046), MEXT, Japonya tarafından desteklenmiştir. Yazarlar, TEM gözlemleri konusundaki yardımları için Tokyo Üniversitesi’nden Bay K. Yamashita ve Bayan S. Hirata’ya teşekkür eder.

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