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Cálculo Teórico e Verificação Experimental para Redução de Deslocamento em Camadas Epitaxiais de Germânio com Vazios Semicilíndricos em Silício

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

Cálculo teórico e verificação experimental são propostos para uma redução da densidade de deslocamento de rosca (DT) em camadas epitaxiais de germânio com vazios semicilíndricos sobre silício. Cálculos baseados na interação de TDs e superfície via força de imagem, medições de TD e observações de microscópio eletrônico de transmissão de TDs são apresentados.

Abstract

A redução da densidade de deslocamento por rosqueamento (TDD) em germânio epitaxial (Ge) sobre silício (Si) tem sido um dos desafios mais importantes para a realização de circuitos fotônicos monoliticamente integrados. O presente trabalho descreve métodos de cálculo teórico e verificação experimental de um novo modelo para a redução de TDD. O método de cálculo teórico descreve a flexão de deslocamentos de rosqueamento (TDs) com base na interação de TDs e superfícies de crescimento não planares de crescimento epitaxial seletivo (SEG) em termos de força de imagem de deslocamento. O cálculo revela que a presença de vazios nas máscaras SiO2 ajuda a reduzir o TDD. A verificação experimental é descrita por germânio (Ge) SEG, usando um método de deposição de vapor químico de ultra-alto vácuo e observações de TD do Ge cultivado via gravura e microscópio eletrônico de transmissão transversal (MET). Sugere-se fortemente que a redução do TDD seria devida à presença de vazios semicilíndricos sobre as máscaras SiO2 SEG e à temperatura de crescimento. Para verificação experimental, camadas epitaxiais de Ge com vazios semicilíndricos são formadas como resultado das camadas de SEG de Ge e sua coalescência. Os TDDs obtidos experimentalmente reproduzem os TDDs calculados com base no modelo teórico. Observações transversais de ETM revelam que tanto a terminação quanto a geração de DTs ocorrem em vazios semicilíndricos. As observações de MET de visão plana revelam um comportamento único de TDs em Ge com vazios semicilíndricos (ou seja, TDs são dobrados para serem paralelos às máscaras SEG e ao substrato Si).

Introduction

O Epitaxial Ge on Si atraiu interesses substanciais como uma plataforma de dispositivo fotônico ativo, uma vez que o Ge pode detectar / emitir luz na faixa de comunicação óptica (1,3-1,6 μm) e é compatível com técnicas de processamento Si CMOS (semicondutor complementar de óxido metálico). No entanto, uma vez que a incompatibilidade de rede entre Ge e Si é tão grande quanto 4,2%, os deslocamentos de rosqueamento (TDs) são formados em camadas epitaxiais de Ge em Si a uma densidade de ~109/cm2. Os desempenhos dos dispositivos fotônicos Ge são deteriorados pelos TDs porque os TDs funcionam como centros de geração de portadores em fotodetectores Ge (PDs) e moduladores (MODs) e como centros de recombinação de portadores em diodos laser (LDs). Por sua vez, aumentariam a corrente de fuga reversa (vazamento J) em PDs e MODs 1,2,3 e a corrente limiar (Jth) em LDs 4,5,6.

Várias tentativas foram relatadas para reduzir a densidade de DT (TDD) em Ge em Si (Figura Suplementar 1). O recozimento térmico estimula o movimento dos TDs levando à redução do TDD, tipicamente para 2 x 107/cm2. A desvantagem é a possível mistura de Si e Ge e a superdifusão de dopantes em Ge, como o fósforo 7,8,9 (Figura suplementar 1a). A camada tampão graduada SiGe 10,11,12 aumenta as espessuras críticas e suprime a geração de TDs levando à redução de TDD, tipicamente para 2 x 10 6/cm2. A desvantagem aqui é que o buffer espesso reduz a eficiência de acoplamento de luz entre dispositivos Ge e guias de onda Si por baixo (Figura suplementar 1b). O aprisionamento da relação de aspecto (TARV)13,14,15 é um método de crescimento epitaxial seletivo (SEG) e reduz os TDs por meio do aprisionamento de TDs nas paredes laterais de trincheiras espessas de SiO 2, tipicamente para <1 x 10 6/cm2. O método ART usa uma máscara de SiO 2 espessa para reduzir o TDD em Ge sobre as máscaras de SiO2, que se localiza muito acima de Si e tem a mesma desvantagem (Figura suplementar 1b,1c). O crescimento de Ge em sementes de pilar Si e o recozimento 16,17,18 são semelhantes ao método TARV, possibilitando o aprisionamento de DT pela alta proporção de crescimento de GE, para <1 x 10 5/cm2. No entanto, o recozimento de alta temperatura para coalescência de Ge tem as mesmas desvantagens na Figura Suplementar 1a-c (Figura Suplementar 1d).

Para alcançar um crescimento epitaxial de Ge de baixo TDD em Si, livre das desvantagens dos métodos acima mencionados, propusemos a redução de TDD induzida por coalescência19,20 com base nas duas principais observações a seguir relatadas até agora no crescimento de GEESEG 7,15,21,22,23 : 1) Os TDs são dobrados para serem normais às superfícies de crescimento (observado pelo microscópio eletrônico de transmissão transversal (MET)), e 2) a coalescência das camadas de SEG Ge resulta na formação de vazios semicilíndricos sobre as máscaras de SiO2.

Assumimos que os TDs são dobrados devido à força da imagem da superfície de crescimento. No caso de Ge em Si, a força de imagem gera tensões de cisalhamento de 1,38 GPa e 1,86 GPa para luxações de parafusos e deslocamentos de borda a distâncias de 1 nm das superfícies livres, respectivamente19. As tensões de cisalhamento calculadas são significativamente maiores do que a tensão de Peierls de 0,5 GPa relatada para luxações de 60° em Ge24. O cálculo prevê a redução do TDD nas camadas de Ge SEG em uma base quantitativa e está em boa concordância com o crescimento do SEG Ge19. Observações de MET de TDs são realizadas para entender os comportamentos de DT no crescimento apresentado do SEG Ge no Si20. A redução TDD induzida pela força de imagem é livre de qualquer recozimento térmico ou camadas de buffer espessas e, portanto, é mais adequada para a aplicação de dispositivos fotônicos.

Neste artigo, descrevemos métodos específicos para o cálculo teórico e verificação experimental empregados no método de redução de TDD proposto.

Protocol

1. Procedimento de cálculo teórico Calcular trajetórias de TDs. No cálculo, suponha que as máscaras SEG sejam finas o suficiente para ignorar o efeito ART na redução de TDD.Determine as superfícies de crescimento e expresse-as por equação(ões). Por exemplo, expresse a evolução temporal de uma seção transversal de forma redonda de uma camada SEG Ge com o parâmetro de evolução temporal n = i, alturas SEG Ge (h i) e raios SEG Ge (ri), conforme mostrado no <str…

Representative Results

Cálculo Teórico A Figura 3 mostra trajetórias calculadas de TDs em 6 tipos de camadas Ge coalescidas: aqui, definimos a razão de abertura (APR) comosendo janela W/(janela W +máscara W). A Figura 3a mostra uma origem SEG de forma redonda Ge coalescida de APR = 0,8. Aqui, 2/6 TDs estão presos. A …

Discussion

No presente trabalho, foram mostrados experimentalmente TDD de 4 x 107/cm2 . Para uma maior redução do TDD, existem principalmente 2 etapas críticas dentro do protocolo: preparação da máscara SEG e crescimento epitaxial do GE.

Nosso modelo mostrado na Figura 4 indica que o TDD pode ser reduzido abaixo de 107/cm2 em Ge coalescida quando APR, janela W/(janela W + máscara W), é tão …

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi apoiado financeiramente pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (JSPS) KAKENHI (17J10044) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia (MEXT), Japão. Os processos de fabricação foram apoiados pela “Nanotechnology Platform” (projeto No. 12024046), MEXT, Japão. Os autores gostariam de agradecer ao Sr. K. Yamashita e à Sra. S. Hirata, da Universidade de Tóquio, por sua ajuda nas observações do ETM.

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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Riferimenti

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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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