Calcolo teorico e verifica sperimentale per la riduzione della dislocazione in strati epitassiali di germanio con vuoti semicilindrici su silicio

Summary

Il calcolo teorico e la verifica sperimentale sono proposti per una riduzione della densità di dislocazione di filettatura (TD) in strati epitassiali di germanio con vuoti semicilindrici su silicio. Vengono presentati calcoli basati sull’interazione di TD e superficie tramite forza dell’immagine, misurazioni TD e osservazioni al microscopio elettronico a trasmissione dei TD.

Abstract

La riduzione della densità di dislocazione della filettatura (TDD) nel germanio epitassiale (Ge) su silicio (Si) è stata una delle sfide più importanti per la realizzazione di circuiti fotonici monoliticamente integrati. Il presente articolo descrive i metodi di calcolo teorico e di verifica sperimentale di un nuovo modello per la riduzione della TDD. Il metodo di calcolo teorico descrive la flessione delle dislocazioni di filettatura (TD) in base all’interazione di TD e superfici di crescita non planari di crescita epitassiale selettiva (SEG) in termini di forza dell’immagine di dislocazione. Il calcolo rivela che la presenza di vuoti sulle maschere SiO₂ aiuta a ridurre il TDD. La verifica sperimentale è descritta dal germanio (Ge) SEG, utilizzando un metodo di deposizione chimica da vapore ad altissimo vuoto e osservazioni TD del Ge cresciuto tramite incisione e microscopio elettronico a trasmissione in sezione trasversale (TEM). Si suggerisce fortemente che la riduzione del TDD sarebbe dovuta alla presenza di vuoti semicilindrici sopra le maschere SiO₂ SEG e alla temperatura di crescita. Per la verifica sperimentale, gli strati di Ge epitassiale con vuoti semicilindrici si formano come risultato del SEG degli strati di Ge e della loro coalescenza. I TDD ottenuti sperimentalmente riproducono i TDD calcolati in base al modello teorico. Le osservazioni TEM in sezione trasversale rivelano che sia la terminazione che la generazione di TD avvengono a vuoti semicilindrici. Le osservazioni TEM in pianta rivelano un comportamento unico dei TD in Ge con vuoti semicilindrici (cioè, i TD sono piegati per essere paralleli alle maschere SEG e al substrato Si).

Introduction

L’epitassial Ge su Si ha attirato notevoli interessi come piattaforma di dispositivi fotonici attivi poiché Ge può rilevare / emettere luce nel campo di comunicazione ottica (1,3-1,6 μm) ed è compatibile con le tecniche di elaborazione Si CMOS (complementary metal oxide semiconductor). Tuttavia, poiché la mancata corrispondenza del reticolo tra Ge e Si è grande come il 4,2%, le dislocazioni di filettatura (TD) si formano negli strati epitassiali di Ge su Si ad una densità di ~ 10⁹ / cm². Le prestazioni dei dispositivi fotonici Ge sono deteriorate dai TD perché i TD funzionano come centri di generazione di portatori nei fotorivelatori Ge (PD) e modulatori (MOD) e come centri di ricombinazione della portante nei diodi laser (LD). A loro volta, aumenterebbero la corrente di dispersione inversa (_perdita J) nei PD e MOD ^1,2,3 e la corrente di soglia (J_th) nei LD ^4,5,6.

Sono stati segnalati vari tentativi di ridurre la densità TD (TDD) in Ge su Si (Figura supplementare 1). La ricottura termica stimola il movimento dei TD portando alla riduzione del TDD, tipicamente a 2 x 10⁷/cm². Lo svantaggio è la possibile mescolanza di Si e Ge e la diffusione di droganti in Ge come il fosforo ^7,8,9 (figura supplementare 1a). Lo strato tampone graduato SiGe 10,11,12 aumenta gli spessori critici e sopprime la generazione di TD portando alla riduzione del TDD^, tipicamente a 2 x ^{10 6}/cm². Lo svantaggio qui è che il tampone spesso riduce l’efficienza di accoppiamento della luce tra i dispositivi Ge e le guide d’onda Si sottostanti (Figura supplementare 1b). L’intrappolamento del rapporto di aspetto (ART)13,14,15 è un metodo di crescita epitassiale selettiva (SEG) e riduce i TD intrappolando i TD alle pareti laterali di spesse trincee di SiO 2^, tipicamente a <1 x ¹⁰ 6 / cm ₂. Il metodo ART utilizza una maschera SiO 2 spessa per ridurre il TDD in Ge rispetto alle maschere SiO₂, che si trova molto al di sopra di Si e ha lo stesso inconveniente (Figura supplementare 1b,1c). La crescita di Ge sui semi del pilastro Si e la ricottura 16,17,18 sono simili al metodo ART, consentendo l’intrappolamento TD con l’elevato rapporto di aspetto della crescita di Gue^, a <1 x ^{10 5} / cm². Tuttavia, la ricottura ad alta temperatura per la coalescenza Ge presenta gli stessi inconvenienti nella figura supplementare 1a-c (figura supplementare 1d).

Per ottenere una crescita epitassiale Ge a basso TDD su Si che sia libera dagli svantaggi dei metodi sopra menzionati, abbiamo proposto una riduzione del TDD indotta dalla coalescenza^19,20 sulla base delle seguenti due osservazioni chiave riportate finora nella crescita di SEG Ge 7,15,21,22,23 : 1) i TD sono piegati per essere normali alle superfici di crescita (osservate dal microscopio elettronico a trasmissione in sezione trasversale (TEM)), e 2) la coalescenza degli strati di SEG Ge provoca la formazione di vuoti semicilindrici sopra le maschere di SiO₂.

Abbiamo ipotizzato che i TD siano piegati a causa della forza dell’immagine dalla superficie di crescita. Nel caso di Ge su Si, la forza dell’immagine genera tensioni di taglio di 1,38 GPa e 1,86 GPa per dislocazioni di viti e dislocazioni di spigoli a distanze di 1 nm dalle superfici libere, rispettivamente¹⁹. Le sollecitazioni di taglio calcolate sono significativamente maggiori della sollecitazione di Peierls di 0,5 GPa riportata per dislocazioni di 60° in Ge²⁴. Il calcolo prevede la riduzione del TDD negli strati di Ge SEG su base quantitativa ed è in buon accordo con la crescita del SEG Ge¹⁹. Le osservazioni TEM dei TD vengono effettuate per comprendere i comportamenti dei TD nella crescita di SEG Ge presentata su Si²⁰. La riduzione TDD indotta dalla forza dell’immagine è priva di ricottura termica o strati tampone spessi, ed è quindi più adatta per l’applicazione di dispositivi fotonici.

In questo articolo, descriviamo i metodi specifici per il calcolo teorico e la verifica sperimentale impiegati nel metodo di riduzione TDD proposto.

Protocol

1. Procedura teorica di calcolo Calcola le traiettorie dei TD. Nel calcolo, supponiamo che le maschere SEG siano abbastanza sottili da ignorare l’effetto ART sulla riduzione TDD.Determinare le superfici di crescita ed esprimerle per equazione. Ad esempio, esprimere l’evoluzione temporale di una sezione trasversale di forma rotonda di uno strato SEG Ge con il parametro di evoluzione temporale n = i, altezze SEG Ge (h i) e raggi SEG Ge (r i), come mostrato …

Representative Results

Calcolo teorico La Figura 3 mostra le traiettorie calcolate dei TD in 6 tipi di strati Ge coalescenti: qui, definiamo il rapporto di apertura (APR) come finestra W /(finestra W +maschera W). La figura 3a mostra un Ge coalescente di origine SEG di forma rotonda di APR = 0,8. Qui, 2/6 TD sono intrappolati. <strong class="x…

Discussion

Nel presente lavoro, sono stati mostrati sperimentalmente TDD di 4 x 10⁷/cm² . Per un’ulteriore riduzione del TDD, ci sono principalmente 2 passaggi critici all’interno del protocollo: preparazione della maschera SEG e crescita del Ge epitassiale.

Il nostro modello mostrato in Figura 4 indica che il TDD può essere ridotto al di sotto di 10⁷/cm² in Ge coalescente quando APR, W window/(W_window +_{W mask</sub…}

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