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

シリコン上に半円筒空隙を有するゲルマニウムエピタキシャル層の転位低減に関する理論計算と実験的検証

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

シリコン上に半円筒空隙を有するゲルマニウムエピタキシャル層におけるねじ切り転位(TD)密度の低減について、理論計算と実験的検証が提案されています。像力によるTDと表面の相互作用に基づく計算、TD測定、TDの透過型電子顕微鏡観察を示します。

Abstract

シリコン(Si)上のエピタキシャルゲルマニウム(Ge)のねじ切り転位密度(TDD)の低減は、モノリシックに統合されたフォトニクス回路の実現にとって最も重要な課題の1つです。本稿では,TDD低減のための新規モデルの理論計算方法と実験的検証の手法について述べる.理論計算方法は、転位像力の観点から、選択的エピタキシャル成長(SEG)のTDと非平面成長面の相互作用に基づくねじ切り転位(TD)の曲げを記述します。計算は、SiO2 マスク上のボイドの存在がTDDの減少に役立つことを明らかにしています。実験的検証は、超高真空化学気相成長法を用いたゲルマニウム(Ge)SEGによる、エッチングおよび断面透過型電子顕微鏡(TEM)による成長したGeのTD観察によって記述される。TDDの減少は、SiO2 SEGマスク上の半円筒空隙の存在と成長温度によるものであることが強く示唆されています。実験的検証のために、半円筒形のボイドを有するエピタキシャルGe層が、Ge層のSEGおよびそれらの合体の結果として形成される。実験的に得られたTDDは、理論モデルに基づいて計算されたTDDを再現します。断面TEM観察により、TDの終端と生成の両方が半円筒形の空隙で発生することが明らかになりました。平面図TEM観察により、半円筒形のボイドを持つGe中のTDのユニークな挙動が明らかになりました(つまり、TDはSEGマスクとSi基板に平行になるように曲がっています)。

Introduction

Si上のエピタキシャルGeは、光通信範囲(1.3〜1.6μm)の光を検出/放出でき、Si CMOS(相補型金属酸化膜半導体)処理技術に適合するため、アクティブフォトニックデバイスプラットフォームとして大きな関心を集めています。しかし、GeとSiの格子不整合は4.2%と大きいため、Si上のGeエピタキシャル層では~109/cm2の密度でねじ切り転位(TD)が形成されます。Geフォトニックデバイスは、TDがGe光検出器(PD)や変調器(MOD)のキャリア生成センターとして、レーザーダイオード(LD)のキャリア再結合センターとして機能するため、TDによって性能が低下します。次に、PDおよびMOD1,2,3の逆リーク電流(Jリーク)とLD4,5,6のスレッショルド電流(Jth)を増加させます。

Si上のGeのTD密度(TDD)を低下させるための様々な試みが報告されている(補足図1)。熱アニーリングはTDの動きを刺激し、TDDを典型的には2 x 107 / cm2に減少させます。欠点は、SiとGeの混合と、リン7,8,9などのGe中のドーパントのアウトディフュージョンの可能性です(補足図1a)。SiGe傾斜バッファ層10,11,12は、臨界厚さを増加させ、TDDの生成を抑制し、TDDを典型的には2 x 106/cm2に減少させる。ここでの欠点は、バッファが厚いため、Geデバイスとその下のSi導波路との間の光結合効率が低下することです(補足図1b)。アスペクト比トラップ(ART)13,14,15は選択的エピタキシャル成長(SEG)法であり、厚いSiO 2トレンチの側壁にTDをトラップすることにより、TDを通常<1 x 10 6 / cm2に低減します。ART法では、厚いSiO 2マスクを使用して、Siのはるか上に位置し、同じ欠点を持つSiO2マスクよりもGeのTDDを低減します(補足図1b、1c)。Siピラーシード上のGe成長とアニーリング16,17,18はART法と同様であり、高アスペクト比Ge成長によるTDトラップを可能にし、<1 x 105 / cm2になります。しかしながら、Ge合一のための高温アニールは、補足図1a〜c(補足図1d)において同じ欠点を有する。

上記の方法の欠点のないSi上で低TDDのGeエピタキシャル成長を達成するために、これまでにSEGGe成長7,15,21,22,23で報告された次の2つの重要な観察結果に基づいて、合体誘起TDD低減19,20を提案しました。:1)TDは成長面に垂直になるように曲げられ(断面透過型電子顕微鏡(TEM)によって観察され)、2)SEG Ge層の合体により、SiO2マスク上に半円筒形の空隙が形成されます。

TDは成長面からのイメージ力によって曲がっていると仮定しました。Si上のGeの場合、イメージ力は、自由表面から1nm離れた距離でのねじ転位とエッジ転位に対してそれぞれ1.38GPaと1.86GPaのせん断応力を生成します19。計算されたせん断応力は、Ge24の60°転位について報告された0.5GPaのパイエルス応力よりも大幅に大きい。この計算は、定量的にGe SEG層のTDD減少を予測し、SEG Geの成長19とよく一致しています。TDのTEM観測は、Si20上で提示されたSEG Ge成長におけるTD挙動を理解するために行われる。画像力誘起TDD低減は、熱アニーリングや厚いバッファ層がないため、フォトニックデバイスアプリケーションに適しています。

本稿では、TDD低減法の提案に採用されている理論計算と実験的検証の具体的手法について述べる。

Protocol

1. 理論計算手順 TDの軌道を計算します。計算では、SEGマスクがTDD低減に対するART効果を無視するのに十分なほど薄いと仮定します。成長面を決定し、方程式で表します。たとえば、補足ビデオ1aおよび式(1)に示すように、SEG Ge層の丸い断面の時間発展を、時間発展パラメータn = i、SEG Geの高さ(hi)、およびSEG Ge半径(ri)で表します。<…

Representative Results

理論計算 図3は、6種類の合体Ge層におけるTDの計算軌跡を示しています。 ここでは、開口率(APR)をWウィンドウ/(Wウィンドウ+Wマスク)と定義します。図3aは、APR=0.8のGeが合体した丸型SEG原点を示す。ここでは、2/6TDがトラップされています。<str…

Discussion

本研究では、4 x 107 / cm2 のTDDが実験的に示されました。さらなるTDD低減のために、プロトコル内には主にSEGマスク調製とエピタキシャルGe成長の2つの重要なステップがあります。

図4に示す我々のモデルは、APR、Wウィンドウ/(Wウィンドウ+ Wマスク)が0.1と小さい場合、合体GeでTDDを107/cm2未満に減らすこ…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

本研究は、文部科学省の日本学術振興会(JSPS)科研費(17J10044)の助成を受けて行われました。製造プロセスは、文部科学省の「ナノテクノロジープラットフォーム」(プロジェクト番号12024046)によってサポートされました。著者らは、東京大学の山下和彦氏と平田聡氏のTEM観測に協力してくださったことに感謝する。

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
check_url/58897?article_type=t

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