Cálculo teórico y verificación experimental para la reducción de la dislocación en capas epitaxiales de germanio con huecos semicilíndricos en silicio

El germanio de dislocación de baja rosca es muy importante para realizar chips fotónicos de silicio de alto rendimiento. Los huecos en la interfaz germanio-silicona funcionan como sumideros de dislocación para reducir la densidad de dislocación del roscado. El demostrador del procedimiento estará a cargo de Mohammed Faiz, un estudiante de maestría de mi laboratorio.

Para comenzar, defina las áreas de crecimiento de germanio preparando un archivo de diseño con patrones de líneas y espacios y áreas de ventanas de silicio de forma cuadrada utilizando software comercial. A continuación, prepare una máscara de crecimiento epitaxial selectivo determinando el ancho de la ventana y el ancho de la máscara, mientras dibuja rectángulos haciendo clic en abrir archivo, luego estructura y opción de rectángulo o polilínea utilizando el software. Para preparar sustratos de p-silicio dopados con boro con una resistividad de uno a 100 ohmios centímetro, abra la tapa del horno tubular y cargue los sustratos de silicio en el horno con una varilla de vidrio.

Comience a soplar gas nitrógeno seco en el horno abriendo la válvula de gas. A continuación, ajuste el caudal de gas a 0,5 litros por minuto controlando la válvula. Ajuste la temperatura de recocido cambiando el programa.

Cuando la temperatura alcance los 900 grados centígrados, cierre la válvula de nitrógeno seco. Abra la válvula de oxígeno seco y manténgala durante dos horas. Cubra los sustratos de silicona oxidada con un surfactante con un recubridor giratorio y luego hornee a 110 grados centígrados durante 90 segundos en una placa caliente.

Después del recubrimiento de surfactante, cubra los sustratos de silicona con un fotorresistente usando un recubridor giratorio como se demostró anteriormente. Y luego hornee a 180 grados centígrados durante cinco minutos en una placa caliente. Después de preparar un revelador fotorresistente y un enjuague para el revelador en una cámara de aspiración, sumerja los sustratos de silicona expuestos en el revelador durante 60 segundos a temperatura ambiente.

A continuación, coloque los sustratos de silicona desarrollados en una placa caliente para hornear a 110 grados centígrados durante 90 segundos. A continuación, sumerja los sustratos de silicona en un ácido fluorhídrico tamponado durante un minuto para eliminar parte de las capas de dióxido de silicio expuestas al aire como resultado de la exposición y el desarrollo del haz de electrones. Para eliminar la fotorresistencia de los sustratos de silicona, sumérjala en un removedor de fotorresistencia orgánica durante 15 minutos y luego en ácido fluorhídrico diluido al 0,5% durante cuatro minutos para eliminar el óxido nativo delgado en las regiones de la ventana pero para retener las máscaras de dióxido de silicona.

Para el crecimiento epitaxial de germanio, cargue la silicona con máscaras de crecimiento epitaxial selectivo en una cámara de bloqueo de carga. Establezca la temperatura de crecimiento principal del tampón en la pestaña Receta que se muestra en la computadora de operación. Después de determinar las duraciones del crecimiento principal del germanio para que las capas de germanio de crecimiento epitaxial selectivo se unan con las adyacentes, haga clic en Iniciar en la ventana principal y el sustrato de silicona se transfiere automáticamente a la cámara de crecimiento.

Como el sustrato de silicona se transfiere automáticamente de la cámara de crecimiento a la cámara de bloqueo de carga, ventile la cámara de bloqueo de carga y descargue el sustrato de silicona manualmente. Para las mediciones de la densidad de la fosa, disuelva 32 miligramos de yodo en 67 mililitros de ácido acético utilizando una máquina de limpieza ultrasónica. Mezclar el ácido acético disuelto en yodo con 20 mililitros de ácido nítrico y 10 mililitros de ácido fluorhídrico.

Sumerja los sustratos de silicona cultivados con germanio en la solución de cóctel ácido durante cinco a siete segundos para formar hoyos grabados. Observe las superficies de germanio grabadas con un microscopio óptico para asegurarse de que las fosas grabadas se formen con éxito. Para contar los hoyos grabados, coloque la muestra de germanio grabada en una platina AFM y luego acérquese a la sonda haciendo clic en enfoque automático.

Decida el área de observación utilizando un microscopio óptico integrado con un AFM y escanee cinco áreas diferentes de 10 por 10 micrómetros. Se calcularon las densidades de dislocación de roscado en germanio coalescente originado a partir de 113 germanio de crecimiento epitaxial selectivo facetado y de forma redonda, lo que demuestra que la generación de dislocación de roscado ocurre solo en las interfaces y las densidades de dislocación deben reducirse con la relación de apertura. Se obtuvieron imágenes SEM y mapas de distribución de capas de germanio coalescentes o no coalescentes, lo que muestra que la coalescencia tuvo lugar cuando el ancho de la ventana es menor a un micrómetro.

La densidad de dislocación de la rosca para el germanio coalescente y de manta fue estudiada por AFM, lo que muestra que el espesor de las capas de germanio se redujo para las que crecieron a 700 grados Celsius. La interacción de la dislocación del hilo con la superficie se monitoreó mediante imágenes STEM y TEM de capas de germanio fusionadas, demostrando que la acumulación de deformación ocurre en la parte superior de los vacíos semicilíndricos y la relajación de la deformación en la capa subsuperficial de los huecos con el fin de minimizar su energía durante o después del crecimiento. Las imágenes TEM de una capa de germanio coalescente y manta muestran que la longitud de las líneas de defecto en el germanio coalescente es más larga que la de una manta.

Se obtuvieron imágenes TEM de un área pequeña con alta densidad de dislocación de rosca para dislocaciones de inclinación, lo que indica que la dislocación del tornillo desapareció cuando se cambió el vector de difracción G. Si bien la luxación mixta no desapareció, independientemente del vector de difracción G elegido. El protocolo más importante en este procedimiento es el modelado del sustrato por litografía, seguido de un crecimiento epitaxial de germanio.

Y desafortunadamente, debido a la diferencia de la máquina, no podemos mostrar directamente el protocolo. En lugar de usar un escritor de haz de electrones, i-line step también es una de las máquinas que puede hacer el modelado y aplicarlo al germanio epitaxial en diferentes tipos de segundo sustrato.