Calcul théorique et vérification expérimentale pour la réduction de la dislocation dans les couches épitaxiales de germanium avec vides semi-cylindriques sur silicium

Summary

Le calcul théorique et la vérification expérimentale sont proposés pour une réduction de la densité de dislocation du filetage (TD) dans les couches épitaxiales de germanium avec des vides semi-cylindriques sur silicium. Les calculs basés sur l’interaction des TD et de la surface via la force d’image, les mesures TD et les observations de TD au microscope électronique à transmission sont présentés.

Abstract

La réduction de la densité de dislocation du filetage (TDD) dans le germanium épitaxial (Ge) sur silicium (Si) a été l’un des défis les plus importants pour la réalisation de circuits photoniques intégrés monolithiquement. Le présent document décrit les méthodes de calcul théorique et de vérification expérimentale d’un nouveau modèle de réduction du TDD. La méthode de calcul théorique décrit la flexion des dislocations de filetage (TD) basée sur l’interaction des TD et des surfaces de croissance non planaires de croissance épitaxiale sélective (SEG) en termes de force d’image de dislocation. Le calcul révèle que la présence de vides sur les masques SiO₂ aide à réduire les TDD. La vérification expérimentale est décrite par le germanium (Ge) SEG, à l’aide d’une méthode de dépôt chimique en phase vapeur sous ultravide et d’observations TD du Ge cultivé par gravure et microscope électronique à transmission transversale (MET). Il est fortement suggéré que la réduction du TDD serait due à la présence de vides semi-cylindriques sur les masques SEG SiO₂ et à la température de croissance. Pour la vérification expérimentale, des couches épitaxiales de Ge avec des vides semi-cylindriques sont formées à la suite du SEG des couches de Ge et de leur coalescence. Les TDD obtenus expérimentalement reproduisent les TDD calculés sur la base du modèle théorique. Les observations transversales de la TEM révèlent que la terminaison et la génération de TD se produisent à des vides semi-cylindriques. Les observations de TEM en plan révèlent un comportement unique des TD dans Ge avec des vides semi-cylindriques (c’est-à-dire que les TD sont pliés pour être parallèles aux masques SEG et au substrat Si).

Introduction

Epitaxial Ge on Si a suscité un intérêt substantiel en tant que plate-forme de dispositifs photoniques actifs puisque Ge peut détecter / émettre de la lumière dans la gamme de communication optique (1,3-1,6 μm) et est compatible avec les techniques de traitement CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire). Cependant, comme l’inadéquation du réseau entre Ge et Si est aussi grande que 4,2%, des dislocations de filetage (TD) se forment dans les couches épitaxiales Ge sur Si à une densité de ~10⁹/cm². Les performances des dispositifs photoniques Ge sont détériorées par les TD parce que les TD fonctionnent comme des centres de génération ....

Protocol

1. Procédure de calcul théorique

1. Calculer les trajectoires des TD. Dans le calcul, supposons que les masques SEG sont suffisamment minces pour ignorer l’effet TAR sur la réduction du TDD.
   1. Déterminer les surfaces de croissance et les exprimer par équation(s). Par exemple, exprimez l’évolution temporelle d’une section transversale de forme ronde d’une couche SEG Ge avec le paramètre d’évolution temporelle n = i, les hauteurs SEG Ge (h i) et les rayons SEG Ge (r _i), comme indiqué dans la vidéo supplémentaire 1a et Eq. (1):
      

Results

Calcul théorique

La figure 3 montre les trajectoires calculées des TD dans 6 types de couches Ge coalescées : ici, nous définissons le rapport d’ouverture (APR) comme étant W fenêtre/(W_fenêtre +_{W masque}). La figure 3a montre un GE de forme ronde d’origine SEG coalescé Ge de TAEG = 0,8. Ici, 2/6 TDs sont piégés.

Discussion

Dans le présent travail, des TDD de 4 x 10⁷/cm² ont été montrés expérimentalement. Pour une réduction supplémentaire du TDD, il y a principalement 2 étapes critiques dans le protocole: la préparation du masque SEG et la croissance épitaxiale de GE.

Notre modèle illustré à la figure 4 indique que le TDD peut être réduit en dessous de 10⁷/^cm2 dans le Ge coalescé lorsque le TAEG, W_fenêtre/(W_fenêtre +

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AFM	SII NanoTechnology	SPI-3800N
BHF	DAIKIN	BHF-63U
CAD design	AUTODESK	AutoCAD 2013	Software
CH3COOH	Kanto-Kagaku	Acide acétique	pour l’électronique
	CVD Canon ANELVA	I-2100 SRE
Développeur	ZEON	ZED
Révélateur rinçage	ZEON	ZMD
EB writer	ADVANTEST	F5112+VD01
Four	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	pour l’électronique
I2	Kanto-Kagaku	Iode 100g
Photoresist	ZEON	ZEP520A
Dissolvant de photoresist	Tokyo Ohka	Hakuri-104
Surfactant	Tokyo Ohka	OAP
TEM	JEOL	JEM-2010HC