חישוב תיאורטי ואימות ניסיוני להפחתת נקעים בשכבות גרמניום אפיטקסיאליות עם חללים סמי-גליליים על סיליקון

גרמניום נקע עם הברגה נמוכה חשוב מאוד למימוש שבבי סיליקון פוטוניים בעלי ביצועים גבוהים. חללים בממשק הגרמניום-סיליקון פועלים ככיורי נקע כדי להפחית את צפיפות ניתוק ההברגה. מי שידגים את ההליך יהיה מוחמד פאיז, סטודנט לתואר שני מהמעבדה שלי.

כדי להתחיל, הגדר אזורי גידול גרמניום על ידי הכנת קובץ עיצוב עם דפוסי קו ורווח ואזורי חלונות סיליקון בצורת ריבוע באמצעות תוכנה מסחרית. לאחר מכן הכן מסכת צמיחה אפיטקסיאלית סלקטיבית על ידי קביעת רוחב החלון ורוחב המסכה, תוך ציור מלבנים על ידי לחיצה על קובץ פתוח, ולאחר מכן מבנה, ואפשרות מלבן או פוליליין באמצעות התוכנה. להכנת מצעי p-סיליקון מסוממים בבורון עם התנגדות של סנטימטר אחד עד 100 אוהם, פתח את המכסה על תנור הצינור והעמיס את מצעי הסיליקון לתוך התנור באמצעות מוט זכוכית.

התחל לפוצץ גז חנקן יבש לתנור על ידי פתיחת שסתום הגז. לאחר מכן הגדר את קצב זרימת הגז ל -0.5 ליטר לדקה על ידי שליטה על השסתום. הגדר את טמפרטורת החישול על ידי שינוי התוכנית.

כשהטמפרטורה מגיעה ל 900 מעלות צלזיוס, סגור את שסתום החנקן היבש. פתח את שסתום החמצן היבש ושמור אותו למשך שעתיים. מצפים את מצעי הסיליקון המחומצנים בחומר פעילי שטח בעזרת ציפוי ספין ואז אופים אותו ב-110 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות על צלחת חמה.

לאחר הציפוי פעילי השטח, מצפים את מצעי הסיליקון בפוטו-רזיסט באמצעות ציפוי ספין כפי שהודגם קודם לכן. ואז אופים בחום של 180 מעלות צלזיוס במשך חמש דקות על צלחת חמה. לאחר הכנת מפתח פוטו-רזיסט ושטיפה למפתח בתא טיוטה, טבלו את מצעי הסיליקון החשופים במפתח למשך 60 שניות בטמפרטורת החדר.

לאחר מכן הניחו את מצעי הסיליקון המפותחים על צלחת חמה לאפייה בחום של 110 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות. לאחר מכן, טבלו את מצעי הסיליקון בחומצה הידרופלואורית חוצצת למשך דקה אחת על מנת להסיר חלק משכבות הסיליקון הדו-חמצני החשופות לאוויר כתוצאה מחשיפה והתפתחות של קרן אלקטרונים. כדי להסיר את הפוטו-רזיסט ממצעי הסיליקון, טבלו במסיר פוטו-רזיסט אורגני למשך 15 דקות ולאחר מכן בחומצה הידרופלואורית מדוללת של 0.5% למשך ארבע דקות כדי להסיר את התחמוצת המקומית הדקה באזורי החלון אך לשמור על מסכות הסיליקון הדו-חמצני.

לגידול גרמניום אפיטקסיאלי, טען את הסיליקון במסכות גידול אפיטקסיאליות סלקטיביות לתא נעילת עומס. הגדר את טמפרטורת הגידול הראשית של המאגר בכרטיסייה מתכון המוצגת במחשב ההפעלה. לאחר קביעת משכי הגידול העיקרי של גרמניום כך ששכבות הגרמניום של הגידול האפיטקסיאלי הסלקטיבי יתמזגו עם שכבות סמוכות, לחץ התחל בחלון הראשי ומצע הסיליקון מועבר אוטומטית לתא הגידול.

מכיוון שמצע הסיליקון מועבר אוטומטית מתא הגידול לתא נעילת העומס, אוורור את תא נעילת העומס ופרוק את מצע הסיליקון באופן ידני. למדידות צפיפות בור תחריט, ממיסים 32 מיליגרם יוד ב-67 מיליליטר חומצה אצטית באמצעות מכונת ניקוי אולטרסאונד. מערבבים את החומצה האצטית המומסת ביוד עם 20 מיליליטר חומצה חנקתית ו -10 מיליליטר חומצה הידרופלואורית.

טובלים את מצעי הסיליקון הגדלים בגרמניום בתמיסת קוקטייל החומצה למשך חמש עד שבע שניות ליצירת בורות חרוטים. התבונן במשטחי הגרמניום החרוטים במיקרוסקופ אופטי כדי להבטיח שבורות חרוטים נוצרים בהצלחה. כדי לספור את הבורות החרוטים, הנח את דגימת הגרמניום החרוטה על במת AFM ולאחר מכן התקרב לבדיקה על ידי לחיצה על גישה אוטומטית.

החליטו על אזור התצפית באמצעות מיקרוסקופ אופטי המשולב ב-AFM וסרקו חמישה אזורים שונים בגודל 10 על 10 מיקרומטר. צפיפות נקע השחלה בגרמניום התלכדות שמקורו ב-113 צמיחה אפיטקסיאלית סלקטיבית בצורת עגול חושב, מה שמדגים כי יצירת נקע הברגה מתרחשת רק בממשקים ויש להפחית את צפיפות הנקע עם יחס הצמצם. התקבלו תמונות SEM ומפות תפוצה של שכבות גרמניום מאוחדות או לא מאוחדות, מה שמראה שההתלכדות התרחשה כאשר רוחב החלון קטן ממיקרומטר אחד.

צפיפות נקע השחלה עבור הגרמניום המאוחד והשמיכה נחקרה על ידי AFM, מה שמראה כי עובי שכבות הגרמניום הופחת עבור אלה שגדלו ב-700 מעלות צלזיוס. האינטראקציה של פריקת הברגה עם פני השטח נוטרה על ידי תמונות STEM ו-TEM של שכבות גרמניום מאוחדות, מה שמדגים כי הצטברות מתח מתרחשת בחלק העליון של החללים הגליליים למחצה והרפיית מתח בשכבה התת-קרקעית של החללים על מנת למזער את האנרגיה שלו במהלך או אחרי הצמיחה. תמונות TEM של שכבת גרמניום מאוחד ושמיכה מראות שאורך קווי הפגמים בגרמניום מאוחד ארוך יותר מאלה שבשמיכה.

התקבלו תמונות TEM של אזור קטן עם צפיפות פריקת הברגה גבוהה עבור נקעי שיפוע, מה שמצביע על כך שפריקת הבורג נעלמה כאשר וקטור העקיפה G השתנה. בעוד שהנקע המעורב לא נעלם, כל וקטור עקיפה שנבחר G. הפרוטוקול החשוב ביותר בהליך זה הוא דפוס הסובסטרט על ידי ליתוגרפיה, ואחריו גידול אפיטקסיאלי של גרמניום.

ולמרבה הצער, בגלל ההבדל במכונה, איננו יכולים להציג ישירות את הפרוטוקול. במקום להשתמש בכותב קרן אלקטרונים, צעד i-line הוא גם אחת המכונות שיכולות לבצע את הדפוס וליישם על גרמניום אפיטקסיאל על סוג שונה של מצע שני.