Method Article

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

DOI:

10.3791/58897

⸱

July 17th, 2020

 ,  ,  , 
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

In This Article

Summary

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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

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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

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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。<....

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Protocol

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1. 理論計算手順

  1. 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。
    1. 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。
      figure-protocol-1
    2. 成長サーフェス上の任意の位置の法線方向を決定します。丸型断面SEG Geについては、補足動画1bに赤線で示す(xi,yi)figure-protocol-2の法線を次のように記述する。次に、次の連立方程式を解いて、点(....

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Results

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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。図3bは、APR = 0.8の{113}面のSEG原点合体Geを示しています。ここでは、0/6 TDがトラップされます。図3cは、APR=0.1のGeを合体させた丸型SEG原点を示す。ここでは、5/6TDがトラップされています。

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Discussion

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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未満に減らすことができることを示しています。さらなるTDD低減に向けて、APRの小さいSEGマスクを用意する必要があります。ステップ2.1.2で述べたように、WウィンドウとWマスクの最小値はそれぞれ0.5μmと0.3μmであり、採用されたEBリソグラフィシステムの分解能によって制限されました。APRを低減する簡単な方法の1つは、リソグラフィおよびエッチングプロセスを変更することである(例えば、別のフォトレジス.......

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Disclosures

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著者は開示するものは何もありません。

Acknowledgements

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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。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AFMSII ナノテクノロジーSPI-3800N
BHFDAIKINBHF-63U
CAD設計AUTODESKAutoCAD 2013ソフトウェア
CH3COOH関東化学用酢酸
CVDキヤノン アネルバI-2100 SRE
開発者ジオンZED
現像液リンスジオンZMD
EBライターアドバンテストF5112+VD01
炉光洋サーモシステムKTF-050N-PA
HF, 0.5 %関東化学0.5% HF
HF 50 %HF50 % HF
HNO3 61 %関東化学HNO31.38エレクトロニクス
用 I2関東化学ヨウ素 100g
フォトレジストジオンZEP520A
フォトレジスト除去剤東京応化白栗-104
界面活性剤東京応化OAP
TEMJEOLJEM-2010HC
エレクトロニクス HF

References

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  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.

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