硅上半圆柱空隙锗外延层位错还原的理论计算和实验验证

摘要

提出了降低硅上半圆柱空隙的锗外延层螺纹位错（TD）密度的理论计算和实验验证。给出了基于TD与表面相互作用的计算方法，通过像力、TD测量和透射电子显微镜对TD的观测。

摘要

降低硅（Si）上外延锗（Ge）的螺纹位错密度（TDD）是实现单片集成光子电路的最重要挑战之一。本文介绍了一种降低TDD的新模型的理论计算和实验验证方法。理论计算方法描述了基于TDs与选择性外延生长（SEG）的非平面生长表面在位错成像力方面的相互作用的螺纹位错（TDs）的弯曲。计算表明，SiO₂ 掩模上空隙的存在有助于降低TDD。采用超高真空化学气相沉积法和TD观察生长的锗（Ge）SEG通过蚀刻和横截面透射电子显微镜（TEM）对生长的Ge进行实验验证。强烈建议TDD降低是由于SiO₂ SEG掩模和生长温度上存在半圆柱形空隙。为了进行实验验证，由于Ge层的SEG及其聚结作用，形成了具有半圆柱形空隙的外延Ge层。实验得到的TDDs基于理论模型再现了计算出的TDD。横断面透射电镜观察表明，TD的终止和生成都发生在半圆柱形空隙处。平面透射电镜观测揭示了具有半圆柱形空隙的Ge中TD的独特行为（即TD弯曲以平行于SEG掩模和Si衬底）。

引言

Si上的外延锗作为有源光子器件平台引起了广泛兴趣，因为Ge可以检测/发射光通信范围（1.3-1.6μm）内的光，并且与Si CMOS（互补金属氧化物半导体）加工技术兼容。然而，由于Ge和Si之间的晶格失配高达4.2%，因此在Si上的Ge外延层中以~10^{9 /} cm²的密度形成螺纹位错（TDs）。由于TD在Ge光电探测器（PD）和调制器（MOD）中充当载流子生成中心，在激光二极管（LDs）中充当载流子复合中心，因此锗光子器件的性能会因TD而恶化。反过来，它们会增加PD和MOD¹，²，³中的反向泄漏电流（J_泄漏）和LDs⁴，^5，6中的阈值电流（_{J th}）。

据报道，已经有各种尝试来降低Si上Ge中的TD密度（TDD）（补充图1）。热退火刺激TD的运动，导致TDD降低，通常为2 x 10^{7 /} cm²。缺点是Si和Ge可能混合，并且掺杂剂在Ge中扩散，例如磷⁷，^8，9（补充图1a）。SiGe分级缓冲层¹⁰，¹¹，¹²增加了临界厚度并抑制了TD的产生，导致TDD降低^，通常为2 x 10⁶/cm²。这里的缺点是厚缓冲器会降低Ge器件和下方Si波导之间的光耦合效率（补充图1b）。纵横比捕获 （ART）13，14，¹⁵ 是一种选择性外延生长 （SEG） 方法，通过将 TD 捕获在厚 SiO 2 沟槽的侧壁上来降低 TD^，通常为 <1 x ^{10 6}/cm ₂。ART方法使用较厚的SiO 2掩模来降低Ge中的TDD，而不是SiO 2掩模，SiO₂掩模远高于Si，并且具有相同的缺点（补充图1b，1c）。Si柱晶种上的Ge生长和退火¹⁶，¹⁷，¹⁸与ART方法相似^，通过高纵横比Ge生长使TD捕获达到<1 x 10⁵/cm²。然而，用于Ge聚结的高温退火在补充图1a-c（补充图1d）中具有相同的缺点。

为了在硅上实现低TDD的Ge外延生长，而不受上述方法的缺点，我们根据迄今为止在SEG Ge生长⁷，^{15，21，22，23}中报告的以下两个关键观察结果，提出了聚结诱导的TDD还原^19，20:1）TD弯曲成垂直于生长表面（通过横截面透射电子显微镜（TEM）观察），2）SEG Ge层的聚结导致在SiO₂掩模上形成半圆柱形空隙。

我们假设TD由于生长表面的成像力而弯曲。在Si上的Ge的情况下，像像力分别在距离自由表面1 nm处产生1.38 GPa和1.86 GPa的螺杆位错和边缘位错的剪切应力¹⁹。计算出的剪切应力明显大于Ge²⁴中报告的60°位错的Peierls应力0.5 GPa。该计算预测了Ge SEG层的TDD减少，并且与SEG Ge增长¹⁹非常吻合。对TD进行TEM观察以了解Si²⁰上所呈现的SEG Ge生长中的TD行为。镜像力诱导的TDD还原没有任何热退火或厚缓冲层，因此更适合光子器件应用。

本文介绍了TDD还原方法的理论计算和实验验证的具体方法。

研究方案

1. 理论计算程序

1. 计算TD的轨迹。在计算中，假设 SEG 掩码足够薄，可以忽略 ART 对 TDD 减少的影响。
   1. 确定生长表面并用方程表示。例如，使用时间演化参数 n = i、SEG Ge 高度 （h i） 和 SEG Ge 半径 （r _i） 表示 SEG Ge 层圆形横截面的时间演变，如补充视频 1a 和等式 （1） 所示:
      
   2. 确定生长表面上任意位置的法线方向。对于圆形截面SEG Ge，将（x i，y_i）处的法线描述为，如补充视频1b所示为红线。然后，通过求解以下联立方程组，从点（x _i ， y i）获得TD（x i + ₁，y_{i + 1}）的边:
      
   3. 根据TD生成的位置（x 0，₀）计算一个TD的轨迹，如补充视频1c所示。换句话说，可以通过上述方法计算任意TD的轨迹。
   4. 假设TD穿透底面并有助于TDD的减少（即，低于SEG Ge层聚结点的TD被半圆柱形空隙捕获并且永远不会出现在顶面）计算TDD。

2. 实验验证程序

1. 赛格面罩准备
   1. 在制造 SEG 掩模之前，通过准备设计文件来定义 Ge 生长区域。在本工作中，使用商业软件（例如AutoCAD）准备与[110]方向对齐的线和空间图案以及宽度为4毫米的方形Si窗口区域。
   2. 使用软件确定SEG掩模（特别是W_窗口和W_掩模）的设计。W 窗口是_窗口宽度（Si 种子宽度），W 掩模是 SiO_{2 掩模}宽度，使得 SEG Ge 层可以与其相邻层合并。通过单击打开的文件→结构→矩形或多段线来绘制矩形来确定 W_窗口和 W_蒙版。
      注意: 矩形的宽度变为 W_窗口，矩形的间隔变为 W_掩码。在本工作中，W_窗口 和W_掩模 的最小值分别为0.5 μm和0.3 μm，这受到所采用的EB光刻系统中分辨率的限制。
   3. 作为参考，绘制宽度为 D 的 4 mm 的方形 Si 窗口区域，视为毯子区域。单击" 打开文件"→结构→矩形或折线 以绘制方形 Si 窗口。使用 图1 所示的原理图准备线和空间图案以及4 mm方形毯区域。
   4. 制备电阻率为1-100 Ω∙cm的B掺杂p-Si（001）衬底。在本工作中，使用4英寸Si基板。必要时用食人鱼溶液（20 mL 30% H 2 O 2 和 80 mL 96% H₂SO₄ 的混合物）清洁基材表面。
   5. 打开管式炉的盖子，使用玻璃棒将硅基板装入炉中。在本工作中，一次氧化10个Si基底。
   6. 通过打开气阀开始将干燥的N₂ 气体吹入炉中。然后，通过控制阀门将气体流量设置为 0.5 L/m。
   7. 通过更改程序设置退火温度。在本工作中，使用"图案步骤（模式2）"并将工艺温度设置为900°C。 然后，通过推送 函数运行→程序。
   8. 当温度达到900°C时，关闭干燥的N₂阀，打开干燥的O 2阀（O 2流量= 1L / m），并保持₂小时。
      注意:在黄色房间中执行步骤 2.1.9-2.1.16。
   9. 使用旋涂机用表面活性剂（OAP）涂覆氧化的Si基底，然后在110°C下在加热板上烘烤90秒。
   10. 表面活性剂涂覆后，使用旋涂机用光刻胶（例如ZEP520A）涂覆Si基底，然后在180°C下在加热板上烘烤5分钟。
   11. 将表面活性剂和光刻胶装入Si基底到电子束（EB）刻录机中。
   12. 在EB编写器中读取设计文件（在步骤2.1.2中准备）并制作操作文件（WEC文件）。在WEC文件中将剂量设置为120μC / cm² 。基板加载完成后，通过单击单个曝光按钮进行EB 曝光 。
   13. 通过单击 晶圆进位 从EB写入器卸载基板→在曝光结束时卸载。
   14. 在通风室中准备光刻胶显影剂（ZED）和冲洗剂（ZMD）。将暴露的Si基底在室温下浸入显影剂中60秒。
   15. 从显影剂上去除Si基底，然后用N₂ 气体干燥基板。
   16. 将显好的Si基板放在加热板上，在110°C下烘烤90秒。
   17. 将Si基底浸入缓冲氢氟酸（BHF-63SE）中1分钟，以去除由于EB暴露和发育而暴露在空气中的部分SiO₂ 层。
   18. 通过浸入有机光刻胶去除剂（例如Hakuri-104）中15分钟，从Si衬底上去除光刻胶。
   19. 将Si衬底浸入0.5%稀释的氢氟酸中4分钟，以去除窗口区域中的稀天然氧化物，但保留SiO₂ 掩膜。然后加载到超高真空化学气相沉积（UHV-CVD）室中以生长Ge。 图2 显示了本工作中使用的UHV-CVD系统。
2. 外延锗生长
   1. 将带有SEG掩模的Si衬底（如步骤2.1中制造）装入负载锁定室。
   2. 在操作计算机上显示的 配方 选项卡中设置缓冲液/主生长温度。确定Ge主要生长的持续时间，以便SEG Ge层与相邻层合并。要确定主要增长的持续时间，请考虑 Ge 在{113}平面上的增长率，它决定了面内/横向方向的增长²⁶。在本工作中，将650°C和700°C的主要生长持续时间分别设置为270分钟和150分钟。
   3. 在主窗口中单击 开始 ，然后将Si衬底自动转移到生长室中。
      注意:外延锗生长方案（步骤2.2.4-2.2.7）将自动处理。
   4. 在低温（≈380°C）下在负载的Si衬底上生长Ge缓冲液。使用在Ar中稀释9%的GeH 4作为源气，并在缓冲液生长期间将GeH₄的分压保持在0.5 Pa。
   5. 在高温下生长Ge主层。在主要生长期间将GeH₄ 的分压保持在0.8 Pa。在本工作中，使用650和700 °C两种不同的温度作为主要生长温度，以便将SEG Ge与圆形截面和{113}面截面²⁵进行比较。
      注意:（001）平面上Ge的生长速率为11.7nm/min，与温度无关。
   6. 为了可视化SEG Ge的演变及其聚结，通过在另一个Si衬底上定期插入10nm厚的Si 0.3 Ge_0.7分界层来进行Ge生长。Si_{0.3 Ge 0.7}层是使用Si₂H₆和_{GeH 4}气体形成的。在Si 0.3 Ge 0.7层生长过程中，将Si₂H₆气体的分压设置为0.02 Pa，将GeH₄气体的分压设置为_0.8Pa。
   7. 当Si衬底自动从生长室转移到负载锁定室时，请排放负载锁定室并手动卸载Si衬底。
3. 蚀刻坑密度 （EPD） 测量
   1. 使用超声波清洗机将 32 mg I₂ 溶解在 67 mL 的 CH₃COOH 中。
   2. 混合I₂溶解的CH 3 COOH，20 mL HNO₃和10 mLHF。
   3. 将锗生长的硅基底浸入CH 3 COOH_/ HNO₃/ HF_{/ I 2}溶液中5-7秒，以形成蚀刻凹坑。
   4. 用光学显微镜（通常为100倍）观察蚀刻的Ge表面，以确保蚀刻的凹坑成功形成。
   5. 使用原子力显微镜（AFM）来计数蚀刻的凹坑。将蚀刻的Ge样品放在AFM载物台上，然后单击自动接近 接近探针。
   6. 使用与AFM集成的光学显微镜确定观察区域，并扫描五个不同的10 μm x 10 μm区域。幅度阻尼因子是自动确定的。
4. 透射电镜观测
   1. 使用聚焦的Ge离子束（FIB微采样方法）从聚结/毯状Ge层中拾取TEM样品²⁷。
   2. 使用氩离子在离子研磨系统中抛光TEM试样。在本工作中，用于横截面观测的TEM试样在[110]方向上为150-500 nm，在[001]方向上将平面视图观测的透视图样品减薄为200 nm。
   3. 对于平面透射电镜试样，用非晶层保护Ge层的顶面，然后从Ge层的底部（基底）侧向下变薄。
   4. 在 200 kV 的加速电压下进行 TEM 观察。执行横截面明场扫描透射电镜 （STEM） 观察，以观察厚 （500 nm） 透射电镜标本。
   5. 对于具有Si_{0.3 Ge 0.7}分界层的聚结Ge，在200 kV的加速电压下进行横截面高角度环形暗场（HAADF）STEM观测。

结果

理论计算

图3显示了6种聚结Ge层中TD的计算轨迹:在这里，我们将孔径比（APR）定义为W窗口/（W_窗口+ W_掩模）。图3a显示了APR = 0.8的圆形SEG原点聚结Ge。在这里，2/6 TD 被困住。图3b显示了APR = 0.8的{113}面SEG原点聚结Ge。在这里，...

讨论

在本工作中，实验显示了4 x 10^{7 /} cm² 的TDD。为了进一步降低TDD，协议中主要有2个关键步骤:SEG掩膜制备和外延Ge生长。

图4所示的模型表明，当APR，W_窗口/（W_窗口+ W_掩模）小至0.1时，TDD可以降低到10⁷ / cm²在聚结Ge中。为了进一步降低TDD，应准备具有较小APR的SEG口罩。如步骤2.1.2所述，W_窗口和W...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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