[論文レビュー] Low cost Ge/Si virtual substrate through dislocation trapping by nanovoids

Youcef A. Bioud, Abderraouf Boucherif+4 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2018

Nanowire Synthesis and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、Ge/Siバーチャル基板を低コストで作製するための方法を提示している。Ge層にナノボイドを導入することで、スレッドディスクローション密度（TDD）を著しく低減する。このナノボイドは、不適合ディスクローションを捕らえる有効な障壁として機能し、Si基板上に高品質な緩和Geエpitaxial層を成長可能にし、TDDを1×10⁴ cm⁻²未満にまで低下させる。

ABSTRACT

A low-cost method to reduce the threading disloca-tions density (TDD) in relaxed germanium (Ge) epilayers grown on silicon (Si) substrates is presented. Ge/Si sub-strate was treated with post epitaxial process to create a region with a high density of nanovoids in Ge layer which act as a barrier for threading dislocations propagation .

研究の動機と目的

• グループIV半導体デバイスに適した高品質なGe/Siバーチャル基板を低コストかつスケーラブルに製造するための方法を開発すること。
• Geエpitaxial層をSi基板上に成長させる際の格子不整合に起因する高いスレッドディスクローション密度（TDD）の課題に対処すること。
• 複雑または高価なエpitaxial成長技術やバッファ層を必要とせず、TDDを低減すること。
• 設計されたナノボイドがディスクローション捕獲に有効であることを実証し、Ge/Siヘテロ構造の結晶品質を向上させること。

提案手法

• Si基板上に成長させたGeエpitaxial層を、後エピタキシャル熱アニール処理することでナノボイドを形成する。
• ナノボイドは、熱処理中の制御された欠陥集積によって生成され、Ge層内に高密度のネットワークを形成する。
• ナノボイドは、Ge/Si界面で生成される不適合ディスクローションを吸収するシンクとして機能し、それらがGe層内に拡散するのを防ぐ。
• ディスクローション捕獲メカニズムにより、ディスクローションがナノボイド豊富な領域に閉じ込められ、スレッドディスクローション密度（TDD）が低減する。
• 標準的なSi CMOSプロセスと互換性があり、既存の半導体技術との低コスト統合が可能である。
• 複雑なバッファ層や格子整合基板の必要性を回避し、プロセスの簡素化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノボイドをGeエpitaxial層に効果的に設計することで、スレッドディスクローションを捕獲し、TDDを低減できるか？
• RQ2 Ge/Siバーチャル基板において、ナノボイド工学を用いることで、TDDは最大どれほど低減可能か？
• RQ3 ナノボイドの分布および密度は、ディスクローション捕獲効率にどのように影響するか？
• RQ4 高価な材料や複雑な成長工程を必要とせず、低コストかつCMOSプロセスに適合した方法で実装可能か？
• RQ5 ナノボイド形成後のGe/Siバーチャル基板の構造的および結晶品質はいかがな状態か？

主な発見

• ナノボイド工学プロセスにより、Geエpitaxial層のスレッドディスクローション密度（TDD）が1×10⁴ cm⁻²未満にまで低減された。
• ナノボイドは不適合ディスクローションの有効なシンクとして機能し、それらがGe層内に拡散するのを防ぎ、結晶品質を向上させる。
• 標準的なSiベースのCMOSプロセスと互換性があるため、高品質なバーチャル基板の低コスト製造が可能である。
• 後エピタキシャル熱処理により、Ge層の全体的な構造的整合性を損なわずに高密度のナノボイドが形成された。
• 複雑なバッファ層や格子整合基板の必要性が排除され、大幅な製造コスト削減が実現した。
• 本技術は、グループIV光デバイスおよび電子デバイス用に高品質なGe/Siバーチャル基板を実現するスケーラブルかつ実用的な道筋を示している。