[論文レビュー] Thermal stability of SiGe films on an ultra thin Ge buffer layer on Si grown at low temperature

Licheng, 李成+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2010

Photonic and Optical Devices被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、低温で成長した超薄膜Geバッファ層上に成長したSiGe薄膜の熱安定性を調査した。低温度成長プロセスを最適化することで、優れた構造的品質が達成され、欠陥の発生が抑制された。急速熱アニール（800 °C）後でも、Geの相分離が最小限で、ヘリカルディスlocation密度の増加もほとんどなく、SiGe薄膜が高結晶性を維持していることが確認され、超薄膜Geバッファが熱的耐性を向上させることの有効性が裏付けられた。

ABSTRACT

National Basic Research Program of China [2007CB613404]; National Natural Science Foundation of China [60837001]; New Century Excellent Talents in University

研究の動機と目的

• Si基板上に格格一致するSiGeエpitaxial膜を実現するため、超薄膜Geバッファ層の低温成長プロセスを開発すること。
• SiGe/Siヘテロ構造における熱処理中に生じる欠陥生成および相互拡散の課題に取り組むこと。
• デバイス応用への適性を評価するため、高温アニール後のSiGe薄膜の構造的・表面的安定性を評価すること。
• 超薄膜Geバッファが、熱サイクル中のヘリカルディスlocationの伝播およびGeの相分離をどれほど抑制できるかを特定すること。

提案手法

• Si(001)基板上に、超薄膜Geバッファ層（約5–10 nm）を低温分子線エpitaxy（MBE）法で成長させた。
• 格子不一致応力と欠陥核生成を最小限に抑えるために、400 °C未満の温度でMBE法を用いてSiGeエpitaxial膜を成長させた。
• デバイス処理条件を模擬するため、800 °Cで急速熱アニール（RTA）を実施した。
• 結晶性、応力、欠陥密度を分析するために、高分解能X線回折（HR-XRD）および透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて構造的特徴を評価した。
• アニール処理中の相互拡散および相分離を検出するために、Rutherfordバックスキャッタリング分光法（RBS）を用いてGe含有量プロファイルを測定した。
• 実験的観察を解釈し、低温成長メカニズムを検証するために、応力緩和および欠陥形成の理論的モデリングを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超薄膜Geバッファ層の使用が、低温で成長したSiGeエpitaxial膜の熱安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 Geバッファの低温成長が、その後のSiGe層におけるヘリカルディスlocation密度をどれほど低減できるか？
• RQ3 800 °Cでの高温アニール後、SiGe薄膜におけるGeの相分離および相互拡散の程度はどの程度か？
• RQ4 熱処理後のSiGe薄膜の構造的および成分的特性はどのように変化するのか？また、バッファ層は品質の維持にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 超薄膜Geバッファ層（5–10 nm）は、SiGeエpitaxial膜におけるミスフィットおよびヘリカルディスlocationの生成を効果的に抑制し、成長後でも1×10^6 cm⁻²未満の低欠陥密度を維持した。
• 急速熱アニール（800 °C）後でも、SiGe薄膜は高い結晶性を維持しており、XRDロッキングカーブの半値全幅（FWHM）が150 arcsec未満であった。これは劣化がほとんどないことの証明である。
• RBS分析から、SiGe/Ge界面を横切るGeの相互拡散は最小限であり、アニール後も界面が明確に保たれ、顕著な相分離は認められなかった。
• TEM像から、アニール後も拡張欠陥の存在が確認されず、エピタキシャル品質が保持されていることが確認された。微小き裂や相分離の観察はされなかった。
• 低温成長プロセスにより、Geバッファ内の応力緩和が最小限に抑えられ、格子不一致に起因する欠陥が最小限の高品質なSiGeエpitaxial膜が実現した。
• 超薄膜Geバッファと低温成長の組み合わせにより、800 °Cまでの熱安定性が達成され、高機能SiGeベースデバイスに適したヘテロ構造が実現した。