[논문 리뷰] Thermal stability of SiGe films on an ultra thin Ge buffer layer on Si grown at low temperature

Licheng, 李成외 4명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 01.

Photonic and Optical Devices인용 수 39

한 줄 요약

이 연구는 저온에서 실리콘 기반 기판 위에 초박막 게르마늄 버퍼층을 형성한 SiGe 에피층의 열적 안정성을 조사한다. 저온 성장 공정을 최적화함으로써 저자들은 뛰어난 구조적 품질을 확보하고 결함 형성을 억제하였으며, 이는 SiGe 에피층이 800 °C에서 빠른 열처리 후에도 높은 결정질 품질을 유지함을 보여주었으며, Ge 분할과 투과성 불순물 밀도 증가가 최소화되어 초박막 게르마늄 버퍼의 열내성 향상 효과를 확인하였다.

ABSTRACT

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

연구 동기 및 목표

• 기판 위에 라티스가 일치하는 SiGe 에피층을 형성할 수 있도록 초박막 게르마늄 버퍼층을 실리콘 기판에 저온에서 성장시키는 공정을 개발하기 위해.
• SiGe/Si 이종구조체의 열처리 중 결함 생성 및 상호확산 문제를 해결하기 위해.
• 고온 열처리 후 SiGe 에피층의 구조적 및 표면 형상 안정성을 평가하여 장치 응용에 적합한지를 판단하기 위해.
• 초박막 게르마늄 버퍼층이 열 사이클링 중 투과성 불순물 확산과 Ge 분할을 얼마나 효과적으로 억제하는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 초박막 게르마늄 버퍼층(약 5–10 nm)을 실리콘(001) 기판 위에 저온 분자빔 에pitaxial(저온 MBE)을 사용하여 성장시켰다.
• 라티스 불일치 스트레인과 결함 핵심 형성을 최소화하기 위해, 400 °C 이하의 온도에서 MBE를 이용해 SiGe 에피층을 게르마늄 버퍼층 위에 성장시켰다.
• 장치 공정 조건을 시뮬레이션하고 열적 안정성을 평가하기 위해 800 °C에서 빠른 열처리(RTA)를 실시하였다.
• 결정질 품질, 스트레인 및 결함 밀도를 분석하기 위해 고해상도 X선 회절(HR-XRD) 및 투과전자현미경(TEM)을 이용한 구조적 특성 분석을 수행하였다.
• 열처리 중의 상호확산 및 분할 현상을 탐지하기 위해 러더퍼드 반사분석(RBS)을 이용해 Ge 농도 프로파일을 측정하였다.
• 실험 관측 결과를 해석하고 저온 성장 메커니즘을 검증하기 위해, 스트레인 완화 및 결함 형성에 대한 이론적 모델링을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초박막 게르마늄 버퍼층의 사용이 저온에서 성장한 SiGe 에피층의 열적 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 게르마늄 버퍼층의 저온 성장이 이후 SiGe 층의 투과성 불순물 밀도를 얼마나 감소시키는가?
• RQ3 800 °C에서 고온 열처리 후 SiGe 에피층에서 Ge 분할과 상호확산 정도는 어떠한가?
• RQ4 열처리 후 SiGe 에피층의 구조적 및 조성적 특성은 어떻게 변화하는가? 버퍼층은 이러한 품질 유지에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 초박막 게르마늄 버퍼층(5–10 nm)은 SiGe 에피층에서 오목한 불일치 및 투과성 불순물 밀도 형성을 효과적으로 억제하였으며, 성장 후 투과성 불순물 밀도가 1×10^6 cm⁻² 이하로 낮게 유지되었다.
• 800 °C에서 빠른 열처리 후에도 SiGe 에피층은 높은 결정질 품질을 유지하였으며, X선 회절 로킹 커브의 반폭(FWHM)이 150 arcsec 이하로 유지되어 열적 열화가 최소화됨을 나타내었다.
• RBS 분석 결과, SiGe/게르마늄 인터페이스를 통한 Ge 상호확산이 최소화되었으며, Ge 농도 프로파일은 열처리 후에도 날카운 인터페이스를 유지하고 특별한 분할 현상이 관찰되지 않았다.
• TEM 영상 분석을 통해 열처리 후에도 확장된 결함이 없고, 에피택셜 품질이 그대로 유지되었으며, 미세 균열이나 상분리 현상은 관찰되지 않았다.
• 저온 성장 공정은 게르마늄 버퍼층의 응력 완화를 효과적으로 최소화하여, 라티스 불일치 관련 결함이 최소화된 고품질 SiGe 에피층을 가능케 하였다.
• 초박막 게르마늄 버퍼층과 저온 성장 공정의 조합은 800 °C까지의 열적 안정성을 확보하였으며, 이는 고성능 SiGe 기반 장치에 적합한 이종구조체를 가능케 하였다.