Strukturelle und elektrische Bewertung der Wirkung von Kohlenstoff-Deltaschichten zur Defektreduktion bei der Epitaxie von dünnen, relaxierten Germaniumschichten auf Siliziumsubstraten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die monolithische Integration von Germanium in die Siliziumtechnologie ist ein hochaktuelles Forschungsthema, da neue Anwendungsgebiete erschlossen werden können. Intensive Forschung wird hier im Bereich Anwendung von Germanium in der Optoelektronik sowie als virtuelles Substrat für III-V-Halbleiter und Graphen betrieben. Die Herausforderung ist hierbei das Wachstum von möglichst dünnen und defektarmen Germaniumschichten mit einem zur Siliziumtechnologie kompatiblen Prozess. Der wesentliche Aspekt, den es noch zu überwinden gilt, ist die hohe Menge an Durchstoßversetzungen, die unabdingbar beim Wachstum entstehen aber auch die Leistungsfähigkeit der darauf integrierten Bauelemente beeinflussen. Erste vielversprechende Prozesse, mit denen die Defektdichte drastisch reduziert werden konnten, sind jedoch thermisch oder chemisch inkompatibel mit gängigen Si-CMOS- Technologien. Dementsprechend ist es ein aktuelles Forschungsziel, die Defektdichte zu reduzieren, ohne extreme externe Einflüsse wirken zu lassen. In diesem Forschungsprojekt wurde untersucht, ob sich der Einbau von Kohlenstoff-Deltaschichten während der Germaniumepitaxie generell eignet, um die Ausbreitung der Durchstoß-versetzungen zu beeinflussen und eine Reduktion zu unterstützen. Das grundlegende System der Kohlenstoff-Deltaschichten auf Ge(001)-Oberflächen wurde in umfassenden Experimenten mit einer Vielzahl an Analytikmethoden untersucht. Hier wurden die Oberflächentemperatur während der Bedampfung und die Kohlenstoffmenge als essenzielle Parameter bestimmt. Bei hohen Substrattemperaturen zeigt sich eine thermodynamisch bevorzugte Bildung von {114}-Facetten und die Entstehung von Kohlenstoff-Clustern. Die Bildung dieser Cluster kann kinetisch gehemmt werden, so dass die Kohlenstoffatome lokal im der Germaniumoberfläche eingebaut werden können. Eine maximale Wirkung dieses Einbaus zeigte sich bei einer mittleren Menge von Kohlenstoff, was auf eine optimale Bedeckung der Oberfläche zurückgeführt wurde. Durch die homogene Bedeckung mit einer mittleren Menge Kohlenstoff kann die darauf aufgewachsene Germaniumschicht druckverspannt werden. Es wurde hierbei nachgewiesen, dass sich die Verspannung lokal auf die oberste Germaniumschicht auswirkt. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden verspannte Überstrukturen hergestellt, deren Relaxationsverhalten anschließend temperaturabhängig untersucht wurde. Ein Temperaturfenster zwischen 430 °C < 500 °C wurde hier als ausschlaggebend für die Relaxation ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass die Relaxation über Ausbildung von Stufenversetzungen in der Ebene der Kohlenstoff-Deltaschicht geschieht. Dieser Prozess konnte erstmalig live im Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM) beobachtet werden. Die Ausbildung der Stufensegmente in einer grenzflächennahen Ebene konnte genutzt werden, um in diesen Ebenen die Interaktionswahrscheinlichkeit von Versetzungen zu erhöhen und so eine effektive Reduktion zu realisieren. Diese einfachen Filterstrukturen wurden anschließend auch auf mehreren Ebenen angewandt. Hier wurde erarbeitet, dass die wesentliche Interaktionsmenge in den unteren beiden Kohlenstoff-Ebenen auftritt. Die Versetzungsdichten der gefilterten Strukturen und der Referenzproben wurden mit verschiedenen Verfahren ermittelt und miteinander verglichen. In den multiplen Filterproben konnte eine Reduktion der Durchstoßversetzungsdichte gegenüber den Referenzproben um etwa 30% erzielt werden. Mit diesem Verfahren wurden dünne Germaniumschichten mit den bis dato geringsten Defektdichten hergestellt. Derart hergestellte Schichten fuhren zu einer geringen thermischen Belastung und können mit geringer Schichtdicke gewachsen werden, wodurch sie für eine monolithische Integration in Si-Technologien geeignet sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Highly boron-doped germanium layers on Si(001) grown by carbon-mediated epitaxy. Semicond. Sci. Technol. 33 (2018) 104006
Y. Barnscheidt, J. Schmidt, G. Wetzel, D. Tetzlaff, T. F. Wietler and H.J. Osten
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Carbon-Modified-Germanium-Epitaxy: Filtering Threading Dislocations with Carbon Delta Layers. ECS Transactions. 93 (2019) 67–70
Y. Barnscheidt and H.J. Osten
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Grazing-incidence X-ray diffraction investigation of the coincidence site lattice of the Ge/Si(001) system. Journal of Applied Crystallography. 53 (2020)
Y. Barnscheidt, J. Schmidt and H.J. Osten
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Paving the way to dislocation reduction in Ge/Si(001) heteroepitaxy using C-based strained layer superlattices. Journal of Applied Physics. 128 (2020) 95703
Y. Barnscheidt, M. Franck and H.J. Osten
