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JP7510139B2 - Method for producing Ge single crystal film - Google Patents

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JP7510139B2 JP2021070283A JP2021070283A JP7510139B2 JP 7510139 B2 JP7510139 B2 JP 7510139B2 JP 2021070283 A JP2021070283 A JP 2021070283A JP 2021070283 A JP2021070283 A JP 2021070283A JP 7510139 B2 JP7510139 B2 JP 7510139B2
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Description

本発明は、Ge単結晶膜の製造方法及びこれを用いた光デバイスに関するものである。 The present invention relates to a method for producing a Ge single crystal film and an optical device using the same.

近年、光半導体デバイスとしてGe(ゲルマニウム)を利用した光デバイスの開発が進んでいる。シリコンフォトニクスの基本光部品は、Si系光導波路とGe受光器であり、これらを同一基板上にモノリシック集積させた小型光モジュールは、通信システムに応用されるものと期待されている。 In recent years, the development of optical devices that use Ge (germanium) as an optical semiconductor device has progressed. The basic optical components of silicon photonics are Si-based optical waveguides and Ge photodetectors, and small optical modules that monolithically integrate these on the same substrate are expected to be applied to communication systems.

Ge受光器の基礎材料であるGe単結晶膜の製造方法に関し、例えば特許文献1には、サブミクロン幅のSiOマスクが繰り返されたSi基板の表面にGeのエピタキシャル成長を行う方法が記載されている。図8に示すように、SiOマスク31が繰り返されたSi基板30の表面にGeのエピタキシャル成長を行うと、Si基板30の露出面からGeが選択的に成長する。結晶成長を継続すると、SiOマスク31上に空洞33を残してGeが横方向に成長し、隣接したGe選択成長層と一体化して連続膜が形成される。この手法を用いると、Si基板30上に貫通転位密度を低減させたGe単結晶薄膜32を熱処理なく形成できる。 Regarding a method for manufacturing a Ge single crystal film, which is a basic material for a Ge photodetector, for example, Patent Document 1 describes a method of epitaxially growing Ge on the surface of a Si substrate on which a submicron-wide SiO 2 mask is repeated. As shown in FIG. 8, when Ge epitaxially grows on the surface of a Si substrate 30 on which a SiO 2 mask 31 is repeated, Ge selectively grows from the exposed surface of the Si substrate 30. When the crystal growth continues, Ge grows laterally leaving a cavity 33 on the SiO 2 mask 31, and is integrated with the adjacent Ge selective growth layer to form a continuous film. By using this method, a Ge single crystal thin film 32 with reduced threading dislocation density can be formed on a Si substrate 30 without heat treatment.

特開2017-98493号公報JP 2017-98493 A

しかしながら、従来法においてGeを連続膜にし、かつ表面を平坦にするには、1.5μm程度の膜厚が必要である。またSiOマスクのない通常のSi基板上へのGe成長と比較して、膜厚が薄くなるため、通常成長に換算して2μm以上のGe膜が必要となる。Geの典型的な結晶成長速度は10nm/minであるため、2μm以上のGe膜を形成するためには4時間以上の結晶成長時間が必要である。 However, in the conventional method, a film thickness of about 1.5 μm is required to make Ge a continuous film and to flatten the surface. In addition, since the film thickness is thinner than that of Ge grown on a normal Si substrate without a SiO2 mask, a Ge film of 2 μm or more is required in terms of normal growth. Since the typical crystal growth rate of Ge is 10 nm/min, a crystal growth time of 4 hours or more is required to form a Ge film of 2 μm or more.

またSiOマスクは10nm程度の薄膜であることが必要である。SiOマスクが厚くなるとGe結晶の横方向成長が阻害され、連続膜を得るためにさらなる長時間の成長が必要となるからである。SiOマスクの厚さは、Geの結晶成長前に行うフッ酸水溶液による処理で低減できるが、フッ酸の濃度や処理時間を精密に管理する必要がある。 In addition, the SiO2 mask must be a thin film of about 10 nm. If the SiO2 mask is too thick, the lateral growth of the Ge crystals is hindered, and a longer growth time is required to obtain a continuous film. The thickness of the SiO2 mask can be reduced by treating it with an aqueous hydrofluoric acid solution before the Ge crystal growth, but the concentration of hydrofluoric acid and the treatment time must be precisely controlled.

光デバイスの応答速度を10GHz以上にするためには、光集積回路の受光器や光強度変調器で使用されるGe単結晶膜の厚さを1μm以下にする必要がある。しかし、従来法により製造された厚いGe単結晶膜ではこのような高速光デバイスに応用できない。SiOマスクをサブミクロン以下へ細線化することも考えられるが、高精度の加工技術が必要である。 In order to increase the response speed of optical devices to 10 GHz or more, it is necessary to reduce the thickness of the Ge single crystal film used in the photoreceiver and optical intensity modulator of optical integrated circuits to 1 μm or less. However, thick Ge single crystal films manufactured by conventional methods cannot be applied to such high-speed optical devices. It is possible to thin the SiO2 mask to submicron or less, but this requires high-precision processing technology.

したがって、本発明の目的は、Ge単結晶の薄い連続膜を従来よりも短い時間で得ることが可能なGe単結晶膜の製造方法及びこれを用いた光デバイスを提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to provide a method for producing a Ge single crystal film that can produce a thin continuous film of Ge single crystal in a shorter time than conventional methods, and an optical device using the same.

上記課題を解決するため、本発明によるGe単結晶膜の製造方法は、シリコンウェーハの表層部を加工してサブミクロン幅のSi細線アレイを形成し、前記Si細線アレイ上にGe単結晶膜を化学気相成長法により形成することを特徴とする。 To solve the above problems, the method for manufacturing a Ge single crystal film according to the present invention is characterized in that the surface layer of a silicon wafer is processed to form a submicron-wide Si nanowire array, and a Ge single crystal film is formed on the Si nanowire array by chemical vapor deposition.

本発明によれば、SiOマスクを用いた従来のGe単結晶膜の製造方法よりも短い成長時間・小さい成長膜厚でGeの連続膜を得ることができる。また、従来法と同様に、SiとGeとの間にある4%の格子不整合によりGe単結晶中に発生する貫通転位密度を熱処理なく低減でき、高品質なGeエピタキシャル膜を形成することができる。 According to the present invention, a continuous Ge film can be obtained with a shorter growth time and smaller grown film thickness than the conventional method for manufacturing a Ge single crystal film using a SiO2 mask. Also, as with the conventional method, the threading dislocation density generated in the Ge single crystal due to the 4% lattice mismatch between Si and Ge can be reduced without heat treatment, and a high-quality Ge epitaxial film can be formed.

本発明において、前記Si細線アレイのライン幅は0.1~1.5μmであることが好ましい。また、前記Si細線アレイのスペース幅は0.1~1.0μmであることが好ましい。Si細線アレイのライン幅が0.1~1.5μmであれば、貫通転位密度が低く、表面が平坦なGe単結晶の連続膜を形成することができる。またSi細線アレイをSi光導波路として利用することができ、小型光モジュールの製造効率を高めることができる。 In the present invention, the line width of the Si nanowire array is preferably 0.1 to 1.5 μm. Also, the space width of the Si nanowire array is preferably 0.1 to 1.0 μm. If the line width of the Si nanowire array is 0.1 to 1.5 μm, a continuous film of Ge single crystal with a low threading dislocation density and a flat surface can be formed. In addition, the Si nanowire array can be used as a Si optical waveguide, which can improve the manufacturing efficiency of small optical modules.

本発明において、前記Ge単結晶膜の厚さは1μm以下であることが好ましい。これにより、応答速度が10GHz以上の光デバイスの作製に好適なGe単結晶膜を提供することができる。 In the present invention, the thickness of the Ge single crystal film is preferably 1 μm or less. This makes it possible to provide a Ge single crystal film suitable for fabricating optical devices with a response speed of 10 GHz or more.

本発明において、前記シリコンウェーハはSi支持基板上に絶縁層を介して上部Si層が形成されたSOIウェーハであり、前記表層部は前記上部Si層であることが好ましい。この場合において、前記上部Si層の厚さは0.1~1.5μmであることが好ましい。SOIウェーハを用いた場合には、Si細線アレイの加工が容易である。さらにSOIウェーハはシリコンフォトニクスを用いた光集積回路の基板材料として好適であり、光源、光導波路、光強度変調器、受光器、光結合器といった様々な光デバイスの高密度集積が可能である。 In the present invention, the silicon wafer is preferably an SOI wafer in which an upper Si layer is formed on a Si support substrate via an insulating layer, and the surface layer is preferably the upper Si layer. In this case, the thickness of the upper Si layer is preferably 0.1 to 1.5 μm. When an SOI wafer is used, it is easy to process a Si nanowire array. Furthermore, SOI wafers are suitable as substrate materials for optical integrated circuits using silicon photonics, and enable high-density integration of various optical devices such as light sources, optical waveguides, optical intensity modulators, photodetectors, and optical couplers.

前記Si細線アレイの形成では、Si細線パターン間の分離溝内にSiが残留しないように前記上部Si層を選択的にエッチングしてもよく、Si細線パターン間の分離溝内にSiが残留するように前記上部Si層を選択的にエッチングしてもよい。前者の場合、Si細線パターン間の分離溝内に空洞が形成されたGe単結晶膜を得ることができる。また後者の場合、Si細線パターン間の分離溝内でもGeの成長が起こるため、Si細線パターン間に空洞がないGe単結晶膜を得ることができる。 In forming the Si nanowire array, the upper Si layer may be selectively etched so that no Si remains in the separation grooves between the Si nanowire patterns, or the upper Si layer may be selectively etched so that Si remains in the separation grooves between the Si nanowire patterns. In the former case, a Ge single crystal film having cavities formed in the separation grooves between the Si nanowire patterns can be obtained. In the latter case, Ge growth also occurs in the separation grooves between the Si nanowire patterns, so that a Ge single crystal film without cavities between the Si nanowire patterns can be obtained.

本発明において、前記シリコンウェーハはバルクシリコンウェーハであってもよい。この場合、Si細線パターン間の分離溝内でもGeの成長が起こるため、Si細線パターン間に空洞がないGe単結晶膜を得ることができる。 In the present invention, the silicon wafer may be a bulk silicon wafer. In this case, Ge growth also occurs in the isolation grooves between the Si nanowire patterns, so that a Ge single crystal film without cavities between the Si nanowire patterns can be obtained.

また、本発明による光デバイスは、Si基板の表層部に形成されたサブミクロン幅のSi細線アレイからなる光導波路アレイと、前記Si細線アレイ上に形成されたGe単結晶膜とを備え、前記Ge単結晶膜はpn接合又はpin接合を含むことを特徴とする。 The optical device according to the present invention is characterized in that it comprises an optical waveguide array consisting of a submicron-width Si nanowire array formed on the surface layer of a Si substrate, and a Ge single crystal film formed on the Si nanowire array, the Ge single crystal film including a pn junction or a pin junction.

本発明によれば、Ge単結晶膜の膜厚を1μm以下にすることができる。したがって、10GHz以上の高速動作が可能な光デバイスを実現できる。 According to the present invention, the thickness of the Ge single crystal film can be reduced to 1 μm or less. Therefore, it is possible to realize an optical device capable of high-speed operation of 10 GHz or more.

本発明によれば、Ge単結晶の薄い連続膜を従来よりも短い時間で得ることが可能なGe単結晶膜の製造方法及びこれを用いた光デバイスを提供することができる。 The present invention provides a method for producing a Ge single crystal film that can produce a thin continuous film of Ge single crystal in a shorter time than conventional methods, and an optical device using the same.

図1(a)乃至(c)は、本発明の第1の実施の形態によるGe単結晶膜の製造方法を示す模式図である。1A to 1C are schematic diagrams showing a method for producing a Ge single crystal film according to a first embodiment of the present invention. 図2(a)及び(b)は、本発明の第2の実施の形態によるGe単結晶膜の製造方法を示す模式図である。2(a) and (b) are schematic diagrams showing a method for producing a Ge single crystal film according to a second embodiment of the present invention. 図3(a)及び(b)は、本発明の実施の形態による光デバイスの構造を示す図であって、(a)は略断面図、(b)は略平面図である。3A and 3B are diagrams showing the structure of an optical device according to an embodiment of the present invention, where (a) is a schematic cross-sectional view and (b) is a schematic plan view. 図4は、実施例1によるGe単結晶膜の断面のSEM画像である。FIG. 4 is a SEM image of a cross section of the Ge single crystal film according to Example 1. 図5は、実施例1によるGe単結晶膜の断面のTEM画像である。FIG. 5 is a TEM image of a cross section of the Ge single crystal film according to Example 1. 図6は、実施例2によるGe単結晶膜の断面のTEM画像である。FIG. 6 is a TEM image of a cross section of the Ge single crystal film according to Example 2. 図7は、比較例によるGe単結晶膜の断面のSEM画像である。FIG. 7 is an SEM image of a cross section of a Ge single crystal film according to a comparative example. 図8は、従来のGe単結晶膜の製造方法を示す模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing a conventional method for producing a Ge single crystal film.

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。 The following describes in detail a preferred embodiment of the present invention with reference to the attached drawings.

図1は、本発明の第1の実施の形態によるGe単結晶膜の製造方法を示す模式図である。 Figure 1 is a schematic diagram showing a method for manufacturing a Ge single crystal film according to a first embodiment of the present invention.

Ge単結晶膜の製造では、まずSOI(Silicon On Insulator)ウェーハ10を用意する(図1(a))。SOIウェーハ10は、Si支持基板11上にBOX(Buried Oxide)層と呼ばれる絶縁層12を介して上部Si層13(Si活性層)が形成されたシリコンウェーハの一種である。上部Si層13の厚さは0.1~1.5μmであることが好ましい。絶縁層12の厚さは特に限定されないが、1~20μmであることが好ましい。 In the manufacture of a Ge single crystal film, first prepare an SOI (Silicon On Insulator) wafer 10 (Figure 1(a)). The SOI wafer 10 is a type of silicon wafer in which an upper Si layer 13 (Si active layer) is formed on a Si support substrate 11 via an insulating layer 12 called a BOX (Buried Oxide) layer. The thickness of the upper Si layer 13 is preferably 0.1 to 1.5 μm. The thickness of the insulating layer 12 is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 μm.

次に、SOIウェーハ10の上部Si層13を加工してサブミクロン幅のSi細線アレイ14を形成する(図1(b))。Si細線アレイ14は、上部Si層13のフォトリソグラフィ及びドライエッチングにより形成することができる。Si細線アレイ14は、面方位が(100)面である上部Si層13の<011>方向に沿って周期的に配列される。 Next, the upper Si layer 13 of the SOI wafer 10 is processed to form a submicron-wide Si nanowire array 14 (FIG. 1(b)). The Si nanowire array 14 can be formed by photolithography and dry etching of the upper Si layer 13. The Si nanowire array 14 is periodically arranged along the <011> direction of the upper Si layer 13, which has a (100) plane orientation.

Si細線アレイ14のライン幅Wは0.1~1.5μmであることが好ましく、0.1~1.0μmであることがさらに好ましい。Si細線パターン14aのライン幅Wが0.1μmよりも小さい場合にはGe単結晶膜の貫通転位密度を低減する効果が非常に小さく、1.5μmよりも大きい場合には表面が平坦なGe単結晶膜を形成することが難しいからである。Si細線アレイ14のスペース幅Wは0.1~1.0μmであることが好ましく、ライン幅Wと等しいか或いはライン幅Wよりも小さいことが特に好ましい。 The line width W1 of the Si fine wire array 14 is preferably 0.1 to 1.5 μm, and more preferably 0.1 to 1.0 μm. This is because if the line width W1 of the Si fine wire pattern 14a is smaller than 0.1 μm, the effect of reducing the threading dislocation density of the Ge single crystal film is very small, and if it is larger than 1.5 μm, it is difficult to form a Ge single crystal film with a flat surface. The space width W2 of the Si fine wire array 14 is preferably 0.1 to 1.0 μm, and particularly preferably equal to or smaller than the line width W1 .

次に、Si細線アレイ14が形成されたSOIウェーハ10の主面にGe単結晶膜15を化学気相成長法により形成する(図1(c))。Ge単結晶膜15はUHV-CVD(Ultra-High Vacuum Chemical Vapor Deposition)法により形成することが好ましく、結晶成長温度(基板温度)は600~700℃であることが好ましい。 Next, a Ge single crystal film 15 is formed by chemical vapor deposition on the main surface of the SOI wafer 10 on which the Si nanowire array 14 is formed (FIG. 1(c)). The Ge single crystal film 15 is preferably formed by UHV-CVD (Ultra-High Vacuum Chemical Vapor Deposition), and the crystal growth temperature (substrate temperature) is preferably 600 to 700°C.

Geのエピタキシャル成長はSi細線パターン14aの表面から縦(膜厚)方向に進行すると共に、横方向にも進行するため、隣り合うGe層が接触すると連続膜になる。Si細線パターン14aの側壁面からのGeの結晶成長は抑制されるため、隣接するSi細線パターン14a,14a間には空洞16(キャビティ)が形成されるが、Geの結晶成長を継続すると、横方向のエピタキシャル成長により表面が平坦な連続膜が得られる。 Epitaxial growth of Ge proceeds vertically (film thickness) from the surface of the Si fine-line pattern 14a, and also horizontally, so that when adjacent Ge layers come into contact, they form a continuous film. Since crystal growth of Ge from the sidewall surface of the Si fine-line pattern 14a is suppressed, a cavity 16 is formed between adjacent Si fine-line patterns 14a, 14a, but if the crystal growth of Ge continues, a continuous film with a flat surface is obtained by epitaxial growth in the horizontal direction.

SiOマスクを使用する従来法において、表面が平坦なGeの連続膜を得るためには1.5μm程度の膜厚が必要であり、特にSiOマスクに覆われていない領域では2.0μm程度の膜厚が必要である。しかし、本発明によれば、表面が平坦なGeの連続膜を従来法よりも短い成長時間・小さい成長膜厚で得ることができる。これは、SiOマスク上のGe単結晶膜内に空洞が形成される従来法に比べて、空洞が形成される位置が下がる効果によるものである。なお、Si細線パターン14aのライン幅Wが広すぎる場合には、Geの連続膜の表面が平坦にならない。Ge成長中に結晶成長速度の遅い(311)ファセット面が広く形成され、このファセット面によって表面が傾斜した状態で安定化するからである。 In the conventional method using a SiO 2 mask, a film thickness of about 1.5 μm is required to obtain a continuous Ge film with a flat surface, and a film thickness of about 2.0 μm is required in the area not covered by the SiO 2 mask. However, according to the present invention, a continuous Ge film with a flat surface can be obtained with a shorter growth time and smaller growth film thickness than the conventional method. This is due to the effect that the position where the cavity is formed is lowered compared to the conventional method in which a cavity is formed in the Ge single crystal film on the SiO 2 mask. Note that if the line width W 1 of the Si fine line pattern 14a is too wide, the surface of the continuous Ge film will not be flat. This is because a (311) facet surface with a slow crystal growth rate is formed widely during Ge growth, and this facet surface stabilizes the surface in an inclined state.

図2(a)及び(b)は、本発明の第2の実施の形態によるGe単結晶膜の製造方法を示す模式図である。 Figures 2(a) and (b) are schematic diagrams showing a method for manufacturing a Ge single crystal film according to a second embodiment of the present invention.

本実施形態によるGe単結晶膜の製造方法は、SOIウェーハ10の上部Si層13を選択的にエッチングしてSi細線アレイ14を形成する際、隣接するSi細線パターン14a,14a間の分離溝14b(Siトレンチ)の底面を構成する絶縁層12の上面を完全に露出させず、絶縁層12の上面に上部Si層13の一部を残留させる点にある(図2(a))。 The method for manufacturing a Ge single crystal film according to this embodiment is such that when the upper Si layer 13 of the SOI wafer 10 is selectively etched to form the Si nanowire array 14, the upper surface of the insulating layer 12 that constitutes the bottom surface of the isolation groove 14b (Si trench) between adjacent Si nanowire patterns 14a, 14a is not completely exposed, but a part of the upper Si layer 13 remains on the upper surface of the insulating layer 12 (Figure 2(a)).

その後、Ge単結晶膜15の形成時には、Si細線パターン14aの上面のみならず分離溝14bの底面からもGeのエピタキシャル成長が進行するため、分離溝14b内はGeで埋まり、空洞16は形成されない(図2(b))。しかし、第1の実施の形態と同様に、表面が平坦なGeの連続膜を従来法よりも短い成長時間・小さい成長膜厚で得ることができる。また、Ge単結晶膜中の転位はGeの横方向のエピタキシャル成長と共に横方向に進展するので、第1の実施の形態と同様に貫通転位密度を低減する効果が得られる。 Then, when the Ge single crystal film 15 is formed, epitaxial growth of Ge proceeds not only from the top surface of the Si fine line pattern 14a but also from the bottom surface of the separation groove 14b, so that the separation groove 14b is filled with Ge and no cavity 16 is formed (FIG. 2(b)). However, as in the first embodiment, a continuous Ge film with a flat surface can be obtained with a shorter growth time and smaller grown film thickness than in the conventional method. In addition, dislocations in the Ge single crystal film progress laterally along with the lateral epitaxial growth of Ge, so that the effect of reducing the threading dislocation density can be obtained as in the first embodiment.

上記Ge単結晶膜が形成されたシリコンウェーハを用いて光デバイスを製造する場合、Si細線パターンは光導波路として機能し、Ge単結晶膜は光導波路に接続された光源、光変調器、受光器等の光デバイスとして加工される。例えばGe受光器は、Ge単結晶膜をパターニングした後、Ge単結晶膜の上面の一部にイオン注入を行い、pn接合を形成することにより実現できる。 When optical devices are manufactured using a silicon wafer on which the Ge single crystal film is formed, the Si nanowire pattern functions as an optical waveguide, and the Ge single crystal film is processed into optical devices such as a light source, optical modulator, and photoreceiver connected to the optical waveguide. For example, a Ge photoreceiver can be realized by patterning the Ge single crystal film, then implanting ions into part of the upper surface of the Ge single crystal film to form a pn junction.

図3(a)及び(b)は、本発明の実施の形態による光デバイスの構造を示す図であって、(a)は略断面図、(b)は略平面図である。 Figures 3(a) and (b) show the structure of an optical device according to an embodiment of the present invention, where (a) is a schematic cross-sectional view and (b) is a schematic plan view.

図3(a)及び(b)に示すように、この光デバイス20は、図1(c)に示したGe単結晶膜15を加工してSi細線パターン14a上にGe受光器21を形成したものである。上記のように、Si支持基板11(Si基板)上には絶縁層12を介してSi細線アレイ14が形成されており、Si細線アレイ14は光導波路アレイを構成している。Si細線アレイ14を構成する複数のSi細線パターン14aの各々はSi光導波路として機能する。このように、Si細線アレイ14は単にGeの結晶成長に利用されるだけでなく、実際に光デバイスの一部として機能するものである。 As shown in Figures 3(a) and (b), this optical device 20 is formed by processing the Ge single crystal film 15 shown in Figure 1(c) to form a Ge photodetector 21 on the Si fine-line pattern 14a. As described above, the Si fine-line array 14 is formed on the Si support substrate 11 (Si substrate) via the insulating layer 12, and the Si fine-line array 14 constitutes an optical waveguide array. Each of the multiple Si fine-line patterns 14a that constitute the Si fine-line array 14 functions as a Si optical waveguide. In this way, the Si fine-line array 14 is not simply used for Ge crystal growth, but actually functions as part of the optical device.

またパターニングされたGe単結晶膜15はSi光導波路に接続されたGe受光器21を構成している。Ge単結晶膜15にはp型不純物領域15p及びn型不純物領域15nが設けられており、これによりpin接合が横方向に形成されている。p型不純物領域15p及びn型不純物領域15nはGe単結晶膜15の所定の領域にp型ドーパント及びn型ドーパントをそれぞれイオン注入することにより形成することができる。Ge受光器21は図示の構造に限定されず、種々の構造を採用することができる。 The patterned Ge single crystal film 15 also constitutes a Ge photodetector 21 connected to a Si optical waveguide. A p-type impurity region 15p and an n-type impurity region 15n are provided in the Ge single crystal film 15, thereby forming a pin junction in the lateral direction. The p-type impurity region 15p and the n-type impurity region 15n can be formed by ion implantation of p-type dopants and n-type dopants, respectively, into predetermined regions of the Ge single crystal film 15. The Ge photodetector 21 is not limited to the structure shown in the figure, and various structures can be adopted.

以上説明したように、本実施形態によるGe単結晶膜の製造方法は、サブミクロン幅のSi細線アレイ14上にGe単結晶膜15を化学気相成長法によりエピタキシャル成長させるので、Ge単結晶の薄い連続膜を従来よりも短い時間で形成することができる。また、従来と同様に、貫通転位密度が低減された高品質なGe単結晶薄膜を得ることができる。 As described above, the method for manufacturing a Ge single crystal film according to this embodiment epitaxially grows the Ge single crystal film 15 on the submicron-wide Si nanowire array 14 by chemical vapor deposition, so that a thin continuous film of Ge single crystal can be formed in a shorter time than in the past. Also, as in the past, a high-quality Ge single crystal thin film with reduced threading dislocation density can be obtained.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention, and it goes without saying that these are also included within the scope of the present invention.

例えば、上記実施形態においてはSOIウェーハ上にGe単結晶膜を形成したが、本発明はSOIウェーハを用いる場合に限定されず、例えばバルクシリコンウェーハを用いることも可能である。この場合、バルクシリコンウェーハの表層部をサブミクロン幅の細線アレイに加工し、その上にGeをエピタキシャル成長させることにより、第2の実施の形態と同様に空洞のないGeの連続膜を形成できる。 For example, in the above embodiment, a Ge single crystal film is formed on an SOI wafer, but the present invention is not limited to the use of an SOI wafer, and it is also possible to use, for example, a bulk silicon wafer. In this case, the surface layer of the bulk silicon wafer is processed into a fine line array with a submicron width, and Ge is epitaxially grown on the array, thereby forming a continuous Ge film without voids, as in the second embodiment.

また、図3に示した光デバイス20はGe単結晶膜15をGe受光器として加工した例であるが、Ge単結晶膜を光変調器とすることも可能であり、Ge受光器に限定されるものではない。 The optical device 20 shown in Figure 3 is an example in which the Ge single crystal film 15 is processed into a Ge optical receiver, but the Ge single crystal film can also be used as an optical modulator, and is not limited to being a Ge optical receiver.

(実施例1)
面方位が(100)面であるSOIウェーハの上部Si層を細線状に加工して、<011>方向に延在するSi細線アレイ(ラインアンドスペースパターン)を形成した。SOIウェーハの上部Si層の厚さは0.22μm、絶縁層の厚さは3μmとした。Si細線アレイの形成はフォトリソグラフィ及びドライエッチングにより行い、Si細線アレイのライン幅及びスペース幅を0.5μmとし、Si細線パターン間の分離溝には上部Si層の残留がなく、SiO絶縁層の上面が露出した構造とした。
Example 1
The upper Si layer of the SOI wafer with a (100) surface orientation was processed into a fine line shape to form a Si fine line array (line and space pattern) extending in the <011> direction. The thickness of the upper Si layer of the SOI wafer was 0.22 μm, and the thickness of the insulating layer was 3 μm. The Si fine line array was formed by photolithography and dry etching, the line width and space width of the Si fine line array were 0.5 μm, and the upper Si layer did not remain in the separation groove between the Si fine line patterns, and the upper surface of the SiO 2 insulating layer was exposed.

次に、Si細線アレイが形成されたSOIウェーハ上にGeをUHV-CVD法により形成した。原料ガスにはGeHを用い、700℃の基板温度でGeのエピタキシャル成長を行った。Geの結晶成長は、Si細線アレイのない平面領域で1.0μmのGe単結晶膜が得られる条件下で行った。 Next, Ge was formed by UHV-CVD on the SOI wafer with the Si nanowire array formed on it. GeH4 was used as the source gas, and Ge epitaxial growth was performed at a substrate temperature of 700°C. The Ge crystal growth was performed under conditions that allowed a Ge single crystal film of 1.0 μm to be obtained on the flat area without the Si nanowire array.

こうして得られたGe単結晶膜の断面をSEMにより観察した。その結果、図4に示すように、厚さが0.8μmのGe連続膜を形成することができ、Ge連続膜の表面は平坦面となった。またSi細線間には空洞が形成されていた。 The cross section of the Ge single crystal film thus obtained was observed by SEM. As a result, as shown in Figure 4, a Ge continuous film with a thickness of 0.8 μm was formed, and the surface of the Ge continuous film was flat. In addition, cavities were formed between the Si nanowires.

実施例1によるGe単結晶膜の断面をTEMにより観察した。その結果、図5に示すように、Si細線の側壁や空洞に転位が引き込まれる傾向が確認された。 The cross section of the Ge single crystal film of Example 1 was observed by TEM. As a result, as shown in Figure 5, it was confirmed that dislocations tend to be drawn into the side walls and cavities of the Si nanowires.

次に、Ge単結晶膜を貫通する転位の密度を評価した。Ge単結晶膜の表面をHF/HNO/CHCOOH/I混合液でエッチングし、表面に形成されるエッチピット密度から貫通転位密度を求めた。その結果、実施例1によるGe単結晶膜の貫通転位密度は1.2×10cm-2であった。これは細線パターンのないSi平面上に形成したGe単結晶膜の貫通転位密度(2.4×10cm-2)の約半分の値であった。この結果から、本発明は従来法と同様に、SiとGeとの間にある4%の格子不整合によって発生する貫通転位密度低減でき、熱処理なしで高品質なGe単結晶膜が得られることが分かった。 Next, the density of dislocations penetrating the Ge single crystal film was evaluated. The surface of the Ge single crystal film was etched with a mixed solution of HF/HNO 3 /CH 3 COOH/I 2 , and the threading dislocation density was obtained from the density of etch pits formed on the surface. As a result, the threading dislocation density of the Ge single crystal film according to Example 1 was 1.2×10 8 cm −2 . This was about half the threading dislocation density (2.4×10 8 cm −2 ) of the Ge single crystal film formed on a Si plane without a fine line pattern. From this result, it was found that the present invention can reduce the threading dislocation density caused by the 4% lattice mismatch between Si and Ge, as in the conventional method, and a high-quality Ge single crystal film can be obtained without heat treatment.

(実施例2)
Si細線パターン間の分離溝内に上部Si層の一部が極薄く残留するようにドライエッチングの時間を僅かに短くした点以外は実施例1と同様にSOIウェーハの上部Si層を加工してSi細線アレイを形成した。その後、実施例1と同一条件下でGe連続膜を形成した。
Example 2
The upper Si layer of the SOI wafer was processed to form a Si nanowire array in the same manner as in Example 1, except that the dry etching time was slightly shortened so that a very thin portion of the upper Si layer remained in the isolation grooves between the Si nanowire patterns. Then, a Ge continuous film was formed under the same conditions as in Example 1.

こうして得られたGe単結晶膜の断面をSEMにより観察した。その結果、実施例1と同様に、厚さが約0.8μmのGe連続膜を形成することができ、Ge連続膜の表面は平坦面となった。さらに、Si細線間に空洞が形成されず、Si細線間にGeが埋め込まれた状態となった。 The cross section of the Ge single crystal film thus obtained was observed by SEM. As a result, as in Example 1, a Ge continuous film with a thickness of approximately 0.8 μm was formed, and the surface of the Ge continuous film was flat. Furthermore, no cavities were formed between the Si nanowires, and Ge was embedded between the Si nanowires.

実施例2によるGe単結晶膜の断面をTEMにより観察した。その結果、図6に示すように、Si細線の側壁に転位が引き込まれる傾向が維持されることが分かった。すなわち、Si細線アレイを形成した場合には、分離溝内の空洞の有無によらず貫通転位の低減効果が認められた。またこの結果から、SOIウェーハに限らず、Si細線パターン間にSi表面が表れるバルクシリコンウェーハにおいても貫通転位密度の低減効果があることが確認された。 The cross section of the Ge single crystal film of Example 2 was observed by TEM. As a result, as shown in FIG. 6, it was found that the tendency for dislocations to be drawn into the side walls of the Si fine wires was maintained. In other words, when a Si fine wire array was formed, the effect of reducing threading dislocations was confirmed regardless of the presence or absence of cavities in the separation grooves. Furthermore, from these results, it was confirmed that the effect of reducing threading dislocation density was not limited to SOI wafers, but also in bulk silicon wafers in which the Si surface appears between the Si fine wire patterns.

(比較例)
Si細線アレイのライン幅を1.5μmとした点以外は実施例1と同一条件下でGe単結晶膜を形成した。その結果、図7に示すように、Si細線パターン間に空洞を有する厚さが約1.0μmのGe連続膜を形成することができた。しかし、Ge連続膜の表面は平坦面とならず、凹凸面となった。Ge連続膜の厚さは、Si細線パターンの中央で最大、Si細線間の分離溝で最小となった。
Comparative Example
A Ge single crystal film was formed under the same conditions as in Example 1, except that the line width of the Si fine-wire array was set to 1.5 μm. As a result, as shown in FIG. 7, a Ge continuous film with a thickness of about 1.0 μm and cavities between the Si fine-wire patterns could be formed. However, the surface of the Ge continuous film was not flat, but was uneven. The thickness of the Ge continuous film was maximum at the center of the Si fine-wire pattern and minimum at the separation grooves between the Si fine wires.

なお比較例ではSi細線アレイのライン幅を1.5μmとした点以外は実施例1と同一の結晶成長条件にしたため、Ge単結晶膜の表面を平坦面にできなかったが、Si細線アレイのライン幅が1.5μm程度であれば、結晶成長温度や炉内圧などの結晶成長条件を調整することで平坦化が可能と思われる。 In the comparative example, the crystal growth conditions were the same as in Example 1 except that the line width of the Si nanowire array was 1.5 μm, so the surface of the Ge single crystal film could not be made flat. However, if the line width of the Si nanowire array is about 1.5 μm, it is believed that flattening can be achieved by adjusting the crystal growth conditions, such as the crystal growth temperature and furnace pressure.

10 SOIウェーハ
11 Si支持基板
12 絶縁層
13 上部Si層
14 Si細線アレイ
14a Si細線パターン
14b 分離溝
15 Ge単結晶膜
15n n型不純物領域
15p p型不純物領域
16 空洞
20 光デバイス
21 受光器
30 Si基板
31 SiOマスク
32 Ge単結晶薄膜
33 空洞
REFERENCE SIGNS LIST 10 SOI wafer 11 Si support substrate 12 Insulating layer 13 Upper Si layer 14 Si fine-wire array 14a Si fine-wire pattern 14b Isolation groove 15 Ge single crystal film 15n n-type impurity region 15p p-type impurity region 16 Cavity 20 Optical device 21 Photodetector 30 Si substrate 31 SiO2 mask 32 Ge single crystal thin film 33 Cavity

Claims (4)

シリコンウェーハの表層部を加工してSi細線アレイを形成し、
前記Si細線アレイ上にGe単結晶膜を化学気相成長法により形成し、
前記シリコンウェーハはSi支持基板上に絶縁層を介して上部Si層が形成されたSOIウェーハであり、
前記表層部は前記上部Si層であり、
前記Si細線アレイのライン幅は0.1~1.5μmであり、
前記Si細線アレイの形成では、Si細線パターン間の分離溝内にSiが残留するように前記上部Si層を選択的にエッチングすることを特徴とするGe単結晶膜の製造方法。
A surface layer of a silicon wafer is processed to form a silicon nanowire array ;
forming a Ge single crystal film on the Si nanowire array by chemical vapor deposition;
The silicon wafer is an SOI wafer in which an upper Si layer is formed on a Si support substrate via an insulating layer,
the surface layer portion is the upper Si layer,
The line width of the Si nanowire array is 0.1 to 1.5 μm,
In forming the Si nanowire array, the upper Si layer is selectively etched so that Si remains in the isolation grooves between the Si nanowire patterns.
前記Si細線アレイのスペース幅は0.1~1.0μmである、請求項1に記載のGe単結晶膜の製造方法。 2. The method for producing a Ge single crystal film according to claim 1 , wherein the space width of said Si nanowire array is 0.1 to 1.0 μm. 前記Ge単結晶膜の厚さは1μm以下である、請求項1又は2に記載のGe単結晶膜の製造方法。 3. The method for producing a Ge single crystal film according to claim 1 , wherein the Ge single crystal film has a thickness of 1 [mu]m or less. 前記上部Si層の厚さは0.1~1.5μmである、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のGe単結晶膜の製造方法。 4. The method for producing a Ge single crystal film according to claim 1 , wherein the upper Si layer has a thickness of 0.1 to 1.5 μm.
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