Strain engineering in Si, Ge and SiGe alloys

The need for an increase in the performance of microelectronic devices has pushed the traditional silicon-based architectures to their limits. One possible way to overcome these limits is identified in the use of strain engineering, which allows the control of the band structure of semiconductors. The use of thick films in hindered by the nucleation of dislocations, which decrease the performance of the devices, however using the dislocation engineering method it is possible to govern the nucleation and the propagation of dislocations at the nanoscale level. Regarding the problem of strain control, a suitable nanopatterning of the SiGe layer induces, through the generation of edge forces, a compressive or a tensile strain, respectively for a Si or a Ge substrate. SiGe films were deposited by low-energy plasma-enhanced chemical vapor deposition (LEPECVD). SiGe nanostressors were realized by electron beam lithography (EBL) and reactive ion etching (RIE). Scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) were used to characterize the obtained structures. μRaman spectroscopy was used in order to study the strain state of a SiGe-on-Si system. Using finite element method simulations (FEM), it was possible to demonstrate that the strain induced in the substrate depends on the ratio between the width and the spacing of the stripes. Afterwards, the SiGe-on-Ge case was considered. In this case the goal was a uniaxial tensile strain higher than 4% in order to induce the transition to a direct band gap in the germanium. A simplified numerical model, was developed to describe the strain relaxation process of tensile SiGe on Ge and to find the optimum conditions for the growth of a metastable film. Also in this case the strain depends on the spacing between the stripes, and the obtained strain is higher than 4%. This strain can be enhanced using SiGe/Ge membranes, which were obtained using wet etching processes (TMAH and KOH) which preserve the SiGe layer, leading to the realization of high quality surfaces. These samples were analyzed by μRaman spectroscopy, then SiGe stressors were fabricated from the SiGe layer. Regarding dislocation engineering, a new method of controlling the dislocations was developed. Suitable patterns, realized by EBL, provided a controlling effect on the propagation of dislocations in an epitaxial SiGe film grown on the patterned Si substrate. The pattern was a matrix of inverted pyramid aligned along the <110> directions. In this way, it was possible to control the propagation of dislocations along the pit rows. The ability to confine dislocations and obtain areas without dislocations is an important target for the development of more efficient technologies, in fact in this way the dislocations are confined away from the active parts of the devices. A systematic study of different parameters (e.g. the Ge content) was performed to find the optimum conditions. All the samples were characterized by AFM. This control effect was not confined only within the pattern but extended over 20 μm outside the pattern, giving rise to areas in which dislocations ran in only one direction. The samples were studied by μRaman spectroscopy and nano X-ray diffraction. This is the first case where μRaman spectroscopy was used for the direct visualization of the dislocations present in a film. Finally, the samples were characterized using TEM analysis in order to investigate the nature of the defects.

La necessità di migliorare le prestazioni dei dispositivi microelettronici ha spinto le tradizionali architetture basate su silicio ai i loro limiti. Un possibile modo per superare questi limiti è stato identificato nell'uso dello “strain engineering”, che permette il controllo della struttura a bande dei semiconduttori. L'uso di film spessi è ostacolato dalla nucleazione di dislocazioni, che peggiorano le prestazioni dei dispositivi, tuttavia con il metodo del “dislocation engineering” è possibile governare la nucleazione e la propagazione di dislocazioni a livello nanometrico. Per quanto riguarda il problema del controllo dello strain, un adeguato nano-patterning dello strato di SiGe induce, attraverso la generazione di forze localizzate, una compressione o espansione, rispettivamente per un substrato di Si o di Ge. Film di SiGe sono stati depositati con la tecnica di low-energy plasma-enhanced chemical vapor deposition (LEPECVD). Nano-stressori di SiGe sono stati realizzati con litografia a fascio di elettroni (EBL) e con un attacco via plasma (RIE). Le tecniche di microscopia elettronica a scansione (SEM) e di microscopia a forza atomica (AFM) sono state usate per caratterizzare le strutture ottenute. La spettroscopia μRaman è stato utilizzata per studiare lo stato di strain di un sistema “SiGe-on-Si”. Utilizzando simulazioni a elementi finiti (FEM), è stato possibile dimostrare che la deformazione indotta nel substrato dipende dal rapporto tra la larghezza e la spaziatura delle strisce. Successivamente, il caso “SiGe-on-Ge” è stato considerato. In questo caso l'obiettivo era uno strain tensile monoassiale superiore al 4% per indurre la transizione del germanio ad un band gap diretta. Un modello numerico semplificato è stato sviluppato per descrivere il processo di rilassamento dello strain tensile del SiGe su Ge e per trovare le condizioni ottimali per la crescita di un film metastabile. Anche in questo caso la deformazione dipende dalla spaziatura tra le strisce, e il strain ottenuto è superiore al 4%. Questo strain può essere migliorato utilizzando membrane di SiGe/Ge, che sono state ottenute mediante attacchi chimici (TMAH e KOH) che conservano lo strato di SiGe, portando alla realizzazione di superfici di alta qualità. Questi campioni sono stati analizzati mediante spettroscopia μRaman, in seguito gli stressori di SiGe sono stati realizzati sulla membrana di Ge. Per quanto riguarda il “dislocation engineering”, è stato sviluppato un nuovo metodo di controllo delle dislocazioni. La realizzazione di pattern adeguati con litografia elettronica, ha garantito il controllo sulla propagazione di dislocazioni in un film di SiGe epitassiale cresciuto sul substrato di Si. Il pattern era una matrice di piramidi invertite allineate lungo le direzioni <110>. In questo modo, è stato possibile controllare la propagazione di dislocazioni lungo le linee fra le piramidi. La possibilità di ottenere aree prive di dislocazioni è un obiettivo importante per lo sviluppo di tecnologie più efficienti, infatti in questo modo le dislocazioni sono confinate lontano dalle parti attive dei dispositivi. Uno studio sistematico di diversi parametri (ad esempio il contenuto di Ge) è stato eseguito per trovare le condizioni ottimali. Tutti i campioni sono stati caratterizzati mediante AFM. Questo effetto di controllo non era limitato solo all'interno del pattern ma si estende per 20 μm fuori dal pattern, dando luogo a zone in cui le dislocazioni si propagavano in una sola direzione. I campioni sono stati studiati mediante spettroscopia μRaman e nano diffrazione di raggi X. Questo è il primo caso in cui la spettroscopia μRaman stata utilizzata per la visualizzazione diretta delle dislocazioni presenti in un film. Infine, i campioni sono stati caratterizzati mediante analisi di microscopia a trasmissione elettronica (TEM) per indagare la natura dei difetti.