(57)【要約】層状構造を成長させるためのシステムおよび方法が、本明細書に説明される。層状構造は、第１の格子定数を有する、第１のゲルマニウム基板層と、第２の格子定数を有し、第１のゲルマニウム基板層にわたってエピタキシャルに成長される、第２の層であって、第１の成分と、第２の成分との複合物を有し、第１の成分と第２の成分との間に第１の比を有する、第２の層と、第３の格子定数を有し、第２の層にわたってエピタキシャルに成長される、第３の層であって、第３の成分と、第４の成分との複合物を有し、第３の成分と第４の成分との間に第２の比を有し、第１の比および第２の比は、第１の格子定数が、第２の格子定数と第３の格子定数との間であるように選択される、第３の層とを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
層状構造であって、
第１の格子定数を有する第１のゲルマニウム基板層と、
第２の格子定数を有し、前記第１のゲルマニウム基板層にわたってエピタキシャルに成長される第２の層であって、前記第２の層は、第１の成分と、第２の成分との複合物を有し、前記第１の成分と前記第２の成分との間に第１の比を有する、第２の層と、
第３の格子定数を有し、前記第２の層にわたってエピタキシャルに成長される第３の層であって、前記第３の層は、第３の成分と、第４の成分との複合物を有し、前記第３の成分と前記第４の成分との間に第２の比を有し、
前記第１の比および前記第２の比は、前記第１の格子定数が、前記第２の格子定数と前記第３の格子定数との間であるように選択される、第３の層と
を備える、層状構造。
【請求項２】
前記第１の成分は、前記第３の成分と同一であり、前記第２の成分は、前記第４の成分と同一である、請求項１に記載の層状構造。
【請求項３】
前記第１の成分は、前記第３の成分と異なる、請求項１に記載の層状構造。
【請求項４】
前記第１の成分、前記第２の成分、前記第３の成分、または前記第４の成分は、ＡｌＰと、ＧａＰと、ＩｎＰと、ＡｌＡｓと、ＧａＡｓと、ＩｎＡｓと、ＡｌＳｂと、ＧａＳｂと、ＩｎＳｂとから成る群から選択されるＩＩＩ−Ｖ族二元合金である、請求項１に記載の層状構造。
【請求項５】
前記第２の層は、第１の厚さを有し、前記第３の層は、第３の厚さを有し、前記第１の厚さおよび前記第３の厚さは、少なくとも部分的に、前記第１の厚さと、前記第２の厚さと、隣接する層間の格子定数差とによって定義される前記層状構造内の全歪みが、ゼロに近接するように選定される、請求項１に記載の層状構造。
【請求項６】
前記第３の層にわたって成長される前記第２の層および前記第３の層の繰り返しをさらに備える、請求項１に記載の層状構造。
【請求項７】
前記層状構造は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）エピタキシャルウエハとして実装される、請求項１に記載の層状構造。
【請求項８】
ＶＣＳＥＬエピタキシャルウエハは、１０μｍ未満の撓み測定値を有する、請求項７に記載の層状構造。
【請求項９】
前記第１のゲルマニウム基板層は、単一のゲルマニウムウエハであり、前記単一のゲルマニウムウエハの上側表面の格子定数は、バルクゲルマニウム基板と同等である、請求項１に記載の層状構造。
【請求項１０】
前記第１のゲルマニウム基板層は、シリコン層上にある酸化物層上にゲルマニウムウエハを含み、
前記ゲルマニウムウエハの上側表面の格子定数は、バルクゲルマニウム基板と同等である、
請求項１に記載の層状構造。
【請求項１１】
前記第１のゲルマニウム基板層は、シリコン層上にゲルマニウムウエハを含み、
前記ゲルマニウムウエハの上側表面の格子定数は、バルクゲルマニウム基板と同等である、
請求項１に記載の層状構造。
【請求項１２】
前記第１のゲルマニウム基板層は、２つのゲルマニウム副層間に１つ以上の多孔性のゲルマニウム副層を含み、
前記第２の層に隣接する前記第１のゲルマニウム基板層の上側表面の格子定数は、バルクゲルマニウム基板の格子定数と同等である、
請求項１に記載の層状構造。
【請求項１３】
前記第１のゲルマニウム基板層は、第１のゲルマニウム部分と、前記第１のゲルマニウム部分と空間的に重複しない第２のゲルマニウム部分とを有する、パターン化されたゲルマニウムウエハを含み、
前記パターン化されたゲルマニウムウエハ内の第１の領域または第２の領域の上側表面の格子定数は、バルクゲルマニウム基板と同等である、
請求項１に記載の層状構造。
【請求項１４】
前記第１のゲルマニウム基板層は、ゲルマニウムウエハにわたって成長されるゲルマニウムスズ（ＧｅｘＳｎ１−ｘ、０≦ｘ≦１）ウエハの層状構造を含む、請求項１に記載の層状構造。
【請求項１５】
前記第１のゲルマニウム基板層にわたって成長されるエピタキシャルゲルマニウム層であって、前記エピタキシャルゲルマニウム層は、埋込素子をホストするために使用され、前記埋込素子は、ゲルマニウムＡＰＤと、ＧａＡｓ  ＰＩＮと、ゲルマニウムトランジスタとから成る群から選択される、エピタキシャルゲルマニウム層
をさらに備える、請求項１に記載の層状構造。
【請求項１６】
第２のゲルマニウム層であって、前記第２のゲルマニウム層は、前記第１の格子定数を有し、前記第３の層の真上または間接的にその上方にある、第２のゲルマニウム層と、
第４の層であって、前記第４の層は、前記第２のゲルマニウム層にわたってエピタキシャルに成長される前記第１の成分と、前記第２の成分とを有し、
前記第４の層の中の前記第１の成分と前記第２の成分との間の第３の比は、前記第２のゲルマニウム層の下方の層からの全歪みを相殺するために使用される前記第４の層の第３の格子定数を提供するために選定される、第４の層と
をさらに備える、請求項１に記載の層状構造。
【請求項１７】
層状構造を成長させるための方法であって、
第１の格子定数を有する第１のゲルマニウム基板層を取得することと、
前記第１のゲルマニウム基板層にわたって、第２の格子定数を有する第２の層をエピタキシャルに構成することであって、前記第２の層は、第１の成分と、第２の成分との複合物を有し、前記第１の成分と前記第２の成分との間に第１の比を有する、ことと、
前記第２の層にわたって、第３の格子定数を有する第３の層をエピタキシャルに構成することであって、前記第３の層は、第３の成分と、第４の成分との複合物を有し、前記第３の成分と前記第４の成分との間に第２の比を有し、
前記第１の比および前記第２の比は、前記第１の格子定数が、前記第２の格子定数と前記第３の格子定数との間であるように選択される、ことと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記第３の層の真上または間接的にその上方にある前記第１の格子定数を有する第２のゲルマニウム層を構成することと、
前記第２のゲルマニウム層にわたってエピタキシャルに成長される前記第１の成分と、前記第２の成分とを有する第４の層を構成することであって、
前記第４の層内の前記第１の成分と前記第２の成分との間の第３の比は、前記第２のゲルマニウム層の下方の層からの全歪みを相殺するために使用される前記第４の層の第３の格子定数を提供するために選定される、ことと
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の層は、第１の厚さを有し、前記第３の層は、第３の厚さを有し、前記第１の厚さおよび前記第３の厚さは、少なくとも部分的に、前記第１の厚さと、前記第２の厚さと、隣接する層間の格子定数差とによって定義される前記層状構造内の全歪みが、ゼロに近接するように選択される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１のゲルマニウム基板層は、第１のゲルマニウム部分と、前記第１のゲルマニウム部分に空間的に重複しない第２のゲルマニウム部分とを有するパターン化されたゲルマニウムウエハを含み、
前記パターン化されたゲルマニウムウエハ内の第１の領域または第２の領域の上側表面の格子定数は、バルクゲルマニウム基板と同等である、
請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、その両方とも、参照することによってそれらの全体として本明細書に組み込まれる、２０１７年１１月２２日に出願された、米国仮特許出願第６２／５８９，９９４号、および２０１７年１２月１９日に出願された、米国仮特許出願第６２／６０７，８５７号の３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．  §１１９（ｅ）下の利益を主張する。
【０００２】
本願は、半導体構造の歪みを平衡させるための、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板またはエピタキシャル層の使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、半導体構造の上面から垂直のレーザビーム放射を伴うタイプの半導体レーザダイオードである。６５０ｎｍ〜１，３００ｎｍの波長のためのＶＣＳＥＬは、典型的には、ヒ化ガリウム（ＧａＡ）と、アルミニウムヒ化ガリウム（ＡｌｘＧａ（１−ｘ）  Ａｓ）とから形成される分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を伴う、ＧａＡｓ基板上に成長される。本ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓシステムは、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（広い範囲のｘに関して）が、通常、ＧａＡｓ基板との構成整合として見なされるため、広く使用されている。より複雑な設計を伴う次世代ＶＣＳＥＬは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓシステム内の想定される格子整合が、より高レベルの結晶欠陥に起因してもはや許容不可能である、より厚いエピスタック、およびスタックの増加された厚さによって引き起こされる、増加されたウエハ撓みにつながるであろう。本状況は、格子不整合が、厚いスタック内で増加される一方、より長い波長を移動させるための要求が、層厚を増加させ得るため、ＧａＡｓおよびＡｌＡｓを組み込む設計によって悪化する。厚さの増加は、基板と基板にわたって成長される他の層との間に増加された全格子不整合を生じさせ、半導体構造内の増加された歪みにつながり得る。歪みおよび格子不整合は、ＶＣＳＥＬの安定性を低減させる、半導体ウエハ内の撓みに寄与する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
半導体構造の歪みを平衡させるための基板またはエピタキシャル層としてのゲルマニウム（Ｇｅ）の使用のための層状構造が、本明細書に説明される。層状構造は、第１の格子定数を有する、第１のゲルマニウム基板層と、第２の格子定数を有し、第１のゲルマニウム基板層にわたってエピタキシャルに成長される、第２の層とを備える。第２の層は、第１の成分と、第２の成分との複合物を有し、第１の成分と第２の成分との間に第１の比を有する。第３の層は、第３の格子定数を有し、第２の層にわたってエピタキシャルに成長される。第３の層は、第３の成分と、第４の成分との複合物を有し、第３の成分と第４の成分との間に第２の比を有する。第１の比および第２の比は、第１の格子定数が、第２の格子定数と第３の格子定数との間であるように選択される。
【０００５】
いくつかの実施形態では、第２の層の第１の成分は、第３の層の第３の成分と同一であり、第２の層の第２の成分は、第３の層の第４の成分と同一である。いくつかの実施形態では、第１の成分は、第３の成分と異なる。
【０００６】
いくつかの実施形態では、第３の層状構造の第１、第２、第３、または第４の成分は、ＡｌＰと、ＧａＰと、ＩｎＰと、ＡｌＡｓと、ＧａＡｓと、ＩｎＡｓと、ＡｌＳｂと、ＧａＳｂと、ＩｎＳｂとから成る群から選択される、ＩＩＩ−Ｖ族二元合金である。
【０００７】
いくつかの実施形態では、層状構造の第２の層は、第１の厚さを有し、第３の層は、第３の厚さを有し、第１の厚さおよび第３の厚さは、少なくとも部分的に、第１の厚さと、第２の厚さと、隣接する層間の格子定数差とによって定義される、層状構造内の全歪みが、ゼロに近接するように選定される。いくつかの実施形態では、第２の層および第３の層の繰り返しが、第３の層にわたって成長される。
【０００８】
いくつかの実施形態では、層状構造は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）エピタキシャルウエハとして実装される。いくつかの実施形態では、ＶＣＳＥＬエピタキシャルウエハは、１０μｍ未満の撓み測定値を有する。いくつかの実施形態では、層状構造の第１のゲルマニウム基板層は、単一のゲルマニウムウエハであり、単一のゲルマニウムウエハの上側表面の格子定数は、バルクゲルマニウム基板と同等である。いくつかの実施形態では、層状構造の第１のゲルマニウム基板層は、シリコン層上にある、酸化物層上にゲルマニウムウエハを含む。ゲルマニウムウエハの上側表面の格子定数は、バルクゲルマニウム基板と同等である。
【０００９】
いくつかの実施形態では、第１のゲルマニウム基板層は、シリコン層上にゲルマニウムウエハを含み、ゲルマニウムウエハの上側表面の格子定数は、バルクゲルマニウム基板と同等である。いくつかの実施形態では、第１のゲルマニウム基板層は、バルクゲルマニウムウエハ内に１つ以上の多孔性のゲルマニウム層を含み、第２の層に隣接するバルクゲルマニウムウエハの上側表面の格子定数は、（多孔性部分を伴わない）バルクゲルマニウム基板の格子定数と同等である。
【００１０】
いくつかの実施形態では、第１のゲルマニウム基板層は、第１のゲルマニウム部分と、第１のゲルマニウム部分と空間的に重複しない、第２のゲルマニウム部分とを有する、パターン化されたゲルマニウムウエハを含み、パターン化されたゲルマニウムウエハ内の第１の領域または第２の領域の上側表面の格子定数は、バルクゲルマニウム基板と同等である。
【００１１】
いくつかの実施形態では、層状構造の第１のゲルマニウム基板層は、ゲルマニウムウエハにわたって成長される、ゲルマニウムスズ（ＧｅｘＳｎ１−ｘ、０≦ｘ≦１）ウエハの層状構造を含む。いくつかの実施形態では、エピタキシャルゲルマニウム層が、第１のゲルマニウム基板層にわたって成長され、エピタキシャルゲルマニウム層が、埋込素子のホストとなるために使用され、埋込素子は、ゲルマニウムＡＰＤと、ＧａＡｓ  ＰＩＮと、ゲルマニウムトランジスタとから成る群から選択される。いくつかの実施形態では、層状構造はさらに、第１の格子定数を有し、第３の層の真上または間接的にその上方にある、第２のゲルマニウム層と、第２のゲルマニウム層にわたってエピタキシャルに成長される、第１の成分と、第２の成分とを有する、第４の層であって、第４の層の中の第１の成分と第２の成分との間の第３の比は、第２のゲルマニウム層の下方の層からの全歪みを相殺するために使用される、第４の層の第３の格子定数を提供するために選定される、第４の層とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本開示のさらなる特徴、その性質および種々の利点が、添付図面と併せた以下の発明を実施するための形態の考察の結果、明白となるであろう。
【００１３】
【図１】図１は、例証的実施形態に従って、ゲルマニウム基板上で歪み平衡垂直共振器面発光レーザを成長させるための、層状構造を描写する。
【００１４】
【図２】図２は、例証的実施形態に従って、中間ゲルマニウム層を含むゲルマニウム基板上で、歪み平衡垂直共振器面発光レーザを成長させるための、層状構造を描写する。
【００１５】
【図３】図３は、ある実施形態に従って、格子不整合、ウエハ撓み、およびウエハ歪みをそれぞれ、異なるタイプの基板間で比較するデータプロット図を示す、例示的略図３００を提供する。
【００１６】
【図４】図４は、例証的実施形態による、ウエハ撓みのプロットインジケーションの描写である。
【００１７】
【図５】図５は、例証的実施形態による、種々の層状構造の格子転位の描写である。
【００１８】
【図６】図６は、例証的実施形態による、図１−２に関連して説明される、ゲルマニウム基板１０２に関する種々の例示的基板構造の描写である。
【００１９】
【図７】図７は、例証的実施形態による、層状構造１００を成長させるプロセス７００のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本明細書に説明される構造および方法は、歪み平衡半導体構造を提供する。例えば、本明細書に説明される半導体構造は、ＶＣＳＥＬに適用され得る。本明細書に開示される構造および方法は、ゲルマニウム基板にわたってＧａＡｓＡｌ層を成長させるステップを含む。
【００２１】
図１は、例証的実施形態による、層状構造１００を図示する、例示的略図を示す。図１に描写される層状構造１００は、単一のエピタキシャルプロセス、すなわち、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＣＶＤ）のいずれか、または他の周知のエピタキシャル堆積技法のうちの任意のもので製造されてもよい。プロセスによって要求されるように、材料を堆積させるための堆積ツールは、単一チャンバ、またはプロセスの具体的な部分が、異なる相互接続されたチャンバ内で行われる、周知のクラスタツールフォーマットのうちの任意のものの使用のいずれかであってもよい、または複数の堆積ツールが、使用されてもよい。例えば、付加層１０６は、限定ではないが、ＩＶ族層、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層、希土類プニクタイド層、希土類酸化物層、および／または同等物を含んでもよい。
【００２２】
図１の層状構造１００は、ゲルマニウム基板１０２と、基板１０２にわたって成長される、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層１０４と、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層１０４にわたって成長される、付加層１０６とを含む。いくつかの実施形態では、層１０４は、ＧａＡｓと、ＡｌＡｓとの複数の副層を備えてもよい。いくつかの実施形態では、（例えば、ＶＣＳＥＬ内の）層１０４中のアルミニウムの濃度の増加は、従来のＧａＡｓ基板が、例えば、ＶＣＳＥＬ内に層１０４を成長させるために使用される場合、格子不整合につながり得、層１０４が、３マイクロメートル（３μｍ）以上の厚さを有し得、層１０４のＡｌＡｓ副層と従来のＧａＡｓ基板との間に存在する格子不整合が、不整合が層１０４の全厚の複数の副層にわたって合計されると、有意な影響を有し得る。加えて、ＧａＡｓ基板上に成長される任意の層が、ある程度の格子不整合を有し得るため、格子不整合が、ＧａＡｓ上に成長される層の組成のために増加すると、またはＧａＡｓ層の対の複数の繰り返しが、半導体構造内で使用されると、格子不整合は、有意なものになり得る。格子不整合は、構造２００における撓みにつながり得、例えば、構造１００に対応する、圧着されていないウエハの中央表面の中心点が、中央表面から基準面に逸脱し得る。結果として生じる撓みは、ウエハのサイズと共に増加する曲率半径を有し得、例えば、ウエハが大きいほど、撓みに対応する曲率半径が、より有意になる。例えば、２００ｍｍウエハ内の撓みに対応する曲率半径は、１００ｍｍウエハ内の撓みに対応する曲率半径を上回るであろう。撓みは、ＧａＡｓ系レーザ構造のスケーラビリティを限定し得る。したがって、ＧａＡｓ基板の使用に起因して格子不整合によって被られる撓みを回避または低減させるために、ゲルマニウム基板１０２が、層状構造１００内で使用され、高濃度のＡｌを伴うＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層１０４を成長させる。ゲルマニウム層の格子定数は、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層の格子定数に匹敵し、例えば、ゲルマニウムウエハの格子定数は、通常、ＧａＡｓ層とＡｌＡｓ層との間のものである。したがって、ゲルマニウム層は、層状構造１００内にＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層を成長させることによって引き起こされる、格子不整合を低減させるために使用され得る。ゲルマニウムのＹｏｕｎｇ係数は、（ＧａＡｓのもの、例えば、８５×１０９Ｐａを上回る）９０×１０９Ｐａであるため、ゲルマニウムは、ＧａＡｓより良好な機械強度をもたらし、したがって、撓みが、ウエハ上の有効面積に影響を及ぼし得るとき、２００ｍｍウエハのための従来のＧａＡｓ基板より強力な基板（１０２）を提供し得る。加えて、ゲルマニウムは、ＧａＡｓよりはるかに低いエッチピット密度を有し、これは、低減された不純物を伴うウエハを生産するが、ウエハは、固有の欠陥とともに供給され得る。
【００２３】
いくつかの実施形態では、層状構造１００は、ゲルマニウム基板１０２とＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層１０４との間に１つ以上の中間層を含んでもよい。いくつかの実施例では、中間層は、一般的なＩＩＩ−Ｖ族層であってもよい。
【００２４】
図２は、例証的実施形態による、層状構造２００を図示する、例示的略図を示す。層状構造２００は、層状構造１００上に構築されてもよい。例えば、第２のゲルマニウム層２０８が、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓの別の層スタックが第２のゲルマニウム層２０８にわたって成長され得るように、付加層１０６の上にエピタキシャルに成長されてもよい。
【００２５】
いくつかの実施形態では、第２のゲルマニウム層２０８（または複数のゲルマニウム層）は、層状構造２００の中に成長される。いくつかの実施形態では、層２０８はまた、ｘ＝ｙ＝０のとき、ゲルマニウム層と同等である、Ｇｅ１−ｘ−ｙＳｉｘＳｎｙ（０≦ｘ、ｙ≦１）の形態のＩＶ族合金であってもよい。中間ゲルマニウム層は、層１０４中の高濃度のアルミニウムのための格子整合を改良する。これは、基板層１０２と層１０４との間の歪みを低減させる。層１０２と１０４との間の歪みの低減は、層２００の安定性を増加させる。２つのゲルマニウム層１０２および２０８は、例証の目的のみのために図２に示されることに留意されたい。複数の（２つを上回る）ゲルマニウム層が、ゲルマニウム層にわたって成長される、ゲルマニウム層およびＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層の複数の繰り返しが、単一の層状構造内で採用され、構造２００の安定性を増加させ得るように、層状構造内で使用されてもよい。
【００２６】
いくつかの実施形態では、ゲルマニウム層１０２および２０８の厚さは、異なってもよい。第２のゲルマニウム層２０８の厚さは、第２のゲルマニウム層２０８の下方の種々の層または第２のゲルマニウム層２０８の上方の層によってもたらされる、格子不整合に依存し得る。いくつかの実施形態では、１つを上回る中間ゲルマニウム層が、格子構造２００内に成長され、格子構造２００内の安定性を誘発し得る。
【００２７】
図３は、ある実施形態による、格子不整合、ウエハ撓み、およびウエハ歪みをそれぞれ、異なるタイプの基板間で比較するデータプロット図３０２、３０８、および３１４を示す、例示的略図３００を提供する。データプロット３０２は、ＧａＡｓウエハとＧｅウエハとの間の性能を比較するための性能指標として、厚さおよび格子不整合の積を使用する。棒３０４は、ＧａＡｓウエハの層状構造およびＧａＡｓウエハにわたるエピタキシャル膜の、厚さおよび格子不整合の積を表す。棒３０６は、Ｇｅウエハを有する層状構造およびＧｅウエハにわたるエピタキシャル膜（図１の１００に類似する）の厚さおよび格子不整合の積を表す。図３に描写されるように、ＧａＡｓウエハを使用することに関する厚さおよび格子不整合の積は、約０．４であり、代わりにＧｅウエハが使用されると、棒３０６に示されるように、−０．０５まで低減される。
【００２８】
データプロット３０８は、ＧａＡｓウエハとＧｅウエハとの間で性能を比較するための性能指標として、ウエハ撓みの測定値を使用する。棒３１０は、ＧａＡｓウエハの層状構造およびＧａＡｓウエハにわたるエピタキシャル膜内に作成される、撓みの測定値を表す。棒３１２は、Ｇｅウエハを有する層状構造およびＧｅウエハにわたるエピタキシャル膜（図１の１００に類似する）内に作成される、撓みの測定値を表す。図３に描写されるように、基板としてＧａＡｓウエハを使用して作成される、撓みは、約９０μｍであり、代わりにＧｅウエハが使用されると、棒３１２に示されるように、−５μｍに低減される。
【００２９】
データプロット３１４は、ＧａＡｓウエハとＧｅウエハとの間で性能を比較するための性能指標として、ウエハ歪みの測定値を使用する。棒３１６は、ＧａＡｓウエハの層状構造およびＧａＡｓウエハにわたるエピタキシャル膜内に作成される、歪みの測定値を表す。棒３１８は、Ｇｅウエハを有する層状構造およびＧｅウエハにわたるエピタキシャル膜（図１の１００に類似する）内に作成される、歪みの測定値を表す。図３に描写されるように、基板としてＧａＡｓウエハを使用して作成される歪みは、約１８０μｍであり、代わりにＧｅウエハが使用されると、棒３１８に示されるように、４０μｍに低減される。
【００３０】
厚さおよび格子不整合の積、ウエハ撓み、およびウエハ歪みの測定値の著しい低減は、ゲルマニウム基板が、ＧａＡｓのものとＡｌＡｓのものとの間の格子定数を有し、故に、ＧａＡｓ層によってＧｅ層上に及ぼされる応力が、ＡｌＡｓによってＧｅ層上に及ぼされるものと反対方向であり、故に、反対の応力が、ある程度まで、相互に打ち消し得るためである。基板がＧａＡｓである場合では、ＧａＡｓ基板が、最小またはＧａＡｓ基板の上方の材料と同一の格子定数を有するため、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層は、同一の方向にエピタキシャル膜の応力を及ぼす。
【００３１】
図４は、例証的実施形態による、それぞれ、Ｇｅ基板またはＧａＡｓ基板を使用する、層状構造の３次元マップのプロットを示す。３Ｄマップ４０２は、Ｇｅウエハと、Ｇｅウエハにわたるエピタキシャル膜（図１の１００に類似する）とを有する、層状構造内のマップである。３Ｄマップ４０４は、ＧａＡｓウエハと、ＧａＡｓウエハにわたるエピタキシャル膜との、層状構造のマップである。３Ｄマップ４０４から明白であるように、ＧａＡｓウエハおよびエピタキシャル膜によって作成される、高レベルの撓みが、完全なウエハマップを達成するための最大の許容可能な撓みを超過した。図４は、ＧａＡｓおよびＧｅ基板にわたって１０％のＡｌＧａＡｓと、９０％のＡｌＧａＡｓとから構成されるエピタキシャル膜を含有する、層状構造の場合に関するウエハ撓みを計測する、プロット４０６を含む。プロットから明確であるように、エピタキシャル膜によってＧａＡｓウエハ上に作成される撓みは、エピタキシャル膜によってＧｅ基板上に作成される撓みよりはるかに高い。Ｇｅウエハの撓みの低減は、Ｇｅウエハを伴う層状構造の性能を増加させる。
【００３２】
図５は、例証的実施形態による、５０２、５０４、および５０８に示される、種々の層状構造内の格子転位を図示する、略図５００を示す。格子転位が、ウエハ上の滑り線によって表される。滑り線は、ウエハの内部にあり、素子の信頼性故障の主因である。いくつかの実施形態では、大きい値の撓みを伴うウエハに固有の機械力が、層状構造の基板上の滑り線を増加させる、層状構造内の転位を生成し、駆動する。したがって、ウエハ撓みの低減は、層状構造の基板上のこれらの滑り線を低減または排除するであろう。プロット５０２は、Ｇｅウエハのスナップ写真を表す。Ｇｅウエハのスナップ写真は、ウエハを横断して延設される測定アーチファクトである、水平線５１６を含む。プロット５０４は、ＧｅウエハおよびＧｅウエハにわたるエピタキシャル膜のスナップ写真を表す。プロット５０４は、Ｇｅウエハ上のエピタキシャル膜によって引き起こされる歪みによって、Ｇｅウエハ５０６内に作成される、滑り線領域を描写する。プロット５０８は、ＧａＡｓウエハおよびＧａＡｓウエハにわたるエピタキシャル膜のスナップ写真を表す。プロット５０８は、ＧａＡｓウエハにわたって成長されるエピタキシャル膜によってＧａＡｓウエハ内に作成される、滑り線領域５１０、５１２、および５１４を示す。スナップ写真から明確であるように、ＧａＡｓウエハ内には、Ｇｅウエハ内より多くの滑り線が、存在する。これは、エピタキシャル膜によってＧｅウエハ上に作成される応力が、エピタキシャル膜によってＧａＡｓウエハ上に作成される応力よりはるかに低いためである。
【００３３】
図６は、例証的実施形態による、図１−２に関連して説明される、ゲルマニウム基板１０２に関する種々の例示的基板構造の描写である。例えば、ゲルマニウム基板（例えば、図１−２の１０２参照）は、単一のウエハまたは層状構造を含んでもよい。図６に説明される種々の基板構造は、それらの中にゲルマニウムの種々の部分を含む、異なる組成物を有してもよい。例えば、種々の基板は、ゲルマニウムウエハ（例えば、６０２参照）、酸化物およびシリコンにわたって成長される、ゲルマニウムの層状構造（例えば、６０８参照）、多孔性のゲルマニウム部分を含有する、ゲルマニウム層の層状構造（例えば、６１８参照）、またはシリコン層にわたって成長される、ゲルマニウムの層状構造（例えば、６２６参照）、および／または同等物であってもよい。図６に説明されるような例示的基板構造６０２、６０８、６１８、および６２６は、付加層を成長させるための開始テンプレートとしての役割を果たし得、例示的基板構造６０２、６０８、６１８、および６２６の上側表面は、バルクゲルマニウム基板のものと同等の格子定数を有する。種々の基板構造は、例えば、機械強度、熱伝導性、およびエッチピット密度のような種々の性質が異なってもよく、これは、ひいては、基板の組み合わせに基づいて、異なる機能性を支援する。
【００３４】
層状構造６０２は、それにわたって他の層６０４が成長され得る、ゲルマニウムウエハ６０６を描写する。ゲルマニウムウエハ６０６の上側表面は、バルクゲルマニウム基板と実質的に同等である、格子定数を有する。
【００３５】
層状構造６０８は、ゲルマニウム層６１２と、酸化物層６１４と、シリコン層６１６とを含む、基板構造６３４を描写する。ゲルマニウム層６１２は、酸化物層６１４にわたって成長され、酸化物層６１４は、シリコン層６１６にわたって成長される。別の実装では、酸化物層６１４にわたるゲルマニウム層６１２の成長は、接合プロセスの結果であり得る。層状構造６０８の他の層６１０部分もまた、ゲルマニウム層６１０にわたって成長されてもよい。ゲルマニウムウエハ６１２の上側表面は、バルクゲルマニウム基板と実質的に同等である、格子定数を有する。
【００３６】
層状構造６１８は、多孔性のゲルマニウム部分／副層６２４を含む、基板構造６３６を描写する。基板構造６３６は、ゲルマニウム副層６２２と６４０との間に位置付けられる多孔性の副層６２４を有する、バルクゲルマニウムウエハであることができる。他の層６２０が、ゲルマニウム層６２２にわたって成長されてもよい。別の実装では、多孔性のゲルマニウム副層６２４およびゲルマニウム副層６４０の複数の繰り返しが、層状構造６１８内での所望されるレベルの格子定数を達成するために使用されてもよい。ゲルマニウム副層６２２は、多孔性のゲルマニウム副層６２４およびゲルマニウム副層６４０の複数の繰り返しの上に成長されてもよい。ゲルマニウム副層６２２の上側表面でもある、バルクゲルマニウムウエハ６３６の上側表面は、（多孔性部分を伴わない）バルクゲルマニウム基板と実質的に同等である、格子定数を有する。
【００３７】
層状構造６２６は、ゲルマニウム層６３０がシリコン層６３２にわたって成長される、ゲルマニウム層６３０と、シリコン層６３２とを含む、基板構造６３８を描写する。ゲルマニウムウエハ６３０の上側表面は、バルクゲルマニウム基板と実質的に同等である、格子定数を有する。
【００３８】
いくつかの実施形態では、基板６３４、６３６、および６３８の格子定数は、層状構造６０２内のゲルマニウム６０６の格子定数にほぼ等しい。いくつかの実施形態では、ゲルマニウム６０６は、基板６３４、６３６、および６３８のうちのいずれかによって取って代わられてもよい。
【００３９】
いくつかの実施形態では、ゲルマニウム基板６０６は、パターン化されたゲルマニウムウエハを含んでもよい。例えば、ゲルマニウムウエハは、空間的に重複しないゲルマニウム部分、例えば、縞、グリッド、および／または同等物を有する。パターン化されたゲルマニウムウエハの上側表面の格子定数は、バルクゲルマニウム基板と同等である。
【００４０】
いくつかの実施形態では、ゲルマニウム基板６０６は、ゲルマニウムウエハにわたって成長される、ゲルマニウムスズ（ＧｅｘＳｎ１−ｘ、０≦ｘ≦１）ウエハを含むことができる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、付加的エピタキシャルゲルマニウム層が、ゲルマニウム基板にわたって成長される。エピタキシャルゲルマニウム層は、埋込素子のホストになるために使用されることができ、埋込素子は、ゲルマニウムＡＰＤと、ＧａＡｓ  ＰＩＮと、ゲルマニウムトランジスタとから成る群から選択される。
【００４２】
図７は、例証的実施形態による、層状構造１００を成長させるプロセス７００のフローチャートである。プロセスは、第１の格子定数を有する第１のゲルマニウム基板（例えば、図１のゲルマニウム基板１０２）が得られる、７０２において開始する。
【００４３】
７０４において、第２の格子定数を有する第２の層１０４（例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層１０４）が、第１のゲルマニウム基板層１０２にわたって構成される。第２の層は、第１の成分（例えば、ＧａＡｓ）と、第２の成分（例えば、ＡｌＡｓ）との複合物を有し、第１の成分と第２の成分との間に第１の比を有する。例えば、「ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ（構成する）」は、（エピタキシャルに）成長させる、または配置する、または任意の他の手段によって、ある層の上に付加層を存在させることを意味する。いくつかの実施形態では、第１または第２の成分は、限定ではないが、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、およびＩｎＳｂ等のＩＩＩ−Ｖ族二元合金であってもよい。
【００４４】
７０６において、第３の格子定数を有する、第３の層（例えば、図１の付加層１０６）が、第２の層にわたって構成される（例えば、エピタキシャルに成長されるまたは配置される）。第３の層は、第３の成分と、第４の成分との複合物を有し、第３の成分と第４の成分との間に第２の比を有する。いくつかの実施形態では、第３または第４の成分は、限定ではないが、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、およびＩｎＳｂ等のＩＩＩ−Ｖ族二元合金であってもよい。第１の比および第２の比は、第１の格子定数が、第２の格子定数と第３の格子定数との間であるように選択される。このように、第１のゲルマニウム基板と第２の層との間の格子不整合によって引き起こされる歪みは、第２の層と第３の層との間の（反対方向の）格子不整合によって相殺されることができる。具体的には、第２の層の厚さおよび第３の層の厚さは、少なくとも部分的に、層の厚さと、隣接する層間の格子定数差とによって定義される、層状構造内の全歪みが、ゼロに近接するように選定される。
【００４５】
本明細書に説明される成長および／または堆積は、化学蒸着（ＣＶＤ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相エピタキシ（ＯＭＶＰＥ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、ハライド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）、および／または物理蒸着（ＰＶＤ）のうちの１つ以上のものを使用して実施されてもよい。
【００４６】
本明細書に説明されるように、層は、表面を被覆する、実質的に均一な材料の厚さを意味する。層は、連続的または不連続的（すなわち、材料の領域間に間隙を有する）のいずれかであることができる。例えば、層は、表面を完全または部分的に被覆する、または集合的に層（すなわち、選択領域エピタキシを使用して形成される領域）を画定する、離散領域に区画化されることができる。
【００４７】
「モノリシックに統合される」は、典型的には、表面上に配置される層を堆積させることによって、基板の表面上に形成されることを意味する。
【００４８】
「〜上に配置される」は、下層の材料または層の「上に存在する」を意味する。本層は、好適な表面を確保するために必要である、転位層等の中間層を含んでもよい。例えば、材料が、「基板上に配置される」ように説明される場合、これは、（１）材料が、基板と密着している、または（２）材料が、基板上に常駐する、１つ以上の転位層と接触していることのいずれかを意味し得る。
【００４９】
単結晶は、実質的に１つのタイプの単位胞のみを含む結晶構造を意味する。しかしながら、単結晶層は、積層欠陥、転位、または他の一般的に発生する結晶欠陥等のいくつかの結晶欠陥を示し得る。
【００５０】
単一ドメインは、単位胞の実質的に１つの構造のみと、その単位胞の実質的に１つの配向のみを含む結晶構造を意味する。言い換えると、単一ドメイン結晶は、双ドメインまたは反位相ドメインを呈さない。
【００５１】
単相は、単結晶および単一ドメインの両方である、結晶構造を意味する。
【００５２】
基板は、その上に堆積層が形成される材料を意味する。例示的な基板は、限定ではないが、ウエハが均一な厚さの単結晶シリコンまたはゲルマニウムを含むバルクゲルマニウムウエハ、バルクシリコンウエハ、バルクシリコンハンドルウエハ上に配置される二酸化ケイ素の層上に配置されるシリコンの層を含むシリコン・オン・インシュレータウエハ等の複合ウエハ、または図６に関連して説明されるような、多孔性ゲルマニウム、酸化物およびシリコンにわたるゲルマニウム、シリコンにわたるゲルマニウム、パターン化されたゲルマニウム、ゲルマニウムにわたるゲルマニウムスズ、および／または同等物、またはその上またはその中に素子が形成される基部層の役割を果たす、任意の他の材料を含む。基板層およびバルク基板としての使用のための用途の機能として好適である、そのような他の材料の実施例は、限定ではないが、アルミナ、ガリウム砒素、燐化インジウム、シリカ、二酸化ケイ素、硼珪酸ガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、およびサファイアを含む。基板は、単一のバルクウエハまたは複数の副層を有してもよい。具体的には、基板（例えば、シリコン、ゲルマニウム等）は、複数の非継続的な多孔性部分を含んでもよい。複数の非継続的な多孔性部分は、異なる密度を有してもよく、水平に分散または垂直に層状にされてもよい。
【００５３】
ミスカット基板は、基板の結晶構造と関連付けられるものに対してある角度で配向される、表面結晶構造を含む、基板を意味する。例えば、６°のミスカットされた＜１００＞シリコンウエハは、＜１１０＞等の別の主結晶配向に向かって６°だけ＜１００＞の結晶配向に対して角度付けて切断されている、＜１００＞シリコンウエハを含む。典型的には、必ずしも全てではないが、ミスカットは、最大約２０°であるだろう。具体的に記載されない限り、語句「ミスカット基板」は、任意の主結晶配向を有する、ミスカットウエハを含む。すなわち、＜１１１＞ウエハは、＜０１１＞方向に向かってミスカットされ、＜１００＞ウエハは、＜１１０＞方向に向かってミスカットされ、＜０１１＞ウエハは、＜００１＞方向に向かってミスカットされる。
【００５４】
半導体は、絶縁体の伝導性と大部分の金属の伝導性との間の伝導性を有する、任意の固体物質を指す。例示的半導体層は、シリコンから構成される。半導体層は、単一のバルクウエハまたは複数の副層を含んでもよい。具体的には、シリコン半導体層は、複数の非継続的な多孔性部分を含んでもよい。複数の非継続的な多孔性部分は、異なる密度を有してもよく、水平に分散または垂直に層状にされてもよい。
【００５５】
セミコンダクタ・オン・インシュレータは、単結晶半導体層と、単相誘電層と、基板とを含む組成物を意味し、誘電層は、半導体層と基板との間に挿入される。本構造は、典型的には、単結晶シリコン基板と、非単相誘電層（例えば、アモルファス二酸化ケイ素等）と、単結晶シリコン半導体層とを含む、先行技術によるシリコン・オン・インシュレータ（「ＳＯＩ」）組成物を連想させる。先行技術によるＳＯＩウエハと本発明のセミコンダクタ・オン・インシュレータ組成物との間のいくつかの重要な差異は、以下である。
【００５６】
セミコンダクタ・オン・インシュレータ組成物は、単相形態を有する、誘電層を含む一方、ＳＯＩウエハは、含まない。事実上、典型的なＳＯＩウエハの絶縁体層は、均一な単結晶ではない。
【００５７】
セミコンダクタ・オン・インシュレータ組成物は、シリコン、ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウムの「活性」層を含む一方、先行技術によるＳＯＩウエハは、シリコン活性層を使用する。言い換えると、例示的なセミコンダクタ・オン・インシュレータ組成物は、限定ではないが、シリコン・オン・インシュレータ、ゲルマニウム・オン・インシュレータ、およびシリコンゲルマニウム・オン・インシュレータを含む。
【００５８】
本明細書において第２の層「上に構成される」、「上に存在する」、またはそれ「にわたる」ものとして説明および／または描写される、第１の層は、第２の層に直接隣接することができる、または１つまたはそれを上回る介在層が、第１の層と第２の層との間に存在することができる。本明細書において「直接的に」第２の層または基板「上に存在する」またはそれ「にわたる」ものとして説明および／または描写される、第１の層は、可能性として第１の層の、第２の層または基板との混合に起因して形成し得る介在合金層以外の、存在する介在層を伴わない第２の層または基板に直接隣接する。加えて、本明細書において第２の層または基板「上に」、それ「にわたって」、「直接的にその上に」、または「直接的にそれにわたって」存在するものとして説明および／または描写される、第１の層は、第２の層または基板全体、または第２の層または基板の一部を被覆し得る。
【００５９】
基板は、層成長の間に基板ホルダ上に設置され、そのため、上面または上側表面は、基板ホルダから最も遠い基板または層の表面である一方、底部表面または下側表面は、基板ホルダに最も近い基板または層の表面である。本明細書に描写および説明される構造のうちのいずれかは、描写されるものの上方および／または下方に付加層を伴うより大きな構造の一部であることができる。明確化のために、本明細書における図は、これらの付加層を省略し得るが、これらの付加層は、開示された構造の一部であることができる。加えて、描写される構造は、本繰り返しが図内に描写されていない場合でも、その単位で繰り返されることができる。
【００６０】
上記の説明から、種々の手法が、本開示の範囲から逸脱することなく、本明細書に説明される概念の実装のために使用され得ることが明白である。説明される実施形態は、全ての点で、例証的であり、かつ制限的ではないと見なされるべきである。本明細書に説明される技法および構造は、本明細書に説明される特定の実施例に限定されるものではないが、本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施例に実装され得ることもまた、理解されたい。同様に、動作は、図面内に特定の順序に描写されるが、これは、望ましい結果を達成するために、そのような動作が示される特定の順序または順次順序で実施されること、または図示される動作の全てが実施されることを要求するものではないことを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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