화학빔 상피

Chemical beam epitaxy

화학 빔 에피택시(CBE)는 반도체 레이어 시스템, 특히 III-V 반도체 시스템에 중요한 종류의 증착 기술을 형성한다.이러한 형태의 상피성장은 초고진공 시스템에서 이루어진다.반응 물질은 반응성 기체의 분자 빔의 형태로, 전형적으로 하이드라이드 또는 금속 유기체로 사용된다.CBE라는 용어는 종종 금속-유기농 분자 빔 에피택시(MOMBE)와 교환하여 사용된다.그러나 명칭은 두 개의 (약간 다른) 과정을 구별한다.가장 엄격한 의미에서 사용될 때 CBE는 두 성분이 모두 기체 선원에서 얻어지는 기법을 말하는 반면, MOMBE는 그룹 III 성분이 기체 선원에서, 그룹 V 성분은 고체 선원에서 얻어지는 기법을 말한다.

기본 원리

화학 빔 에피택스는 W.T.에 의해 처음 입증되었다.1984년의 Tsang.[1]그 후 이 기법은 금속-유기 화학 증기 증착(MOCVD)과 분자 빔 에피택시(MBE)의 혼합물로 설명되어 두 기법의 장점을 모두 이용하였다.이 초기 작품에서 InP와 GaAs는 기체 그룹 III와 V 알킬을 사용하여 성장하였다.그룹 III 원소는 표면에 있는 알킬의 열분해에서 파생된 반면, 그룹 V 원소는 950-1200°C에서 가열된 탄탈룸(Ta) 또는 몰리브덴(Mo)과 접촉하여 알킬의 분해로부터 얻어졌다.MOCVD의 경우 일반적인 가스 원자로 압력은 10Torr에서2 1 atm이다.여기서 기체의 수송은 점성 유동에 의해 발생하며 화학 물질은 확산에 의해 표면에 도달한다.이와는 대조적으로, CBE에서는 10−4 Torr 미만의 가스 압력이 사용된다.가스 수송은 이제 훨씬 더 긴 평균 없는 경로로 인해 분자 빔으로 발생하며, 그 과정은 화학 빔 퇴적으로 진화한다.[2]MBE는 고체 원소로부터 고온에서 증발하는 원자 빔(알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 등)과 분자 빔(Sea4, P4 등)을 채용하고 있는 반면 CBE의 선원은 실온에서 증기 위상에 있다는 점도 여기서 주목할 필요가 있다.[3]MOCVD, MBE 및 CBE에 대한 성장 챔버의 여러 공정의 비교는 그림 1에서 확인할 수 있다.

그림 1:[3] a) MOCVD, b) MBE 및 c) CBE의 성장 챔버 내부의 기본 프로세스

실험 설정

표준 UHV 성장 챔버에는 터보 분자 펌프와 크라이오 펌프의 조합이 사용된다.챔버 자체에는 액체 질소 냉동실드와 둘 이상의 웨이퍼를 운반할 수 있는 회전식 크리스털 홀더가 장착되어 있다.결정 홀더는 보통 뒤쪽에서 500~700°C의 온도로 가열된다.또한 대부분의 설정에는 성장 표면의 표면 상부구조의 현장 모니터링과 성장률을 측정하기 위한 RHID 장비와 빔의 분자종 분석 및 잔류 가스 분석을 위한 질량분석기가 있다.[4]이 시스템의 가장 중요한 구성 요소 중 하나인 가스 흡입 시스템은 재료 빔 플럭스를 제어한다.압력 제어 시스템은 가장 일반적으로 사용된다.물질 유량은 가스 주입 모세관의 입력 압력에 의해 제어된다.챔버 내부의 압력은 캐패시턴스 압력계에 의해 측정되고 제어될 수 있다.기체 선원 물질의 분자 빔은 균일한 빔 프로필을 보장하는 인젝터 또는 배출 제트.그룹 V 시작 재료인 하이드라이드와 같은 일부 시동 화합물의 경우 하이드라이드를 인젝터에 미리 분리해야 한다.이것은 보통 가열된 금속이나 필라멘트로 열분해함으로써 이루어진다.[4]

성장동력학

CBE와 관련된 성장동력을 더 잘 이해하기 위해서는 MBE와 MOCVD와 관련된 물리적, 화학적 과정도 살펴보는 것이 중요하다.그림 2는 그러한 것들을 묘사하고 있다.이 세 가지 기법의 성장 동력학은 여러 가지 면에서 다르다.재래식 MBE에서 증가율은 그룹 III 원자보의 도착률에 의해 결정된다.상피성 성장은 그룹 III 원자가 가열된 기질 표면에 침입하여 적절한 격자 부위로 이동한 다음 초과 그룹 V 디머나 테트라머 근처에 침전하면서 발생한다.원자는 고체 원소로부터 열 증발로 생성되기 때문에 표면에서는 화학 반응이 일어나지 않는다는 점에 주목할 필요가 있다.[2]

그림 2: a) 기존 MBE, b)[2] MOCVD 및 c) CBE와 관련된 성장 동력학

MOCVD에서 그룹 III 알킬은 이미 가스 흐름에서 부분적으로 분리되어 있다.이러한 것들은 가열된 기질 위에 존재하는 정체된 경계층을 통해 확산되며, 그 후에 그들은 원자 그룹 III 원소로 분리된다.그런 다음 이들 원자는 적절한 격자 부위로 이동하며 하이드라이드의 열분해에서 파생된 그룹 V 원자와 연관시켜 전형적으로 퇴적한다.이곳의 성장률은 통상 경계층을 통한 그룹 III 알킬의 확산률에 의해 제한된다.반응제들 간의 가스상 반응도 이 과정에서 관찰되었다.[2]

CBE 공정에서는 고온 인젝터에서 수분이 기질에 도달하기 전에 균열이 발생한다.온도는 일반적으로 유사한 MOCVD 또는 MOVP보다 100-150 °C 낮다.[5]또한 경계층(예: MOCVD)이 없고, 저기압으로 인한 분자충돌은 미미하다.그룹 V 알킬은 보통 초과 공급되며, 그룹 III 알킬 분자는 기존 MBE에서와 같이 가열된 기질에 직접 침입한다.그룹 III 알킬 분자는 이런 일이 일어날 때 두 가지 선택권을 가진다.첫 번째 옵션은 표면에서 열 에너지를 얻고 표면에 원소 그룹 III 원자를 남겨둠으로써 그것의 세 개의 알킬산소를 분리하는 것이다.두 번째 옵션은 부분적으로 또는 완전히 분리되지 않은 상태로 다시 활성화하는 것이다.따라서 증가율은 더 높은 기질 온도에서 그룹 III 알킬의 도착률과 더 낮은 온도에서 표면 열분해율에 의해 결정된다.[2]

장치 제작과의 호환성

저온에서의 선택적 성장

유전체 마스킹을 통한 선택적 성장은 MBE와 MOCVD의 모기술에 비해 CBE를 사용하여 쉽게 달성된다.선택적 성장은 그룹 III 원자가 흡착된 후 쉽게 탈착되지 않기 때문에 원소 MBE를 사용하여 달성하기 어렵다.화학원료로는 반도체 표면에서 유전층보다 증가율과 관련된 반응이 더 빠르다.그러나 어떤 그룹 III 요소도 가스상 반응이 없기 때문에 CBE의 유전체 표면에 도달할 수 없다.또한, 충돌하는 그룹 III 금속 유기 분자는 경계층이 없을 때 탈착하는 것이 더 쉽다.이를 통해 MOCVD 또는 MOVPE에 비해 낮은 온도에서 CBE를 사용하여 선택적 상피를 쉽게 수행할 수 있다.[5]ABCD 테크놀로지가 특허를 낸 최근 개발에서는 기판 회전이 더 이상 필요하지 않아 입자 빔을 이용한 현장 패터닝 등 새로운 가능성이 대두되고 있다.[6]이러한 가능성은 매우 흥미로운 관점을 열어 특히 산화물과 같이 식각하기 어려운 소재의 경우 한 번에 패턴화된 박막을 달성할 수 있다.

p형 도핑

GaAs의 CBE에 TMGa를 사용하면 탄소가 통합되어 p형 배경 도핑(10cm20−3)이 높은 것으로 관찰되었다.그러나 TMGa 대신 TEGa를 사용하면 상온 구멍농도가 101416~10cm인−3 매우 깨끗한 GaAs로 이어진 것으로 조사됐다.알킬 빔 압력과 TMGa/TEGa 비율을 조절하기만 하면 10cm에서14−3 10cm까지21 홀 농도를 조절할 수 있어 GaAs의 높고 제어 가능한 p형 도핑을 달성할 수 있는 수단을 제공한다는 것이 입증되었다.이것은 고품질의 이질결합 양극성 트랜지스터를 조작하는 데 이용되어 왔다.[4]

장단점

CBE는 MOCVD와 MBE의 상위 기술에 비해 많은 다른 이점을 제공하며, 그 중 일부는 다음과 같다.

MBE 대비 장점

  1. 간편한 멀티웨이퍼 스케일업:MBE는 각 원소에 대해 개별 유출 세포를 가지고 있기 때문에 두께와 적합성의 통일성을 위해 기질 회전이 필요하다.큰 용출세포와 효율적인 열 분산은 멀티웨이퍼 스케일업을 더욱 어렵게 만든다.
  2. 프로덕션 환경에 더 적합:정밀 전자 제어 흐름으로 인한 즉각적인 플럭스 반응
  3. 타원형 결함의 부재:이러한 타원형 결함은 일반적으로 고온유출세포에서 나오는 Ga나 In의 미세한 방울에서 발생한다.이러한 결함은 크기, 밀도 시스템 간 및 시간 간 차이가 있다.[3][7]
  4. 유출원 충전에 의존하지 않는 유출 조건에서의 낮은 드리프트.
  5. ABCD 테크놀로지에 의해 특허를 받은 최근의 개발에서는 기판 회전이 더 이상 필요하지 않다.[6]

MOCVD 대비 장점

  1. RHID와 같은 현장 진단 장비의 손쉬운 구현.
  2. 금속 증발 및 이온 삽입과 같은 다른 고진공 박막 처리 방법과의 호환성.[3][7]

CBE의 단점

  1. MOCVD에 비해 더 많은 펌핑이 필요함
  2. GaInAs를 재배할 때 컴포지션 제어가 어려울 수 있다.고온에서는 가를 더 잘 통합하지만 인의 탈착과 관련된 문제에 직면한다.

따라서, 좋은 성분 조절을 위해 고온과 저온 사이에서 절충점을 찾아야 한다.

  1. GaAlAs를 위한 고탄소 통합.[3][7]

참고 항목

참조

  1. ^ Tsang, W. T. (1984). "Chemical beam epitaxy of InP and GaAs". Applied Physics Letters. AIP Publishing. 45 (11): 1234–1236. doi:10.1063/1.95075. ISSN 0003-6951.
  2. ^ a b c d e Tsang, W.T. (1987). "Chemical beam epitaxy of Ga0.47In0.53As/InP quantum wells and heterostructure devices". Journal of Crystal Growth. Elsevier BV. 81 (1–4): 261–269. doi:10.1016/0022-0248(87)90402-7. ISSN 0022-0248.
  3. ^ a b c d e Tsang, W.T. (1989). "From chemical vapor epitaxy to chemical beam epitaxy". Journal of Crystal Growth. Elsevier BV. 95 (1–4): 121–131. doi:10.1016/0022-0248(89)90364-3. ISSN 0022-0248.
  4. ^ a b c Lüth, Hans (1994). "Chemical beam epitaxy — a child of surface science". Surface Science. 299–300: 867–877. doi:10.1016/0039-6028(94)90703-X. ISSN 0039-6028.
  5. ^ a b Benchimol, Jean-Louis; Alexandre, F.; Lamare, Bruno; Legay, Philippe (1996). "Benefits of chemical beam epitaxy for micro and optoelectronic applications". Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. Elsevier BV. 33 (4): 473–495. doi:10.1016/s0960-8974(96)00091-5. ISSN 0960-8974.
  6. ^ a b G. 벤베누티, 고두께 균일성으로 고진공 내 대형 면적 침적WO_2003093529_A2[1].
  7. ^ a b c M.A. Herman과 H. Sitter.분자 빔 에피택시.하이델베르크: 스프링거, 1996.