저에너지 플라즈마 강화 화학 증기 증착

Low-energy plasma-enhanced chemical vapor deposition
이탈리아 코모에 있는 LNES 연구소의 LEPECVD 시제품 내 플라즈마(왼쪽은 아르곤 전용, 오른쪽은 아르곤 및 실란).

저에너지 플라즈마 강화 화학기상증착(LEPECVD)은 얇은 반도체(실리콘, 게르마늄 및 SiGe 합금)막의 에피택셜 증착에 사용되는 플라즈마 강화 화학기상증착 기술이다.원격 저에너지 고밀도 DC 아르곤 플라즈마를 사용하여 에피택셜층을 손상시키지 않은 채 효율적으로 기상 전구체를 분해함으로써 고품질 에피라층과 고증착률(최대 10nm/s)을 실현한다.

작동 원리

기판(일반적으로 실리콘 웨이퍼)은 원자로 챔버에 삽입되어 후면으로부터 흑연 저항성 히터에 의해 가열됩니다.아르곤 플라즈마를 챔버에 도입하여 전구체의 분자를 이온화함으로써 기판상에 에피레이어를 성장시키는 고반응성 래디칼을 생성한다.또한 Ar이온의 충격에 의해 기판 표면에 흡착된 수소원자가 제거되어 구조적 손상이 발생하지 않는다.라디칼의 높은 반응성과 이온 충격에 의한 표면으로부터의 수소의 제거는 열화학기상증착(CVD)에 의한 Si, Ge 및 SiGe 합금의 전형적인 성장을 막습니다.

  • 전구체 분해 및 기판으로부터의 수소 탈착에 필요한 열 에너지로 인해 기판 온도로부터의 성장률 의존
  • 현저한 성장률을 얻기 위해 필요한 고온(실리콘의 경우 1000°C 이상)으로, 전술한 효과에 의해 강하게 제한된다.
  • Si 표면과 Ge 표면으로부터의 수소 탈착 속도 차이가 크기 때문에 SiGe 합금 조성에 대한 부착 속도의 강한 의존성.

이러한 영향 덕분에 LEPECVD 원자로의 성장률은 플라즈마 파라미터와 가스속에만 의존하며, 표준 CVD 도구에 비해 훨씬 낮은 온도에서 에피택셜 증착을 얻을 수 있다.

LEPECVD 원자로

전형적인 LEPECVD 원자로의 스케치.

LEPECVD 원자로는 크게 세 부분으로 나뉜다.

  • 진공 상태를 깨지 않고 기판을 챔버에 장착하는 로드록
  • 메인 챔버, 10 -9 ^{- mbar)의 기본 압력으로 UHV에 유지됨
  • 플라즈마가 생성되는 플라즈마 소스.

기판은 플라즈마 소스 쪽을 향해 챔버 상부에 배치됩니다.2개의 질화붕소 디스크 사이에 삽입된 저항성 흑연 히터로부터의 열복사에 의해 후면에서 가열이 제공되어 히터 전체의 온도 균일성이 향상됩니다.열전대는 히터 위의 온도를 측정하는 데 사용되며, 적외선 고온계를 사용하여 보정을 수행함으로써 기판의 온도와 상관됩니다.단결정막의 일반적인 기판 온도는 게르마늄과 실리콘의 경우 각각 400°C에서 760°C입니다.

웨이퍼 스테이지의 전위는 외부 전원에 의해 제어될 수 있으며, 표면에 충돌하는 라디칼의 양과 에너지에 영향을 미치며, 일반적으로 챔버 월에 대해 10~15V로 유지됩니다.

프로세스 가스는 웨이퍼 단계 아래에 위치한 가스 분산 링을 통해 챔버로 유입됩니다.LEPECVD 원자로에 사용되는 가스는 실란(silane)이다.실리콘4 증착용 SiH) 및 게르마늄 증착용 저메인4(GeH)과 p형 및 n형 도핑용 디보란(26BH) 및 포스핀3(PH)이다.

플라즈마 소스

플라즈마 선원은 LEPECVD 원자로의 가장 중요한 구성 요소이며, 낮은 에너지, 고밀도, 플라즈마가 일반적인 PECVD 증착 시스템과의 주요 차이점이다.플라즈마는 챔버 하단에 부착된 소스에서 생성됩니다.아르곤은 탄탈 필라멘트를 가열하여 열전자 방출에 의해 전자가 풍부한 환경을 만드는 직접 공급된다.그런 다음 플라즈마는 가열된 필라멘트에서 선원의 접지된 벽으로 DC 방전에 의해 점화됩니다.소스의 높은 전자밀도로 인해 방전에 필요한 전압은 약 20~30V로 약 10~20eV의 이온에너지를 발생시키는 반면 방전전류는 수십암페어 수준으로 높은 이온밀도를 제공한다.DC 방전 전류는 이온 밀도를 제어하도록 조정될 수 있으며, 따라서 성장률이 변화합니다. 특히 방전 전류가 클수록 이온 밀도가 높아지므로 속도가 증가합니다.

플라즈마 구속

플라즈마는 접지된 챔버 벽에 전기적으로 연결된 양극을 통해 성장 챔버로 들어가 방전과 플라즈마의 초점을 맞추고 안정시키는 데 사용됩니다.또한 챔버를 둘러싼 외부 구리 코일에 의해 제공되는 챔버의 축을 따라 유도되는 자기장에 의해 초점이 추가된다.코일을 통과하는 전류(즉, 자기장의 강도)를 제어하여 기판 표면의 이온 밀도를 변화시켜 성장률을 변화시킬 수 있습니다.추가 코일("워블러")은 축이 자기장에 대해 수직인 챔버 주위에 배치되어 플라즈마를 기판 위로 연속적으로 스위프하여 퇴적막의 균일성을 향상시킨다.

적용들

(플라즈마 밀도 또는 가스속을 통해) 기판온도와 독립적으로 성장속도를 변화시킬 수 있기 때문에 계면이 날카로운 박막과 나노미터 스케일까지의 정밀도를 가진 박막은 0.4nm/s, 두꺼운 층(최대 10nm/s 이상) 모두 10nm/s의 속도로 성장시킬 수 있다.동일한 원자로 및 동일한 증착 프로세스 내에 있어야 한다.이는 NIR 및[2] MIR용[1] 저손실 성분 그레이드 도파관과 NIR 광진폭 [1]변조를 위한 통합 나노구조(양자 우물 스택)를 성장시키기 위해 이용되었습니다.LEPECVD는 또한 높은 이동성 변형 Ge 채널을 [3]실현하기 위해 두꺼운 버퍼에서 매우 날카로운 양자 웰을 모두 성장시킬 수 있는 능력을 사용했다.

LEPECVD 기술의 또 다른 유망한 적용은 깊은 패턴의 Si [4]기판 위에 높은 석면비, 자체 조립 실리콘 및 게르마늄 미세 결정의 성장 가능성입니다.이는 헤테로 에피택시와 관련된 많은 문제(즉, 열팽창 계수 및 결정 격자 불일치)를 해결하여 매우 높은 결정 품질을 가져오며, LEPECVD [5]원자로에서 발견되는 높은 속도와 낮은 온도 덕분에 가능하다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b Vivien, Laurent; Isella, Giovanni; Crozat, Paul; Cecchi, Stefano; Rouifed, Mohamed-Said; Chrastina, Daniel; Frigerio, Jacopo; Marris-Morini, Delphine; Chaisakul, Papichaya (June 2014). "Integrated germanium optical interconnects on silicon substrates". Nature Photonics. 8 (6): 482–488. doi:10.1038/nphoton.2014.73. hdl:11311/849543. ISSN 1749-4893.
  2. ^ Ramirez, J. M.; Liu, Q.; Vakarin, V.; Frigerio, J.; Ballabio, A.; Le Roux, X.; Bouville, D.; Vivien, L.; Isella, G.; Marris-Morini, D. (9 January 2018). "Graded SiGe waveguides with broadband low-loss propagation in the mid infrared". Optics Express. 26 (2): 870–877. doi:10.1364/OE.26.000870. hdl:11311/1123121. PMID 29401966.
  3. ^ von Känel, H.; Chrastina, D.; Rössner, B.; Isella, G.; Hague, J.P.; Bollani, M. (October 2004). "High mobility SiGe heterostructures fabricated by low-energy plasma-enhanced chemical vapor deposition". Microelectronic Engineering. 76 (1–4): 279–284. doi:10.1016/j.mee.2004.07.029.
  4. ^ Falub, C. V.; von Kanel, H.; Isa, F.; Bergamaschini, R.; Marzegalli, A.; Chrastina, D.; Isella, G.; Muller, E.; Niedermann, P.; Miglio, L. (15 March 2012). "Scaling Hetero-Epitaxy from Layers to Three-Dimensional Crystals". Science. 335 (6074): 1330–1334. doi:10.1126/science.1217666. PMID 22422978. S2CID 27155438.
  5. ^ Bergamaschini, R.; Isa, F.; Falub, C.V.; Niedermann, P.; Müller, E.; Isella, G.; von Känel, H.; Miglio, L. (November 2013). "Self-aligned Ge and SiGe three-dimensional epitaxy on dense Si pillar arrays". Surface Science Reports. 68 (3–4): 390–417. doi:10.1016/j.surfrep.2013.10.002.

외부 링크