Низкоэнергетическое плазмохимическое осаждение из паровой фазы

Низкоэнергетическое химическое осаждение из паровой фазы с плазменным усилением ( LEPECVD ) — это метод химического осаждения из паровой фазы с плазменным усилением, используемый для эпитаксиального осаждения тонких полупроводниковых ( кремния , германия и сплавов пленок SiGe). Удаленная постоянного аргоновая плазма тока низкой энергии и высокой плотности используется для эффективного разложения предшественников газовой фазы , оставляя при этом эпитаксиальный слой неповрежденным, что приводит к получению высококачественных эпитаксиальных слоев и высокой скорости осаждения (до 10 нм / с).

Принцип работы

Подложка . (обычно кремниевая пластина ) вставляется в камеру реактора, где она нагревается графитовым резистивным нагревателем с задней стороны В камеру вводится аргоновая плазма, которая ионизирует молекулы прекурсоров, генерируя высокореактивные радикалы , которые приводят к росту эпического слоя на подложке. Более того, бомбардировка ионами Ar удаляет атомы водорода, адсорбированные на поверхности подложки, не вызывая при этом структурных повреждений. Высокая реакционная способность радикалов и удаление водорода с поверхности ионной бомбардировкой предотвращают типичные проблемы роста Si, Ge и сплавов SiGe методом термического химического осаждения из паровой фазы (CVD), которые

зависимость скорости роста от температуры подложки, обусловленная тепловой энергией, необходимой для разложения прекурсоров и десорбции водорода из подложки
высокие температуры (> 1000 ° C для кремния), необходимые для достижения значительной скорости роста, которая сильно ограничена вышеупомянутыми эффектами.
сильная зависимость скорости осаждения от состава сплава SiGe, обусловленная большой разницей в скорости десорбции водорода с поверхностей Si и Ge.

Благодаря этому эффекту скорость роста в реакторе LEPECVD зависит только от параметров плазмы и газовых потоков, и можно получать эпитаксиальное осаждение при гораздо более низких температурах по сравнению со стандартным инструментом CVD.

LEPECVD реактор

Реактор LEPECVD разделен на три основные части:

загрузочный шлюз для загрузки подложек в камеру без нарушения вакуума
основная камера, которая поддерживается в сверхвысоком вакууме при базовом давлении ~ 10 $^{-9}$ мбар
источник плазмы, в котором генерируется плазма.

Подложка размещается в верхней части камеры лицевой стороной вниз к источнику плазмы. Нагрев осуществляется с обратной стороны тепловым излучением резистивного графитового нагревателя, заключенного между двумя дисками из нитрида бора , что улучшает однородность температуры по всему нагревателю. Термопары используются для измерения температуры над нагревателем, которая затем сопоставляется с температурой подложки посредством калибровки, выполняемой с помощью инфракрасного пирометра . Типичные температуры подложки для монокристаллических пленок составляют от 400 до 760 °C для германия и кремния соответственно.

Потенциал стадии пластины можно контролировать с помощью внешнего источника питания, влияя на количество и энергию радикалов, падающих на поверхность, и обычно поддерживается на уровне 10-15 В по отношению к стенкам камеры.

Технологические газы вводятся в камеру через газораспределительное кольцо, расположенное под пластиной. Газы, используемые в реакторе LEPECVD, представляют собой силаны ( SiH ₄ ) и уместны ( GeH ₄ ) для осаждения кремния и германия соответственно совместно с дибораном ( B ₂ H ₆ ) и фосфин ( PH ₃ ) для легирования p- и n-типа.

Источник плазмы

Источник плазмы является наиболее важным компонентом реактора LEPECVD, поскольку плазма низкой энергии и высокой плотности является ключевым отличием от типичной PECVD системы осаждения . Плазма генерируется в источнике, прикрепленном к дну камеры. Аргон подается непосредственно в источник, где танталовые нити нагреваются, чтобы создать богатую электронами среду за счет термоэлектронной эмиссии . Затем плазма воспламеняется разрядом постоянного тока от нагретых нитей до заземленных стенок источника. Благодаря высокой плотности электронов в источнике напряжение, необходимое для получения разряда, составляет около 20-30 В, что приводит к энергии ионов около 10-20 эВ, а ток разряда составляет порядка нескольких десятков ампер, что дает высокая плотность ионов. Постоянный ток разряда можно настроить для управления плотностью ионов, тем самым изменяя скорость роста: в частности, при большем токе разряда плотность ионов выше, что увеличивает скорость.

Удержание плазмы

Плазма поступает в камеру роста через анод, электрически соединенный с заземленными стенками камеры, который используется для фокусировки и стабилизации разряда и плазмы. Дальнейшая фокусировка обеспечивается магнитным полем, направленным вдоль оси камеры, создаваемым внешними медными катушками, намотанными вокруг камеры. Ток, текущий через катушки (т.е. интенсивность магнитного поля), можно контролировать, чтобы изменить плотность ионов на поверхности подложки, тем самым изменяя скорость роста. Дополнительные катушки («воблеры») размещаются вокруг камеры так, чтобы их оси были перпендикулярны магнитному полю, чтобы непрерывно проносить плазму по подложке, улучшая однородность осаждаемой пленки.

Приложения

Благодаря возможности изменения скорости роста (за счет плотности плазмы или газовых потоков) независимо от температуры подложки, как тонкие пленки с острыми границами раздела и точностью до нанометрового масштаба со скоростью всего 0,4 нм/с, так и толстые слои (до 10 мкм и более) со скоростью до 10 нм/с можно выращивать с использованием одного и того же реактора и в одном и том же процессе осаждения. Это было использовано для выращивания волноводов с низкими потерями для БИК-диапазона. ^[1] и Я ^[2] и интегрированные наноструктуры (т.е. пакеты квантовых ям) для модуляции оптической амплитуды в ближнем ИК-диапазоне. ^[1] Способность LEPECVD выращивать обе очень острые квантовые ямы на толстых буферах на одном этапе осаждения также использовалась для реализации напряженных каналов Ge с высокой подвижностью. ^[3]

Еще одним многообещающим применением метода LEPECVD является возможность выращивания самоорганизующихся микрокристаллов кремния и германия с высоким соотношением сторон на подложках Si с глубоким рисунком. ^[4] Это решает многие проблемы, связанные с гетероэпитаксией (т.е. коэффициентом теплового расширения и несоответствием кристаллической решетки), что приводит к очень высокому качеству кристаллов и возможно благодаря высоким скоростям и низким температурам, обнаруженным в реакторе LEPECVD. ^[5]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Вивьен, Лоран; Изелла, Джованни; Кроза, Поль; Чекки, Стефано; Руифед, Мохамед-Саид; Крастина, Дэниел; Фриджерио, Якопо; Маррис-Морини, Дельфин; Чайсакул, Папичая (июнь 2014 г.). «Интегрированные германиевые оптические межсоединения на кремниевых подложках». Природная фотоника . 8 (6): 482–488. дои : 10.1038/nphoton.2014.73 . hdl : 11311/849543 . ISSN 1749-4893 .
^ Рамирес, Дж. М.; Лю, К.; Вакарин В.; Фриджерио, Дж.; Баллабио, А.; Ле Ру, X.; Бувиль, Д.; Вивьен, Л.; Изелла, Г.; Маррис-Морини, Д. (9 января 2018 г.). «Градуированные SiGe-волноводы с широкополосным распространением с низкими потерями в среднем инфракрасном диапазоне» . Оптика Экспресс . 26 (2): 870–877. дои : 10.1364/OE.26.000870 . hdl : 11311/1123121 . ПМИД 29401966 .
^ фон Канель, Х.; Крастина, Д.; Рёсснер, Б.; Изелла, Г.; Гаага, Япония; Боллани, М. (октябрь 2004 г.). «Высокомобильные гетероструктуры SiGe, изготовленные методом низкоэнергетического химического осаждения из паровой фазы с плазменным усилением». Микроэлектронная инженерия . 76 (1–4): 279–284. дои : 10.1016/j.mee.2004.07.029 .
^ Фалуб, резюме; фон Канель, Х.; Иса, Ф.; Бергамаскини, Р.; Марцегалли, А.; Крастина, Д.; Изелла, Г.; Мюллер, Э.; Нидерманн, П.; Милио, Л. (15 марта 2012 г.). «Масштабирование гетероэпитаксии от слоев до трехмерных кристаллов». Наука . 335 (6074): 1330–1334. дои : 10.1126/science.1217666 . ПМИД 22422978 . S2CID 27155438 .
^ Бергамаскини, Р.; Иисус, Ф.; Фалуб, резюме; Нидерманн, П.; Мюллер, Э.; Изелла, Г.; фон Канель, Х.; Милио, Л. (ноябрь 2013 г.). «Самовыравнивающаяся трехмерная эпитаксия Ge и SiGe на плотных массивах столбиков Si». Отчеты о поверхностной науке . 68 (3–4): 390–417. дои : 10.1016/j.surfrep.2013.10.002 .

Внешние ссылки

Страница LEPECVD на сайте лаборатории L-NESS Миланского политехнического университета в Комо, Италия.

[NIR-1] Перейти обратно: ^а ^б Вивьен, Лоран; Изелла, Джованни; Кроза, Поль; Чекки, Стефано; Руифед, Мохамед-Саид; Крастина, Дэниел; Фриджерио, Якопо; Маррис-Морини, Дельфин; Чайсакул, Папичая (июнь 2014 г.). «Интегрированные германиевые оптические межсоединения на кремниевых подложках». Природная фотоника . 8 (6): 482–488. дои : 10.1038/nphoton.2014.73 . hdl : 11311/849543 . ISSN 1749-4893 .

[MIR-2] Рамирес, Дж. М.; Лю, К.; Вакарин В.; Фриджерио, Дж.; Баллабио, А.; Ле Ру, X.; Бувиль, Д.; Вивьен, Л.; Изелла, Г.; Маррис-Морини, Д. (9 января 2018 г.). «Градуированные SiGe-волноводы с широкополосным распространением с низкими потерями в среднем инфракрасном диапазоне» . Оптика Экспресс . 26 (2): 870–877. дои : 10.1364/OE.26.000870 . hdl : 11311/1123121 . ПМИД 29401966 .

[mobility-3] фон Канель, Х.; Крастина, Д.; Рёсснер, Б.; Изелла, Г.; Гаага, Япония; Боллани, М. (октябрь 2004 г.). «Высокомобильные гетероструктуры SiGe, изготовленные методом низкоэнергетического химического осаждения из паровой фазы с плазменным усилением». Микроэлектронная инженерия . 76 (1–4): 279–284. дои : 10.1016/j.mee.2004.07.029 .

[pillars-4] Фалуб, резюме; фон Канель, Х.; Иса, Ф.; Бергамаскини, Р.; Марцегалли, А.; Крастина, Д.; Изелла, Г.; Мюллер, Э.; Нидерманн, П.; Милио, Л. (15 марта 2012 г.). «Масштабирование гетероэпитаксии от слоев до трехмерных кристаллов». Наука . 335 (6074): 1330–1334. дои : 10.1126/science.1217666 . ПМИД 22422978 . S2CID 27155438 .

[5] Бергамаскини, Р.; Иисус, Ф.; Фалуб, резюме; Нидерманн, П.; Мюллер, Э.; Изелла, Г.; фон Канель, Х.; Милио, Л. (ноябрь 2013 г.). «Самовыравнивающаяся трехмерная эпитаксия Ge и SiGe на плотных массивах столбиков Si». Отчеты о поверхностной науке . 68 (3–4): 390–417. дои : 10.1016/j.surfrep.2013.10.002 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]