Химическая лучевая эпитаксия

Химическая лучевая эпитаксия (CBE) представляет собой важный класс методов осаждения систем полупроводниковых слоев, особенно полупроводниковых систем III-V. Эта форма эпитаксиального роста выполняется в системе сверхвысокого вакуума . Реагенты находятся в форме молекулярных пучков химически активных газов, обычно в виде гидридов или металлорганических соединений . Термин CBE часто используется как синоним металлоорганической молекулярно-лучевой эпитаксии (MOMBE). Однако номенклатура различает эти два (немного отличающихся) процесса. При использовании в самом строгом смысле CBE относится к методу, в котором оба компонента получают из газообразных источников, тогда как MOMBE относится к методу, в котором компонент группы III получают из газообразного источника, а компонент группы V - из твердого источника.

Основные принципы

Химическая лучевая эпитаксия была впервые продемонстрирована У. Т. Цангом в 1984 году. ^{[ 1 ]} Затем этот метод был описан как гибрид металлоорганического химического осаждения из паровой фазы (MOCVD) и молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), в котором использовались преимущества обоих методов. В этой первоначальной работе InP и GaAs выращивались с использованием газообразных алкилов III и V групп . В то время как элементы группы III были получены в результате пиролиза алкилов на поверхности, элементы группы V были получены в результате разложения алкилов при контакте с нагретым танталом (Та) или молибденом (Мо) при 950-1200 ° C. Типичное давление в газовом реакторе составляет от 10 ² Торр и 1 атм для MOCVD. Здесь транспорт газа происходит вязким потоком, а химические вещества достигают поверхности путем диффузии. Напротив, давление газа менее 10 ⁻⁴ Торр используются в CBE. Транспорт газа теперь происходит в виде молекулярного луча из-за гораздо большей длины свободного пробега, и процесс переходит в осаждение химическим лучом. ^{[ 2 ]} Здесь также стоит отметить, что в MBE используются атомные пучки (такие как алюминий (Al) и галлий (Ga)) и молекулярные пучки (такие как As ₄ и P ₄ ), которые испаряются при высоких температурах из источников твердых элементов, в то время как источники для CBE находятся в паровой фазе при комнатной температуре. ^{[ 3 ]} Сравнение различных процессов в камере выращивания для MOCVD, MBE и CBE можно увидеть на рисунке 1.

Экспериментальная установка

В стандартных камерах выращивания сверхвысокого давления используется комбинация турбомолекулярных и крионасосов. Сама камера оснащена криоэкраном из жидкого азота и вращающимся кристаллодержателем , способным удерживать более одной пластины. Держатель кристалла обычно нагревают с обратной стороны до температуры от 500 до 700 °С. Большинство установок также оснащены оборудованием RHEED для мониторинга поверхностных сверхструктур на растущей поверхности in-situ и измерения скорости роста, а также масс-спектрометрами для анализа молекулярных частиц в пучках и анализа остаточных газов. ^{[ 4 ]} Система подачи газа, которая является одним из наиболее важных компонентов системы, контролирует поток пучка материала. Чаще всего используются системы с контролем давления. Поток материала контролируется входным давлением капилляра для нагнетания газа. Давление внутри камеры можно измерять и контролировать с помощью емкостного манометра. Молекулярные пучки газообразных исходных материалов инжекторы или эффузионные струи, обеспечивающие однородный профиль пучка. Для некоторых исходных соединений, таких как гидриды, которые являются исходным материалом группы V, гидриды необходимо предварительно крекинговать в инжекторе. Обычно это делается путем термического разложения с помощью нагретого металла или нити. ^{[ 4 ]}

Кинетика роста

Чтобы лучше понять кинетику роста , связанную с CBE, важно также рассмотреть физические и химические процессы, связанные с MBE и MOCVD. На рисунке 2 они изображены. Кинетика роста для этих трех методов во многом различается. В традиционном МЛЭ скорость роста определяется скоростью прихода атомных пучков III группы. Эпитаксиальный рост происходит по мере того, как атомы III группы сталкиваются с нагретой поверхностью подложки, мигрируют в соответствующие узлы решетки и затем осаждаются вблизи избыточных димеров или тетрамеров V группы. Стоит отметить, что на поверхности не происходит никакой химической реакции, поскольку атомы образуются путем термического испарения из твердых элементарных источников. ^{[ 2 ]}

При MOCVD алкилы группы III уже частично диссоциируют в газовом потоке. Они диффундируют через застойный пограничный слой, существующий над нагретой подложкой, после чего диссоциируют на атомные элементы III группы. Эти атомы затем мигрируют в соответствующий узел решетки и осаждаются эпитаксиально, связываясь с атомом группы V, образовавшимся в результате термического разложения гидридов. Скорость роста здесь обычно ограничивается скоростью диффузии алкилов III группы через пограничный слой. В этом процессе также наблюдались газофазные реакции между реагентами. ^{[ 2 ]}

В процессах CBE гидриды расщепляются в высокотемпературном инжекторе еще до того, как они достигнут подложки. Температуры обычно на 100–150 °C ниже, чем при аналогичной MOCVD или MOVPE. ^{[ 5 ]} Также отсутствует пограничный слой (например, в MOCVD), а столкновения молекул минимальны из-за низкого давления. Алкилы группы V обычно подаются в избытке, а молекулы алкилов группы III ударяются непосредственно о нагретый субстрат, как и в обычном МЛЭ. У алкильной молекулы группы III есть два варианта, когда это происходит. Первый вариант - диссоциировать три его алкильных радикала, получив тепловую энергию от поверхности и оставив на поверхности атомы элементарной группы III. Второй вариант – повторное испарение частично или полностью недиссоциировавшее. Таким образом, скорость роста определяется скоростью поступления алкилов III группы при более высокой температуре подложки и скоростью пиролиза поверхности при более низких температурах. ^{[ 2 ]}

Совместимость с производителем устройства

Селективный рост при низких температурах

Селективный рост посредством диэлектрической маскировки легко достигается с помощью CBE по сравнению с исходными методами MBE и MOCVD. Селективного роста трудно достичь с использованием элементарного источника MBE, поскольку атомы группы III плохо десорбируются после адсорбции . При использовании химических источников реакции, связанные со скоростью роста, протекают быстрее на поверхности полупроводника, чем на диэлектрическом слое. Однако ни один элемент группы III не может достичь поверхности диэлектрика при CBE из-за отсутствия каких-либо газофазных реакций. Кроме того, падающим металлорганическим молекулам III группы легче десорбироваться в отсутствие пограничного слоя. Это облегчает проведение селективной эпитаксии с использованием CBE и при более низких температурах по сравнению с MOCVD или MOVPE. ^{[ 5 ]} В последних разработках, запатентованных ABCD Technology, вращение подложки больше не требуется, что открывает новые возможности, такие как создание рисунка на месте с помощью пучков частиц. ^{[ 6 ]} Эта возможность открывает очень интересные перспективы для получения тонких пленок с рисунком за один этап, особенно для материалов, которые трудно травить, таких как оксиды.

легирование p-типа

Было обнаружено, что использование TMGa для CBE GaAs приводит к высокому фоновому легированию p-типа (10 ²⁰ см ⁻³) из-за включенного углерода . Однако было обнаружено, что использование TEGa вместо TMGa привело к получению очень чистого GaAs с концентрацией дырок при комнатной температуре от 10 ¹⁴ и 10 ¹⁶ см ⁻³. Было продемонстрировано, что концентрацию дырок можно регулировать в пределах 10 ¹⁴ и 10 ²¹ см ⁻³ просто регулируя давление алкильного пучка и соотношение TMGa/TEGa, обеспечивая средства для достижения высокого и контролируемого легирования GaAs p-типа. Это было использовано для изготовления высококачественных биполярных транзисторов с гетеропереходом . ^{[ 4 ]}

Преимущества и недостатки

CBE предлагает множество других преимуществ по сравнению с исходными методами MOCVD и MBE, некоторые из которых перечислены ниже:

Преимущества перед МБЭ

Упрощенное масштабирование нескольких пластин: для обеспечения однородности толщины и соответствия необходимо вращение подложки, поскольку MBE имеет отдельные эффузионные ячейки для каждого элемента. Большие эффузионные ячейки и эффективное рассеивание тепла затрудняют масштабирование нескольких пластин.
Лучше для производственной среды: мгновенный отклик потока благодаря прецизионному электронному управлению потоком.
Отсутствие овальных дефектов. Эти овальные дефекты обычно возникают из-за микрокапель Ga или In, выбрасываемых из высокотемпературных эффузионных ячеек. Эти дефекты различаются по размеру и плотности от системы к системе и время от времени. ^{[ 3 ]}^{[ 7 ]}
Меньшие сносы в условиях эффузии, не зависящие от заполнения эффузивного источника.
В последних разработках, запатентованных ABCD Technology, вращение подложки больше не требуется. ^{[ 6 ]}

Преимущества перед MOCVD

Простое внедрение инструментов диагностики на месте, таких как RHEED.
Совместимость с другими методами обработки тонких пленок в высоком вакууме, такими как испарение металлов и ионная имплантация. ^{[ 3 ]}^{[ 7 ]}

Недостатки CBE

Требуется больше откачки по сравнению с MOCVD.
Контроль состава может быть затруднен при выращивании GaInAs. При высокой температуре происходит лучшее включение Ga, но возникают проблемы, связанные с десорбцией In.

Таким образом, для хорошего контроля состава следует найти компромисс между высокой и низкой температурой.

Высокоуглеродистое внедрение GaAlAs. ^{[ 3 ]}^{[ 7 ]}

См. также

Ссылки

^ Цанг, WT (1984). «Химическая лучевая эпитаксия InP и GaAs». Письма по прикладной физике . 45 (11). Издательство АИП: 1234–1236. Бибкод : 1984ApPhL..45.1234T . дои : 10.1063/1.95075 . ISSN 0003-6951 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Цанг, WT (1987). «Химическая лучевая эпитаксия Ga _0,47 In _0,53, квантовые ямы As/InP и гетероструктурные устройства». Журнал роста кристаллов . 81 (1–4). Эльзевир Б.В.: 261–269. Бибкод : 1987JCrGr..81..261T . дои : 10.1016/0022-0248(87)90402-7 . ISSN 0022-0248 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Цанг, WT (1989). «От химической паровой эпитаксии к химической лучевой эпитаксии». Журнал роста кристаллов . 95 (1–4). Эльзевир Б.В.: 121–131. Бибкод : 1989JCrGr..95..121T . дои : 10.1016/0022-0248(89)90364-3 . ISSN 0022-0248 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Лют, Ганс (1994). «Химическая лучевая эпитаксия — дитя науки о поверхности». Поверхностная наука . 299–300: 867–877. Бибкод : 1994SurSc.299..867L . дои : 10.1016/0039-6028(94)90703-X . ISSN 0039-6028 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Беншимол, Жан-Луи; Александр, Ф.; Ламаре, Бруно; Легай, Филипп (1996). «Преимущества химико-лучевой эпитаксии для микро- и оптоэлектроники». Прогресс в выращивании кристаллов и характеристике материалов . 33 (4). Эльзевир Б.В.: 473–495. дои : 10.1016/s0960-8974(96)00091-5 . ISSN 0960-8974 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Г. Бенвенути, «Нанесение большой площади в высоком вакууме с высокой однородностью толщины». WO_2003093529_A2[1].
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с М. А. Герман и Х. Ситтер. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Гейдельберг: Спрингер, 1996.

[Tsang1984-1] Цанг, WT (1984). «Химическая лучевая эпитаксия InP и GaAs». Письма по прикладной физике . 45 (11). Издательство АИП: 1234–1236. Бибкод : 1984ApPhL..45.1234T . дои : 10.1063/1.95075 . ISSN 0003-6951 .

[Tsang1987-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Цанг, WT (1987). «Химическая лучевая эпитаксия Ga _0,47 In _0,53, квантовые ямы As/InP и гетероструктурные устройства». Журнал роста кристаллов . 81 (1–4). Эльзевир Б.В.: 261–269. Бибкод : 1987JCrGr..81..261T . дои : 10.1016/0022-0248(87)90402-7 . ISSN 0022-0248 .

[Tsang1989-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Цанг, WT (1989). «От химической паровой эпитаксии к химической лучевой эпитаксии». Журнал роста кристаллов . 95 (1–4). Эльзевир Б.В.: 121–131. Бибкод : 1989JCrGr..95..121T . дои : 10.1016/0022-0248(89)90364-3 . ISSN 0022-0248 .

[Luth-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с Лют, Ганс (1994). «Химическая лучевая эпитаксия — дитя науки о поверхности». Поверхностная наука . 299–300: 867–877. Бибкод : 1994SurSc.299..867L . дои : 10.1016/0039-6028(94)90703-X . ISSN 0039-6028 .

[Benchimol-5] Перейти обратно: ^а ^б Беншимол, Жан-Луи; Александр, Ф.; Ламаре, Бруно; Легай, Филипп (1996). «Преимущества химико-лучевой эпитаксии для микро- и оптоэлектроники». Прогресс в выращивании кристаллов и характеристике материалов . 33 (4). Эльзевир Б.В.: 473–495. дои : 10.1016/s0960-8974(96)00091-5 . ISSN 0960-8974 .

[Benvenuti-6] Перейти обратно: ^а ^б Г. Бенвенути, «Нанесение большой площади в высоком вакууме с высокой однородностью толщины». WO_2003093529_A2[1].

[Herman-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с М. А. Герман и Х. Ситтер. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Гейдельберг: Спрингер, 1996.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]