Химико-лучевая эпитаксия - Chemical beam epitaxy

Химико-лучевая эпитаксия (CBE) представляет собой важный класс методов осаждения для полупроводник слоистые системы, особенно полупроводниковые системы III-V. Эта форма эпитаксиального роста выполняется в сверхвысоких вакуум система. Реагенты представлены в виде молекулярных пучков химически активных газов, обычно в виде гидрид или металлоорганический. Термин CBE часто используется как синоним металлоорганической молекулярно-лучевой эпитаксии (MOMBE). Однако номенклатура действительно различает два (немного разных) процесса. При использовании в самом строгом смысле CBE относится к методике, при которой оба компонента получают из газовых источников, в то время как MOMBE относится к методике, в которой компонент группы III получают из газообразного источника, а компонент группы V - из твердого источника.

Основные принципы

Впервые химико-лучевая эпитаксия была продемонстрирована W.T. Tsang в 1984 году.[1] Затем этот метод был описан как гибрид химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) и молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), в котором использовались преимущества обоих методов. В этой первоначальной работе InP и GaAs были выращены с использованием газовых групп III и V. алкилы. Пока элементы III группы были получены из пиролиз алкилов на поверхности, элементы группы V были получены в результате разложения алкилов при контакте с нагретыми Тантал (Ta) или Молибден (Мо) при 950-1200 ° С. Типичное давление в газовом реакторе составляет 102 Торр и 1 атм для MOCVD. Здесь транспортировка газа осуществляется вязкий поток и химические вещества достигают поверхности путем диффузии. Напротив, давление газа менее 10−4 Торр используются в CBE. Перенос газа теперь происходит в виде молекулярного пучка из-за гораздо большей длины свободного пробега, и процесс переходит в осаждение химическим пучком.[2] Здесь также стоит отметить, что в МБЭ используются атомные пучки (например, алюминий (Земля Галлий (Ga)) и молекулярные пучки (такие как В качестве4 и п4 ), которые испаряются при высоких температурах из твердых элементарных источников, в то время как источники CBE находятся в паровой фазе при комнатной температуре.[3] Сравнение различных процессов в камере для выращивания MOCVD, MBE и CBE можно увидеть на рисунке 1.

Рисунок 1: Основные процессы в камерах роста а) MOCVD, б) MBE и в) CBE.[3]

Экспериментальная установка

Комбинация турбомолекулярных и криогенных насосов используется в стандартных камерах для выращивания сверхвысокого вакуума. Сама камера оснащена жидкий азот криозащитный экран и поворотный кристалл держатель, вмещающий более одной пластины. Кристаллодержатель обычно нагревается с тыльной стороны до температур от 500 до 700 ° C. Большинство установок также имеют оборудование RHEED для мониторинга на месте поверхностных надстроек на растущей поверхности и для измерения скорости роста, а также масс-спектрометры для анализа молекулярных частиц в пучках и анализа остаточных газов.[4]Система впуска газа, которая является одним из наиболее важных компонентов системы, регулирует поток материала пучка. Чаще всего используются системы с контролем давления. Поток материала регулируется входным давлением капилляра для впрыска газа. Давление внутри камеры можно измерить и контролировать с помощью емкостного манометра. Молекулярные пучки газообразных источников материалов, инжекторы или эффузионные струи, которые обеспечивают однородный профиль пучка. Для некоторых исходных соединений, таких как гидриды, которые являются исходным материалом группы V, гидриды должны быть предварительно подвергнуты крекингу в инжекторе. Обычно это делается путем термического разложения нагретым металлом или нитью накала.[4]

Кинетика роста

Чтобы лучше понять рост кинетика связанных с CBE, важно также рассмотреть физические и химические процессы, связанные с MBE и MOCVD. Рисунок 2 изображает их. Кинетика роста для этих трех методов во многом различается. В обычном МЛЭ скорость роста определяется скоростью прихода атомных пучков III группы. Эпитаксиальный рост происходит по мере попадания атомов III группы на нагретую поверхность подложки, миграции в соответствующие решетка сайтов, а затем откладывает около избыточных димеров или тетрамеров группы V. Стоит отметить, что на поверхности не происходит никакой химической реакции, поскольку атомы генерируются термическим воздействием. испарение из твердых элементарных источников.[2]

Рисунок 2: Кинетика роста, участвующая в а) обычном MBE, б) MOCVD и в) CBE.[2]

В MOCVD алкилы III группы уже частично диссоциируют в газовом потоке. Они диффундируют через застойный пограничный слой, который существует над нагретой подложкой, после чего диссоциируют на элементы атомной группы III. Эти атомы затем мигрируют в соответствующий узел решетки и осаждаются эпитаксиально, связываясь с атомом группы V, который образовался 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 растрескиваются в высокотемпературном инжекторе до того, как достигнут субстрата. Температура обычно на 100–150 ° C ниже, чем в аналогичных MOCVD или MOVPE.[5] Также отсутствует пограничный слой (такой как в MOCVD), а столкновения молекул минимальны из-за низкого давления. Алкилы группы V обычно поставляются в избытке, и молекулы алкила группы III ударяются непосредственно о нагретую подложку, как в обычном МБЭ. Когда это происходит, у молекулы алкила III группы есть два варианта. Первый вариант - диссоциировать три его алкильных радикала путем приобретения тепловая энергия с поверхности и оставляя атомы элементарной группы III на поверхности. Второй вариант - повторно испариться частично или полностью недиссоциированным. Таким образом, скорость роста определяется скоростью поступления алкилов III группы при более высокой температуре субстрата и скоростью пиролиза поверхности при более низких температурах.[2]

Совместимость с производством устройства

Селективный рост при низких температурах

Избирательный рост за счет диэлектрической маскировки легко достигается с помощью CBE по сравнению с исходными методами MBE и MOCVD. Селективного роста трудно достичь с использованием МБЭ элементарного источника, потому что атомы группы III не десорбируются легко после того, как они адсорбированный. При использовании химических источников реакции, связанные со скоростью роста, на поверхности полупроводника протекают быстрее, чем на диэлектрическом слое. Однако ни один элемент III группы не может попасть на поверхность диэлектрика в CBE из-за отсутствия каких-либо газофазных реакций. Кроме того, удаляющимся молекулам металлоорганических соединений III группы легче десорбироваться в отсутствие пограничного слоя. Это упрощает выполнение 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, в частности, для материалов, которые трудно травить, таких как оксиды.

легирование р-типа

Было обнаружено, что использование TMGa для CBE GaAs привело к высокому фоновому легированию p-типа (1020 см−3) за счет включения углерод. Однако было обнаружено, что использование TEGa вместо TMGa привело к очень чистому GaAs с концентрацией дырок при комнатной температуре между 1014 и 1016 см−3. Было продемонстрировано, что концентрацию дырок можно регулировать в пределах 1014 и 1021 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 высококачественного биполярного гетероперехода. транзисторы.[4]

Преимущества и недостатки

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

Преимущества перед MBE

  1. Более легкое масштабирование с использованием нескольких пластин: для обеспечения однородности толщины и соответствия требуется вращение подложки, так как MBE имеет отдельные эффузионные ячейки для каждого элемента. Большие эффузионные ячейки и эффективное рассеивание тепла затрудняют масштабирование нескольких пластин.
  2. Лучше для производственной среды: мгновенный отклик потока за счет точного электронного управления потоком.
  3. Отсутствие овальных дефектов: эти овальные дефекты обычно возникают из-за микрокапель Ga или In, выплевываемых из высокотемпературных эффузионных ячеек. Эти дефекты различаются по размеру и плотности от системы к системе и время от времени.[3][7]
  4. Меньшие дрейфы в эффузионных условиях, не зависящие от заполнения эффузивного источника.
  5. В последних разработках, запатентованных ABCD Technology, вращение подложки больше не требуется.[6]

Преимущества перед MOCVD

  1. Простое внедрение диагностических инструментов на месте, таких как RHEED.
  2. Совместимость с другими методами обработки тонких пленок в высоком вакууме, такими как напыление металлов и ионная имплантация.[3][7]

Недостатки CBE

  1. Требуется больше прокачки по сравнению с MOCVD.
  2. При выращивании GaInAs управление составом может быть затруднено. При высокой температуре мы лучше включаем Ga, но сталкиваемся с проблемой, связанной с десорбцией In.

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

  1. Высокое содержание углерода для GaAlAs.[3][7]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Цанг, В. Т. (1984). «Химико-лучевая эпитаксия InP и GaAs». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 45 (11): 1234–1236. Дои:10.1063/1.95075. ISSN  0003-6951.
  2. ^ а б c d е Цанг, W.T. (1987). «Химико-лучевая эпитаксия Ga0.47В0.53Квантовые ямы и гетероструктуры As / InP ». Журнал роста кристаллов. Elsevier BV. 81 (1–4): 261–269. Дои:10.1016/0022-0248(87)90402-7. ISSN  0022-0248.
  3. ^ а б c d е Цанг, W.T. (1989). «От химической паровой эпитаксии к химико-лучевой эпитаксии». Журнал роста кристаллов. Elsevier BV. 95 (1–4): 121–131. Дои:10.1016/0022-0248(89)90364-3. ISSN  0022-0248.
  4. ^ а б c Люс, Ханс (1994). «Химическая лучевая эпитаксия - дитя науки о поверхности». Наука о поверхности. 299-300: 867–877. Дои:10.1016 / 0039-6028 (94) 90703-Х. ISSN  0039-6028.
  5. ^ а б Бенхимол, Жан-Луи; Александр, Ф .; Ламаре, Бруно; Легай, Филипп (1996). «Преимущества химико-лучевой эпитаксии для микро- и оптоэлектроники». Прогресс в выращивании кристаллов и изучении материалов. Elsevier BV. 33 (4): 473–495. Дои:10.1016 / s0960-8974 (96) 00091-5. ISSN  0960-8974.
  6. ^ а б Г. Бенвенути, Осаждение большой площади в высоком вакууме с высокой однородностью толщины. WO_2003093529_A2 [1].
  7. ^ а б c М.А. Герман и Х. Ситтер. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Гейдельберг: Springer, 1996.