Lågenergiplasmaförstärkt kemisk ångavsättning

Plasma (endast argon till vänster, argon och silan till höger) inuti en prototyp LEPECVD-reaktor vid LNESS -laboratoriet i Como, Italien.

Lågenergiplasmaförstärkt kemisk ångavsättning ( LEPECVD ) är en plasmaförstärkt kemisk ångavsättningsteknik som används för epitaxiell avsättning av tunna halvledarfilmer ( kisel , germanium och SiGe-legeringar ). En fjärrstyrd argonplasma med låg energi och hög densitet används för att effektivt sönderdela gasfasprekursorerna samtidigt som det epitaxiella lagret lämnas oskadat , vilket resulterar i högkvalitativa epilager och höga avsättningshastigheter (upp till 10 nm/s) .

Arbetsprincip

Substratet (typiskt en kiselskiva ) sätts in i reaktorkammaren, där det värms upp av en grafitresistiv värmare från baksidan . En argonplasma införs i kammaren för att jonisera prekursorernas molekyler, vilket genererar mycket reaktiva radikaler som resulterar i tillväxten av ett epilager på substratet. Dessutom tar bombardemang av Ar-joner bort väteatomerna som är adsorberade på ytan av substratet samtidigt som det inte introducerar någon strukturell skada. Radikalernas höga reaktivitet och avlägsnandet av väte från ytan genom jonbombardemang förhindrar de typiska problemen med Si-, Ge- och SiGe-legeringars tillväxt genom termisk kemisk ångdeposition (CVD), som är

beroende av tillväxthastigheten från substratets temperatur, på grund av den termiska energin som behövs för prekursornedbrytning och väte desorption från substratet
höga temperaturer (>1000 °C för kisel) som krävs för att få en betydande tillväxthastighet, vilket är starkt begränsat av de ovan nämnda effekterna
starkt beroende av avsättningshastigheten på SiGe-legeringssammansättningen, på grund av den stora skillnaden mellan vätedsorptionshastigheten från Si- och Ge-ytor.

Tack vare dessa effekter beror tillväxthastigheten i en LEPECVD-reaktor endast på plasmaparametrarna och gasflödena, och det är möjligt att erhålla epitaxiell avsättning vid mycket lägre temperaturer jämfört med ett standard CVD-verktyg.

LEPECVD-reaktor

Skiss av en typisk LEPECVD-reaktor.

LEPECVD-reaktorn är uppdelad i tre huvuddelar:

ett lastlås, för att ladda substraten i kammaren utan att bryta vakuumet
huvudkammaren, som hålls i UHV vid ett bastryck på ~10 $^{-9}$ mbar
plasmakällan, där plasman genereras.

Substratet placeras på toppen av kammaren, vänd nedåt mot plasmakällan. Uppvärmning tillhandahålls från baksidan av termisk strålning från en resistiv grafitvärmare inkapslad mellan två bornitridskivor , vilket förbättrar temperaturlikformigheten över värmaren. Termoelement används för att mäta temperaturen ovanför värmaren, som sedan korreleras med den för substratet genom en kalibrering gjord med en infraröd pyrometer . Typiska substrattemperaturer för monokristallina filmer är 400 °C till 760 °C, för germanium respektive kisel.

Potentialen för wafersteget kan styras av en extern strömförsörjning, vilket påverkar mängden och energin av radikaler som träffar ytan, och hålls vanligtvis vid 10-15 V med avseende på kammarväggarna.

Processgaserna införs i kammaren genom en gasspridningsring placerad under wafersteget. Gaserna som används i en LEPECVD-reaktor är silan ( SiH ₄ ) och germane ( GeH ₄ ) för kisel- respektive germaniumavsättning, tillsammans med diboran ( B ₂ H ₆ ) och fosfin ( PH ₃ ) för dopning av p- och n-typ.

Plasmakälla

Plasmakällan är den mest kritiska komponenten i en LEPECVD-reaktor, eftersom plasma med låg energi och hög densitet är nyckelskillnaden från ett typiskt PECVD -avsättningssystem. Plasman genereras i en källa som är fäst vid botten av kammaren. Argon matas direkt i källan, där tantalfilament värms upp för att skapa en elektronrik miljö genom termionisk emission . Plasmat antänds sedan av en likströmsurladdning från de uppvärmda trådarna till källans jordade väggar. Tack vare den höga elektrontätheten i källan är spänningen som krävs för att erhålla en urladdning cirka 20-30V, vilket resulterar i en jonenergi på cirka 10-20 eV, medan urladdningsströmmen är i storleksordningen flera tiotals ampere, vilket ger en hög jondensitet. DC-urladdningsströmmen kan ställas in för att styra jontätheten, vilket ändrar tillväxthastigheten: speciellt vid en större urladdningsström är jondensiteten högre, vilket ökar hastigheten.

Plasmainneslutning

Plasman kommer in i tillväxtkammaren genom en anod som är elektriskt ansluten till de jordade kammarväggarna, som används för att fokusera och stabilisera urladdningen och plasman. Ytterligare fokusering tillhandahålls av ett magnetiskt fält riktat längs kammarens axel, tillhandahållet av externa kopparspolar lindade runt kammaren. Strömmen som flyter genom spolarna (dvs. magnetfältets intensitet) kan styras för att ändra jontätheten vid substratets yta och därmed ändra tillväxthastigheten. Ytterligare spolar ("wobblers") placeras runt kammaren, med deras axel vinkelrät mot magnetfältet, för att kontinuerligt svepa plasmat över substratet, vilket förbättrar homogeniteten hos den avsatta filmen.

Ansökningar

Tack vare möjligheten att ändra tillväxthastigheten (genom plasmadensiteten eller gasflödena) oberoende av substratets temperatur, både tunna filmer med skarpa gränssnitt och en precision ner till nanometerskalan vid hastigheter så låga som 0,4 nm/s, samt så tjocka skikt (upp till 10 um eller mer) med hastigheter så höga som 10 nm/s, kan odlas med användning av samma reaktor och i samma deponeringsprocess. Detta har utnyttjats för att odla lågförlustkompositionsgraderade vågledare för NIR och MIR och integrerade nanostrukturer (dvs. kvantbrunnsstackar) för NIR optisk amplitudmodulering. LEPECVD:s förmåga att odla båda mycket skarpa kvantbrunnar på tjocka buffertar i samma deponeringssteg har också använts för att realisera ansträngda Ge-kanaler med hög rörlighet.

En annan lovande tillämpning av LEPECVD-tekniken är möjligheten att odla högt bildförhållande, självmonterade kisel- och germaniummikrokristaller på djupt mönstrade Si-substrat. Detta löser många problem relaterade till heteroepitaxi (dvs. termisk expansionskoefficient och kristallgittermissanpassning), vilket leder till mycket hög kristallkvalitet, och är möjligt tack vare de höga hastigheter och låga temperaturer som finns i en LEPECVD-reaktor.

Se även

externa länkar

LEPECVD-sida på webbplatsen för L-NESS-laboratoriet i Politecnico di Milano, i Como, Italien.