化学ビームエピタキシー

化学ビームエピタキシー(CBE) は、半導体層システム、特に III-V 半導体システム用の重要な堆積技術の 1 つです。この形式のエピタキシャル成長は、超高真空システムで実行されます。反応物は、反応性ガスの分子ビームの形をしており、通常は水素化物または有機金属です。CBE という用語は、多くの場合、有機金属分子ビームエピタキシー (MOMBE) と互換的に使用されます。ただし、この命名法では、この 2 つの (わずかに異なる) プロセスは区別されています。最も厳密な意味で使用する場合、CBE は両方のコンポーネントがガス源から得られる技術を指し、MOMBE は、III 族コンポーネントがガス源から得られ、V 族コンポーネントが固体源から得られる技術を指します。

化学ビームエピタキシーは、1984年にWT Tsangによって初めて実証されました。^[1]この技術は、当時、金属有機化学気相成長法（MOCVD）と分子ビームエピタキシー（MBE）の両方の利点を活用したハイブリッドとして説明されていました。この最初の研究では、InPとGaAsは、ガス状のIII族およびV族アルキルを使用して成長しました。III族元素は表面でのアルキルの熱分解から得られ、 V族元素は、 950〜1200℃で加熱されたタンタル（Ta）またはモリブデン（Mo）と接触させることによるアルキルの分解から得られました。MOCVDの場合、ガスリアクター内の一般的な圧力は10 ² Torr〜1 atmです。ここでは、ガスの輸送は粘性流によって行われ、化学物質は拡散によって表面に到達します。対照的に、CBEでは10 ⁻⁴ Torr未満のガス圧が使用されます。平均自由行程が大幅に長くなったため、ガス輸送は分子線として行われ、プロセスは化学ビーム堆積に進化します。^[2]また、MBEでは、固体元素源から高温で蒸発させた原子ビーム（アルミニウム（Al）やガリウム（Ga）など）と分子ビーム（ As ₄やP ₄など）を使用しますが、CBEの源は室温で気相状態にあります。^[3] MOCVD、MBE、CBEの成長チャンバー内のさまざまなプロセスの比較は、図1に示されています。

標準的な UHV 成長チャンバーでは、ターボ分子ポンプとクライオポンプの組み合わせが使用されます。チャンバー自体には、液体窒素クライオシールドと、複数のウェハを搭載できる回転可能な結晶ホルダーが装備されています。結晶ホルダーは通常、裏側から 500 ～ 700 °C の温度に加熱されます。ほとんどのセットアップには、成長表面の表面上部構造の in-situ モニタリングと成長速度の測定を行う RHEED 装置、ビーム内の分子種の分析と残留ガスの分析を行う質量分析計も備わっています。^[4] システムの最も重要なコンポーネントの 1 つであるガス入口システムは、材料ビームのフラックスを制御します。最も一般的に使用されるのは圧力制御システムです。材料フラックスは、ガス注入毛細管の入力圧力によって制御されます。チャンバー内の圧力は、静電容量マノメータで測定および制御できます。ガスソース材料の分子ビームは、均一なビームプロファイルを確保するインジェクターまたはエフュージョンジェットから供給されます。 V族の出発物質である水素化物などの一部の出発化合物の場合、水素化物はインジェクター内で事前に分解される必要がある。これは通常、加熱された金属またはフィラメントで熱分解することによって行われる。^[4]

CBE に関連する成長速度論をよりよく理解するには、MBE および MOCVD に関連する物理的および化学的プロセスも調べることが重要です。図 2 は、これらを示しています。これら 3 つの技術の成長速度論は、さまざまな点で異なります。従来の MBE では、成長速度は III 族原子ビームの到達速度によって決まります。エピタキシャル成長は、III 族原子が加熱された基板表面に衝突し、適切な格子サイトに移動し、次に過剰な V 族二量体または四量体の近くに堆積するときに発生します。原子は固体元素源からの熱蒸発によって生成されるため、表面で化学反応が起こらないことは注目に値します。^[2]

MOCVD では、III 族アルキルはガス流中ですでに部分的に解離しています。これらは加熱された基板上に存在する停滞した境界層を拡散し、その後、原子 III 族元素に解離します。その後、これらの原子は適切な格子サイトに移動し、水素化物の熱分解から生成された V 族原子と結合してエピタキシャルに堆積します。ここでの成長速度は通常、境界層を通過する III 族アルキルの拡散速度によって制限されます。このプロセスでは、反応物間の気相反応も観察されています。^[2]

CBE プロセスでは、水素化物は基板に到達する前に高温インジェクターで分解されます。温度は、同様の MOCVD または MOVPE よりも通常 100 ～ 150 °C 低くなります。^[5]また、境界層 (MOCVD のような) はなく、圧力が低いため分子衝突は最小限に抑えられます。通常、V 族アルキルは過剰に供給され、III 族アルキル分子は従来の MBE と同様に加熱された基板に直接衝突します。この場合、III 族アルキル分子には 2 つの選択肢があります。最初の選択肢は、表面から熱エネルギーを獲得して 3 つのアルキルラジカルを解離し、表面に III 族元素原子を残すことです。2 番目の選択肢は、部分的にまたは完全に解離せずに再蒸発することです。したがって、成長速度は、基板温度が高い場合は III 族アルキルの到着速度によって、温度が低い場合は表面熱分解速度によって決まります。^[2]

誘電体マスキングによる選択成長は、MBEやMOCVDなどの親技術に比べてCBEを使用すると容易に達成できます。元素源MBEでは、III族原子は吸着された後容易に脱離しないため、選択成長を達成するのは困難です。化学源では、成長速度に関連する反応は、誘電体層よりも半導体表面で速くなります。ただし、CBEでは気相反応がないため、III族元素は誘電体表面に到達できません。また、境界層がない場合、衝突するIII族金属有機分子は脱離しやすくなります。これにより、MOCVDやMOVPEと比較して、CBEを使用して低温で選択エピタキシーを実行することが容易になります。^[5] ABCDテクノロジーが特許を取得した最近の開発では、基板の回転が不要になり、粒子ビームによるインサイチュパターン形成などの新しい可能性が生まれています。^[6]この可能性により、特に酸化物などのエッチングが難しい材料の場合、1つのステップでパターン化された薄膜を実現するための非常に興味深い展望が開かれます。

GaAsのCBEにTMGaを使用すると、取り込まれた炭素のために高いp型バックグラウンドドーピング（10 ²⁰ cm ⁻³ ）につながることが観察されました。しかし、TMGaの代わりにTEGaを使用すると、室温での正孔濃度が10 ¹⁴～ 10 ¹⁶ cm ⁻³の非常にクリーンなGaAsが得られることがわかりました。アルキルビーム圧力とTMGa/TEGa比を調整するだけで、正孔濃度を10 14 ～ 10 21 cm −3 に調整できることが実証されており^、 GaAs^の高く^{制御可能なp型ドーピングを実現する手段を提供します。これは、高品質のヘテロ接合バイポーラ}トランジスタの製造に利用されています。^[4]

CBE は、MOCVD や MBE などの親技術に比べて多くの利点があり、その一部を以下に示します。

1. マルチウェーハのスケールアップが容易: MBE では各要素ごとに個別のエフュージョン セルがあるため、厚さと適合性の均一性を保つには基板の回転が必要です。大きなエフュージョン セルと効率的な熱放散により、マルチウェーハのスケールアップはより困難になります。
2. 生産環境に最適: 精密な電子制御フローにより、瞬時にフラックスに応答します。
3. 楕円形欠陥の欠如：これらの楕円形欠陥は、通常、高温の噴出セルから噴出したGaまたはInの微小液滴から発生します。これらの欠陥のサイズと密度はシステムごとに、また時間ごとに異なります。^{[3] [7]}
4. 流出源の充填に依存しない流出条件でのドリフトが低くなります。
5. ABCDテクノロジーが特許を取得した最近の開発では、基板の回転は不要になりました。^[6]

1. RHEED などの in-situ 診断機器の簡単な実装。
2. 金属蒸着やイオン注入などの他の高真空薄膜処理方法との互換性。^{[3] [7]}

1. MOCVD に比べてより多くのポンピングが必要です。
2. GaInAs を成長させる場合、組成の制御が困難になることがあります。高温では Ga の取り込みは改善されますが、In の脱離に関連する問題に直面します。

したがって、良好な組成制御のためには、高温と低温の間で妥協点を見つける必要があります。

1. GaAlAsへの高炭素取り込み。^{[3] [7]}

• エピタキシー
• 分子線エピタキシー
• モブペ
• 化合物半導体
• 化学蒸着
• 有機金属
• 薄膜堆積
• リード