低エネルギープラズマ化学蒸着

低エネルギープラズマ化学蒸着法( LEPECVD ) は、薄い半導体(シリコン、ゲルマニウム、SiGe 合金) フィルムのエピタキシャル蒸着に使用されるプラズマ化学蒸着法です。遠隔低エネルギー高密度DCアルゴンプラズマを使用して、エピタキシャル層を損傷せずに気相前駆体を効率的に分解し、高品質のエピ層と高い蒸着速度 (最大 10 nm/s) を実現します。

動作原理

基板（通常はシリコンウェーハ）がリアクターチャンバーに挿入され、背面からグラファイト抵抗ヒーターによって加熱されます。アルゴンプラズマがチャンバーに導入されて前駆体分子がイオン化され、反応性の高いラジカルが生成され、基板上にエピ層が成長します。さらに、Ar イオンの衝撃により、基板の表面に吸着された水素原子が除去されますが、構造的な損傷は発生しません。ラジカルの高い反応性とイオン衝撃による表面からの水素の除去により、熱化学蒸着（CVD）による Si、Ge、SiGe 合金の成長に特有の問題が防止されます。

前駆体の分解と基板からの水素の脱離に必要な熱エネルギーにより、成長速度は基板温度に依存する。
顕著な成長速度を得るには高温（シリコンの場合は1000℃以上）が必要であり、前述の効果によって大きく制限される。
Si 表面と Ge 表面からの水素脱離速度に大きな差があるため、堆積速度は SiGe 合金の組成に大きく依存します。

この効果のおかげで、LEPECVD リアクター内の成長速度はプラズマパラメータとガスフラックスのみに依存し、標準的な CVD ツールと比較してはるかに低い温度でエピタキシャル堆積を実現できます。

LEPECVDリアクター

LEPECVD リアクターは主に 3 つの部分に分かれています。

真空を破ることなく基板をチャンバー内にロードするためのロードロック
メインチャンバーは、約10mbarのベース圧力でUHVに保たれています。 $^{-9}$
プラズマが生成されるプラズマ源。

基板はチャンバーの上部に置き、プラズマ源に向かって下向きにします。加熱は、2 つの窒化ホウ素ディスクの間に封入された抵抗性グラファイトヒーターからの熱放射によって背面から行われ、ヒーター全体の温度均一性が向上します。ヒーター上部の温度を測定するために熱電対が使用され、その後、赤外線高温計で較正して基板の温度と相関がとられます。単結晶フィルムの一般的な基板温度は、ゲルマニウムとシリコンでそれぞれ 400 °C ～ 760 °C です。

ウェーハステージの電位は外部電源によって制御でき、表面に衝突するラジカルの量とエネルギーに影響を与え、通常はチャンバー壁に対して 10 ～ 15 V に保たれます。

プロセスガスは、ウェーハステージの下に配置されたガス分散リングを通じてチャンバー内に導入されます。LEPECVD リアクターで使用されるガスは、シリコンとゲルマニウムの堆積にそれぞれシラン( SiH ₄ ) とゲルマン( GeH ₄ ) であり、p 型および n 型ドーピングにはジボラン( B ₂ H ₆ ) とホスフィン( PH ₃ ) が使用されます。

プラズマ源

プラズマ源は、LEPECVD リアクターの最も重要なコンポーネントです。これは、低エネルギーで高密度のプラズマが、一般的なPECVD堆積システムとの重要な違いだからです。プラズマは、チャンバーの底部に取り付けられた源で生成されます。アルゴンが源に直接供給され、そこでタンタルフィラメントが加熱され、熱電子放出によって電子が豊富な環境が生成されます。次に、加熱されたフィラメントから源の接地壁への DC放電によってプラズマが点火されます。源内の電子密度が高いため、放電に必要な電圧は約 20 ～ 30 V で、イオンエネルギーは約 10 ～ 20 eV になります。一方、放電電流は数十アンペアのオーダーで、高いイオン密度が得られます。DC 放電電流を調整してイオン密度を制御し、成長速度を変えることができます。特に、放電電流が大きいとイオン密度が高くなるため、速度が上がります。

プラズマ閉じ込め

プラズマは、接地されたチャンバー壁に電気的に接続された陽極から成長チャンバーに入ります。陽極は、放電とプラズマを集中させて安定化させるために使用されます。さらに、チャンバーの軸に沿って磁場をかけて集中させます。磁場は、チャンバーの周囲に巻かれた外部銅コイルによって提供されます。コイルを流れる電流 (つまり、磁場の強度) を制御することで、基板表面のイオン密度を変更し、成長速度を変えることができます。追加のコイル (「ウォブラー」) がチャンバーの周囲に配置され、その軸は磁場と垂直になり、基板上でプラズマを連続的に掃引して、堆積されたフィルムの均一性を向上させます。

アプリケーション

基板温度とは無関係に成長速度（プラズマ密度またはガス流束を通じて）を変更できるため、0.4 nm/s という低速でナノメートルスケールの精度で鋭い界面を持つ薄膜と、10 nm/s という高速で厚い層（最大 10 um 以上）の両方を、同じリアクターを使用して同じ堆積プロセスで成長させることができます。これは、NIR [ ^1]および MIR ^[2]用の低損失組成傾斜導波路や、NIR 光振幅変調用の統合ナノ構造（量子井戸スタックなど）の成長に活用されています。^[1]同じ堆積ステップで厚いバッファ上に非常に鋭い量子井戸の両方を成長させる LEPECVD の機能は、高移動度の歪み Ge チャネルを実現するためにも使用されています。^[3]

LEPECVD技術のもう一つの有望な応用は、深くパターン化されたSi基板上に高アスペクト比の自己組織化シリコンおよびゲルマニウム微結晶を成長させることです。^[4]これにより、ヘテロエピタキシーに関連する多くの問題（熱膨張係数や結晶格子の不整合など）が解決され、非常に高い結晶品質が得られます。これは、LEPECVDリアクターの高速性と低温のおかげで可能になりました。^[5]

参照

参考文献

^ ab ヴィヴィアン、ローラン;イゼッラ、ジョバンニ。クロザット、ポール。チェッキ、ステファノ。ルイフド、モハメッド・サイード。クラスティーナ、ダニエル。フリジェリオ、ヤコポ。マリス＝モリーニ、デルフィーヌ。パピチャヤのチャイサクル（2014 年 6 月）。「シリコン基板上の集積ゲルマニウム光相互接続」。ネイチャーフォトニクス。8 (6): 482–488。土井：10.1038/nphoton.2014.73。hdl : 11311/849543。ISSN 1749-4893。
^ Ramirez, JM; Liu, Q.; Vakarin, V.; Frigerio, J.; Ballabio, A.; Le Roux, X.; Bouville, D.; Vivien, L.; Isella, G.; Marris-Morini, D. (2018 年 1 月 9 日). 「中赤外線での広帯域低損失伝搬を実現するグレーデッド SiGe 導波路」. Optics Express . 26 (2): 870–877. doi :10.1364/OE.26.000870. hdl : 11311/1123121 . PMID 29401966.
^ von Känel, H.; Chrastina, D.; Rössner, B.; Isella, G.; Hague, JP; Bollani, M. (2004 年 10 月). 「低エネルギープラズマ強化化学蒸着法で製造された高移動度 SiGe ヘテロ構造」. Microelectronic Engineering . 76 (1–4): 279–284. doi :10.1016/j.mee.2004.07.029.
^ ファルーブ、CV;フォン・カネル、H.イサ、F.ベルガマスキーニ、R.マルゼガリ、A.クラスティーナ、D.イゼラ、G.ミュラー、E.ニーダーマン、P.ミリオ、L. (2012 年 3 月 15 日) 「ヘテロエピタキシーを層から三次元結晶に拡張する」。科学。335 (6074): 1330 ～ 1334 年。土井：10.1126/science.1217666。PMID 22422978。S2CID 27155438 。
^ ベルガマスキーニ、R.;イサ、F.ファルーブ、CV;ニーダーマン、P.ミュラー、Ｅ．イゼラ、G.フォン・ケネル、H.ミリオ、L. (2013 年 11 月)。「高密度Siピラーアレイ上の自己整合GeおよびSiGe三次元エピタキシー」。表面科学レポート。68 (3–4): 390–417。土井：10.1016/j.surfrep.2013.10.002。

外部リンク

イタリアのコモにあるミラノ工科大学の L-NESS 研究所の Web サイトにある LEPECVD ページ。

[NIR-1] ヴィヴィアン、ローラン;イゼッラ、ジョバンニ。クロザット、ポール。チェッキ、ステファノ。ルイフド、モハメッド・サイード。クラスティーナ、ダニエル。フリジェリオ、ヤコポ。マリス＝モリーニ、デルフィーヌ。パピチャヤのチャイサクル（2014 年 6 月）。「シリコン基板上の集積ゲルマニウム光相互接続」。ネイチャーフォトニクス。8 (6): 482–488。土井：10.1038/nphoton.2014.73。hdl : 11311/849543。ISSN 1749-4893。

[MIR-2] Ramirez, JM; Liu, Q.; Vakarin, V.; Frigerio, J.; Ballabio, A.; Le Roux, X.; Bouville, D.; Vivien, L.; Isella, G.; Marris-Morini, D. (2018 年 1 月 9 日). 「中赤外線での広帯域低損失伝搬を実現するグレーデッド SiGe 導波路」. Optics Express . 26 (2): 870–877. doi :10.1364/OE.26.000870. hdl : 11311/1123121 . PMID 29401966.

[mobility-3] von Känel, H.; Chrastina, D.; Rössner, B.; Isella, G.; Hague, JP; Bollani, M. (2004 年 10 月). 「低エネルギープラズマ強化化学蒸着法で製造された高移動度 SiGe ヘテロ構造」. Microelectronic Engineering . 76 (1–4): 279–284. doi :10.1016/j.mee.2004.07.029.

[pillars-4] ファルーブ、CV;フォン・カネル、H.イサ、F.ベルガマスキーニ、R.マルゼガリ、A.クラスティーナ、D.イゼラ、G.ミュラー、E.ニーダーマン、P.ミリオ、L. (2012 年 3 月 15 日) 「ヘテロエピタキシーを層から三次元結晶に拡張する」。科学。335 (6074): 1330 ～ 1334 年。土井：10.1126/science.1217666。PMID 22422978。S2CID 27155438 。

[5] ベルガマスキーニ、R.;イサ、F.ファルーブ、CV;ニーダーマン、P.ミュラー、Ｅ．イゼラ、G.フォン・ケネル、H.ミリオ、L. (2013 年 11 月)。「高密度Siピラーアレイ上の自己整合GeおよびSiGe三次元エピタキシー」。表面科学レポート。68 (3–4): 390–417。土井：10.1016/j.surfrep.2013.10.002。