Deposición de vapor químico mejorada con plasma de baja energía

Plasma (solo argón a la izquierda, argón y silano a la derecha) dentro de un prototipo de reactor LEPECVD en el laboratorio LNESS en Como, Italia.

La deposición química de vapor mejorada con plasma de baja energía ( LEPECVD ) es una técnica de deposición química de vapor mejorada con plasma utilizada para la deposición epitaxial de películas delgadas de semiconductores ( aleaciones de silicio , germanio y SiGe ). Se emplea un plasma de argón de CC de alta densidad y baja energía remota para descomponer de manera eficiente los precursores de la fase gaseosa sin dañar la capa epitaxial, lo que da como resultado depiladoras de alta calidad y altas tasas de deposición (hasta 10 nm / s).

Principio de funcionamiento

El sustrato (típicamente una oblea de silicio ) se inserta en la cámara del reactor, donde es calentado por un calentador resistivo de grafito desde la parte trasera. Se introduce un plasma de argón en la cámara para ionizar las moléculas de los precursores, generando radicales altamente reactivos que dan como resultado el crecimiento de una epicapa sobre el sustrato. Además, el bombardeo de iones Ar elimina los átomos de hidrógeno adsorbidos en la superficie del sustrato sin introducir daños estructurales. La alta reactividad de los radicales y la eliminación de hidrógeno de la superficie por bombardeo iónico previenen los problemas típicos del crecimiento de aleaciones de Si, Ge y SiGe por deposición térmica química en fase de vapor (CVD), que son

• Dependencia de la tasa de crecimiento de la temperatura del sustrato, debido a la energía térmica necesaria para la descomposición de los precursores y la desorción de hidrógeno del sustrato.
• Se requieren altas temperaturas (> 1000 ° C para el silicio) para obtener una tasa de crecimiento significativa, que está fuertemente limitada por los efectos antes mencionados.
• fuerte dependencia de la velocidad de deposición de la composición de la aleación de SiGe, debido a la gran diferencia entre la velocidad de desorción de hidrógeno de las superficies de Si y Ge.

Gracias a estos efectos, la tasa de crecimiento en un reactor LEPECVD depende solo de los parámetros del plasma y los flujos de gas, y es posible obtener deposición epitaxial a temperaturas mucho más bajas en comparación con una herramienta CVD estándar.

Reactor LEPECVD

Esquema de un reactor LEPECVD típico.

El reactor LEPECVD se divide en tres partes principales:

• un bloqueo de carga, para cargar los sustratos en la cámara sin romper el vacío
• la cámara principal, que se mantiene en UHV a una presión base de ~ 10 mbar${\displaystyle ^{-9}}$
• la fuente de plasma, donde se genera el plasma.

El sustrato se coloca en la parte superior de la cámara, mirando hacia la fuente de plasma. El calentamiento se proporciona desde la parte posterior mediante la radiación térmica de un calentador de grafito resistivo encapsulado entre dos discos de nitruro de boro , que mejoran la uniformidad de temperatura a través del calentador. Los termopares se utilizan para medir la temperatura por encima del calentador, que luego se correlaciona con la del sustrato mediante una calibración realizada con un pirómetro infrarrojo . Las temperaturas típicas del sustrato para películas monocristalinas son de 400 ° C a 760 ° C, para germanio y silicio respectivamente.

El potencial de la etapa de oblea se puede controlar mediante una fuente de alimentación externa, que influye en la cantidad y la energía de los radicales que inciden en la superficie, y normalmente se mantiene a 10-15 V con respecto a las paredes de la cámara.

Los gases de proceso se introducen en la cámara a través de un anillo de dispersión de gas colocado debajo de la etapa de la oblea. Los gases utilizados en un reactor LEPECVD son silano ( SiH ₄) y pertinente ( GeH ₄) para la deposición de silicio y germanio respectivamente, junto con diborano ( B ₂ H ₆) y fosfina ( PH ₃) para el dopaje de tipo p y n.

Fuente de plasma

La fuente de plasma es el componente más crítico de un reactor LEPECVD, ya que el plasma de alta densidad y baja energía es la diferencia clave con un sistema de deposición de PECVD típico . El plasma se genera en una fuente que se adjunta al fondo de la cámara. El argón se alimenta directamente en la fuente, donde los filamentos de tantalio se calientan para crear un ambiente rico en electrones por emisión termoiónica . Luego, el plasma se enciende mediante una descarga de CC.desde los filamentos calentados hasta las paredes conectadas a tierra de la fuente. Gracias a la alta densidad de electrones en la fuente, el voltaje requerido para obtener una descarga es de alrededor de 20-30 V, lo que resulta en una energía de iones de alrededor de 10-20 eV, mientras que la corriente de descarga es del orden de varias decenas de amperios, lo que da una alta densidad de iones. La corriente de descarga de CC se puede ajustar para controlar la densidad de iones, cambiando así la tasa de crecimiento: en particular, a una corriente de descarga mayor, la densidad de iones es mayor, lo que aumenta la tasa.

Confinamiento de plasma

El plasma ingresa a la cámara de crecimiento a través de un ánodo conectado eléctricamente a las paredes de la cámara con conexión a tierra, que se utiliza para enfocar y estabilizar la descarga y el plasma. Un campo magnético dirigido a lo largo del eje de la cámara proporciona un enfoque adicional , proporcionado por bobinas de cobre externas envueltas alrededor de la cámara. La corriente que fluye a través de las bobinas (es decir, la intensidad del campo magnético) se puede controlar para cambiar la densidad de iones en la superficie del sustrato, cambiando así la tasa de crecimiento. Se colocan bobinas adicionales ("wobblers") alrededor de la cámara, con su eje perpendicular al campo magnético, para barrer continuamente el plasma sobre el sustrato, mejorando la homogeneidad de la película depositada.

Aplicaciones

Gracias a la posibilidad de cambiar la tasa de crecimiento (a través de la densidad del plasma o los flujos de gas) independientemente de la temperatura del sustrato, también se obtienen películas delgadas con interfaces nítidas y una precisión hasta la escala nanométrica a tasas tan bajas como 0,4 nm / s. como capas gruesas (hasta 10 um o más) a velocidades tan altas como 10 nm / s, se pueden cultivar usando el mismo reactor y en el mismo proceso de deposición. Esto se ha aprovechado para desarrollar guías de ondas graduadas por composición de bajas pérdidas para NIR ^[1] y MIR ^[2] y nanoestructuras integradas (es decir, pilas de pozos cuánticos) para la modulación de amplitud óptica NIR. ^[1]La capacidad de LEPECVD para hacer crecer ambos pozos cuánticos muy nítidos en tampones gruesos en el mismo paso de deposición también se ha empleado para realizar canales de Ge con tensión de alta movilidad. ^[3]

Otra aplicación prometedora de la técnica LEPECVD es la posibilidad de cultivar microcristales de germanio y silicio autoensamblados de alta relación de aspecto sobre sustratos de Si profundamente modelados. ^[4] Esto resuelve muchos problemas relacionados con la heteroepitaxia (es decir, coeficiente de expansión térmica y desajuste de la red cristalina), lo que conduce a una calidad cristalina muy alta, y es posible gracias a las altas velocidades y bajas temperaturas que se encuentran en un reactor LEPECVD. ^[5]

Ver también

• Deposición de vapor químico
• Deposición de vapor químico mejorada con plasma

Referencias

1. Vivien, Laurent; Isella, Giovanni; Crozat, Paul; Cecchi, Stefano; Rouifed, Mohamed-Said; Chrastina, Daniel; Frigerio, Jacopo; Marris-Morini, Delphine; Chaisakul, Papichaya (junio de 2014). "Interconexiones ópticas de germanio integradas sobre sustratos de silicio". Nature Photonics . 8 (6): 482–488. doi : 10.1038 / nphoton.2014.73 . ISSN  1749-4893 .
2. Ramírez, JM; Liu, Q .; Vakarin, V .; Frigerio, J .; Ballabio, A .; Le Roux, X .; Bouville, D .; Vivien, L .; Isella, G .; Marris-Morini, D. (9 de enero de 2018). "Guías de ondas SiGe graduadas con propagación de banda ancha de baja pérdida en el infrarrojo medio" . Optics Express . 26 (2): 870–877. doi : 10.1364 / OE.26.000870 . hdl : 11311/1123121 . PMID 29401966 . 
3. von Känel, H .; Chrastina, D .; Rössner, B .; Isella, G .; Hague, JP; Bollani, M. (octubre de 2004). "Heteroestructuras de SiGe de alta movilidad fabricadas por deposición de vapor químico mejorada con plasma de baja energía". Ingeniería Microelectrónica . 76 (1–4): 279–284. doi : 10.1016 / j.mee.2004.07.029 .
4. Falub, CV; von Kanel, H .; Isa, F .; Bergamaschini, R .; Marzegalli, A .; Chrastina, D .; Isella, G .; Muller, E .; Niedermann, P .; Miglio, L. (15 de marzo de 2012). "Escala de heteroepitaxia de capas a cristales tridimensionales". Ciencia . 335 (6074): 1330-1334. doi : 10.1126 / science.1217666 . PMID 22422978 . S2CID 27155438 .  
5. Bergamaschini, R .; Isa, F .; Falub, CV; Niedermann, P .; Müller, E .; Isella, G .; von Känel, H .; Miglio, L. (noviembre de 2013). "Epitaxia tridimensional autoalineada de Ge y SiGe en matrices densas de pilares de Si". Informes de ciencia de superficie . 68 (3–4): 390–417. doi : 10.1016 / j.surfrep.2013.10.002 .

enlaces externos

• Página de LEPECVD en el sitio web del laboratorio L-NESS del Politecnico di Milano, en Como, Italia.