원자 층 증착을 통해 게르마늄에 페 로브 스카이 스트론튬 티탄의 에피 택셜 성장
Summary
이 작업은 원자 층 증착에 의해 게르마늄 기판 상에 직접 결정 된 SrTiO3 (3)의 성장 및 특성화에 대한 세부 절차. 절차는 금속 산화물 반도체 소자에 모 놀리 식 반도체 산화물을 통합하는 모든 화학 성장 법의 성능을 나타낸다.
Abstract
Atomic layer deposition (ALD) is a commercially utilized deposition method for electronic materials. ALD growth of thin films offers thickness control and conformality by taking advantage of self-limiting reactions between vapor-phase precursors and the growing film. Perovskite oxides present potential for next-generation electronic materials, but to-date have mostly been deposited by physical methods. This work outlines a method for depositing SrTiO3 (STO) on germanium using ALD. Germanium has higher carrier mobilities than silicon and therefore offers an alternative semiconductor material with faster device operation. This method takes advantage of the instability of germanium’s native oxide by using thermal deoxidation to clean and reconstruct the Ge (001) surface to the 2×1 structure. 2-nm thick, amorphous STO is then deposited by ALD. The STO film is annealed under ultra-high vacuum and crystallizes on the reconstructed Ge surface. Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) is used during this annealing step to monitor the STO crystallization. The thin, crystalline layer of STO acts as a template for subsequent growth of STO that is crystalline as-grown, as confirmed by RHEED. In situ X-ray photoelectron spectroscopy is used to verify film stoichiometry before and after the annealing step, as well as after subsequent STO growth. This procedure provides framework for additional perovskite oxides to be deposited on semiconductors via chemical methods in addition to the integration of more sophisticated heterostructures already achievable by physical methods.
Introduction
페 로브 스카이 트 재료는 그들의 높은 대칭 차 또는 유사 입방정 구조와 특성의 무수한에 점점 더 매력적인되고있다. 이들 물질은, 일반 식 ABO 3, 여섯 개의 산소 원자에 배위 (12) 산소 원자 및 B 원자와 배위 원자로 이루어져있다. 그 간단한 구조, 전위 요소의 또 넓은 범위에 의해, 페 로브 스카이 트 (perovskite) 물질이 헤테로 구조 장치에 이상적인 후보를 제공한다. 에피 택셜 산화물 헤테로은 강자성 자랑, 1-3 반 / 강유전체, 4 multiferroic, 5-8 초전도, 7 -. (12)와 자기 기능 (13, 14)이 바람직 전자 성질의 대부분은 계면과 물질 사이 깨끗하고 갑작스러운 전환에 따라서 달라집니다. 페 로브 스카이 트 가족 구성원간에 공유 거의 동일한 구조와 격자 상수는 우수한 리터 허용attice 일치하고, 따라서, 고품질의 인터페이스. 용이하게 격자 정합뿐만 아니라 서로 일부 반도체로는, 페 로브 스카이 트 산화물이 현재 차세대 금속 산화물 반도체의 전자로 전환되고있다.
첫 번째 페 로브 스카이 트 티탄산 스트론튬으로 입증 실리콘 결정질 산화물의 모 놀리 식 통합은 된 SrTiO3 3 (STO)는 맥키와 동료, (15)는 페 로브 스카이 트 – 반도체 통합과 전자 기기의 실현을 향한 기념비적 인 단계이었다. 분자 빔 에피 택시 (MBE)이 때문에 층별 성장 규소 산화물의 에피 택셜 성장의 기본 기술뿐만 아니라 비정질 계면의 SiO2 형성을 조절하는데 필요한 가변 산소 분압 16 -. 19 전형적인 MBE 성장 실리콘에서의 STO (001)의 SiO2의 SR-보조 탈산에 의해 달성된다. 초고 진공 (UHV) 조건에서의 SrO가 휘발성 인 서브열 증발에 JECT. SrO를 열역학적 스트론튬 금속 및 SiO2를 선호하기 때문에, 시니어의 증착 SiO2의 층으로부터 산소를 없애고 결과가 SrO 표면에서 증발한다. 이 과정에서, 실리콘 표면은 이합체 규소 원자의 열을 형성하는면에서 2 × 1 재구성을 경험한다. 편리하게, ½ 재구성 된 표면에 시니어 원자 단일 층 (ML)에 따르면이 이량 체 행에 의해 생성 된 틈을 채 웁니다. 20 ½ ML 범위는 산소 압력에주의 제어, SiO2를 방지하거나 계면 제어 할 수 있습니다, 보호 층을 제공 후속 산화물 성장 동안 형성 21 -. STO의 경우도 23의 (및 유사한 격자 매치로 페 로브 스카이 트 (perovskite))는, 얻어진 격자가 45 ° 회전 평면이되도록 (001) STO의 ‖ (001) Si 및 (100) STO의 ‖ (110)시는시 사이에 레지스트리를 허용 (3.84Å시 – 네 거리)와 STO합니다 (STO 만 약간의 압축 변형과 함께 = 3.905 Å). 이 레지스트리는 고품질 인터페이스 그들이 소유 원하는 특성에 필요하다.
실리콘 인해 계면 산화물의 높은 품질에 산업적으로 중요한되었지만, SiO2를 사용하는 작은 피처 크기에 상응하는 성능을 할 수있는 재료 단계적으로되고있다. SiO2를 경험 높은 누설 전류 때 초박형이 장치의 성능을 감소시킨다. 작은 피처 크기에 대한 수요의 SiO2 동등한 성능을 제공하고, 인자 (k)에 의해 SiO2를 /3.9보다 물리적으로 더 두껍다 고 유전 상수 (K)과 페 로브 스카이 트 산화물 막에 의해 충족 될 수있다. 또한, 다른 반도체는 게르마늄과 같은 때문에 실리콘보다 전자와 정공 이동도에 빠르게 장치 작동을위한 가능성을 제공합니다. 24, 25 게르마늄은 또한 INTERF이acial 산화물, 지역이 있지만, SiO2를 대조적으로, 그것은 불안정하고 열 탈산에 따라 달라질 수 있습니다. 따라서, 2 × 1 재구성 UHV 하에서 단순한 열 어닐링에 의해 달성하고, 보호 층은 페 로브 스카이 트 시니어 증착 동안 계면 산화물 성장을 방지 할 필요가 없다. 26
MBE에 의해 제공 성장 겉보기 용이성에도 불구하고, 원자 층 증착 (ALD)은 산화물 재료의 상업적 생산을위한 MBE보다 더 확장 가능하고 비용 효율적인 방법을 제공한다. 27,28 ALD가 자기있는 기판 기체 전구체의 투여 량을 사용 기판 표면과의 반응에 한정. 따라서, 이상적인 ALD 공정에서, 최대 하나의 원자 층의 표면에 추가적인 재료를 증착하지 사이클과 같은 전구체의 지속적인 투약 투여 주어진 전구체에 대해 증착된다. 반응성 작용기가 공동 반응물 자주 산화 또는 환원 전구체를 복원 (예를 들어물 또는 암모니아). 이전 작업은 아나타제 형 이산화 티탄, 된 SrTiO3 3의 BaTiO3 및 LaAlO 3 등 다양한 페 로브 스카이 트 필름의 ALD 성장을 보여 주었다, MBE로 성장 된 네 개의 단위 셀 두께 STO와 버퍼 있었다시 (001)에. (29) – 34 결정질 산화물의 순수 MBE 성장에서, ½ 청소시 (001)에 시니어의 단층 범위는 기술 (~ 10-7 토르) 네이티브 압력에서 SiO2를 형성에 대한 장벽을 제공하기에 충분하다. 그러나 ~ 1 Torr의 전형적인 ALD의 작동 압력 하에서, 이전 작업 STO 네 유닛 셀은 실리콘 표면을 산화 방지하기 위해 요구되는 것으로 나타났다. 29
여기에 설명 된 절차는 지역 2의 불안정성을 이용하고, MBE 성장 버퍼층없이 ALD 통해 게르마늄 STO의 일체형 통합을 달성 할 수있다. (26) 또한, 그것의 GE-창 자간 거리 (3.992 Å) (100) 표면의 Si (001)으로 관찰 STO와 유사한 에피 택셜 레지스트리 수 있습니다. 여기에 제시된 절차에 게르마늄 STO 특정이지만, 약간의 변형 게르마늄 막의 페 로브 스카이 트의 다양한 모 놀리 통합 할 수있다. 사실, 결정 SrHfO 3의 BaTiO3 영화를 직접 ALD 성장이 창에보고되고있다. 35, 36 추가 가능성이 잠재적 인 게이트 산화물을 포함, SrZr는 ALD의 페 로브 스카이 트 성장의 이전의 연구에 구축, 마지막으로 티 1-X의 O 3. 37 X 시에 네 개의 단위 셀 STO 필름에 (001) 29-34은 STO / 실리콘 플랫폼을 성장시킬 수있는 필름은 LaAlO 3 LaCoO 같은 창에 ALD 성장 STO 버퍼 필름 상에 성장 될 수 있음을 시사한다 3. 32,38 산화물 헤테로과 페 로브 스카이 트 산화물 사이의 놀라운 유사성에 사용할 수있는 속성의 다수는이 절차가 t 활용 될 수 제안이전 오 연구 등 산업적으로 실행 가능한 기술로 어렵거나 불가능 성장의 조합.
도 1은 ALD, MBE, 및 12 피트 전송선로 연결 분석 챔버를 포함 진공 시스템의 개략도를 도시한다. 샘플은 각 챔버 사이의 진공에서 전송 될 수있다. 전송 라인의 기준선 압력 세 이온 펌프에 의해 약 1.0 × 10-9 torr를 유지한다. 상업적 각도 – 분해 자외선 및 X 선 광전자 분광법 (XPS) 분석 시스템은 챔버 내의 압력은 약 1.0 × 10-9 Torr로 유지되도록 이온 펌프로 유지된다.
ALD 반응기는 20cm의 460cm 3의 볼륨과 길이의 직사각형 맞춤형 스테인레스 스틸 챔버이다. ALD 반응기의 개략도는도 2에 도시되어있다. 반응기는 가열 벽 연속 크로스 플로우 형 반응기이다.반응기에 배치 된 샘플은 기판의 상부면과 챔버 천장 및 상기 기판의 저면과 상기 챔버 바닥 사이 1.9 cm 1.7 cm 사이의 간극을 갖는다. 전용의 전원에 의해 구동되는 가열 테이프, 배기구 이후 약 2cm로 입구로부터 챔버 감싸 반응기 벽의 온도 제어를 제공한다. 온도 제어기는 상기 가열 테이프 및 외부 반응기 벽 사이에 위치 된 열 커플 취한 온도 측정에 따른 가열 테이프에 입력 전력을 조정한다. 반응기 후 완전히 세 variac에서 제공하는 정 전력의 추가 가열 테이프, 알루미늄 호일 커버와 유리 섬유 양모의 최종 층 균일 한 가열을 촉진하기 위해 절연을 제공에 싸여있다. variac의 출력이 조정된다 반응기 (전용 전원 정지) 아이들링 온도가 약 175 ° C되도록. 반응기 싶어서입니다sively 주위 공기로 냉각시켰다. 기판 온도를 직접 장착하는 기판을 측정하여, T S (° C)가 기판 (℃) T (C)의 온도 선형 끼움 식 (1)에있어서, 반응기 벽의 온도는를 이용하여 계산 얻어 열전대. 온도 프로파일로 인해 이송 라인 반응기를 연결하는 냉 게이트 밸브 챔버의 유동 방향을 따라 존재한다; 유동 방향에 수직 한 온도 프로파일은 무시할 수있다. 온도 프로파일은 샘플의 선단에 부유 시니어 증착을 야기하지만, 시료에 따른 조성 변화는 XPS에 의한 (샘플의 선단 및 후미 에지 사이의 5 % 차이보다) 작다. (31)의 배기를 반응기는 터보 분자 펌프 및 기계식 펌프에 연결된다. ALD 프로세스 동안, 반응기를 약 1 토르의 압력을 유지하기 위해 기계적 펌프에 의해 펌핑된다. 그렇지 않으면, reactoR 압력은 터보 분자 펌프에 의해 2.0 × 10-6 토르 이하로 유지된다.
(1) T의 = 0.977T의 C + 3.4
MBE 챔버는 약 2.0 × 10-9 토르 이하의 극저온 펌프에 의해 기준 압력으로 유지된다. MBE 챔버 내에서 다양한 종류의 부분 압력은 잔류 가스 분석기에 의해 모니터링된다. H 2의 백그라운드 압력은 약 1.0 × 10-9 Torr와 O 2의 것과 동시에, CO, N 2, CO 2, H 2 O가 1.0 미만 × 10-10 토르이다. 또한, MBE 챔버는 RHEED (여섯 삼출액 세포 네 포켓 전자빔 증착기, 원자 질소 플라즈마 소스 및 고정밀 압전 누출 밸브 원자 산소 플라즈마 소스 및 반사 고속 전자 회절에 장착되어 현장의 성장과 결정화 관찰에서 실시간) 시스템. 샘PLE 매니퓰레이터 기판은 산소 – 저항성 실리콘 카바이드 히터를 사용하여 1000 ℃까지 가열 할 수있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
ALD를 사용하여 페 로브 스카이 트 에피 택셜 성장을 때 게르마늄 기판의 청결은 성공의 열쇠입니다. 게르마늄 기판 탈지 탈산 및 탈산 및 STO 증착 사이의 시간의 양 사이의 소요 시간은 최소로 유지되어야한다. 샘플은 여전히 심지어는 UHV 환경에서 오염 물질 노출 될 수 있습니다. 장기간 노출이 좋지 막 성장의 결과로, 외래 탄소 또는 게르마늄 재산 화의 재 증착 될 수 있습니다. 이 그룹은 ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by the National Science Foundation (Awards CMMI-1437050 and DMR-1207342), the Office of Naval Research (Grant N00014-10-10489), and the Air Force Office of Scientific Research (Grant FA9550-14-1-0090).
Materials
| MBE | DCA | M600 | |
| Cryopump for MBE | Brooks Automation, Inc. | On-Board 8 | |
| Residual Gas Analyzer for MBE | Extorr, Inc. | XT200M | |
| ALD Reaction Chamber | Huntington Mechanical Laboratories | N/A | Custom manufactured, hot-wall, stainless steel, rectangular (~20 cm long, 460 cm3) |
| ALD Saturator | Swagelok/Larson Electronic Glass | See comments | Custom-built from parts supplied by Swagelok and Larson Electronic Glass. The saturator is made out of 316 stainless steel and Pyrex. All parts are connected via butt welding. Swagelok catalog numbers:SS-4-VCR-7-8VCRF, SS-4-VCR-1, SS-8-VCR-1-03816, SS-8-VCR-3-8MTW, 316L-12TB7-6-8, SS-8-VCR-9, SS-4-VCR-3-4MTW, SS-T2-S-028-20 Larson Electronic Glass catalog number: SP-075-T |
| Manual Valves for Saturators | Swagelok | SS-DLVCR4-P and 6LVV-DPFR4-P. | Both diaphragm-sealed valves are used interchangably by this group. The specific connectors (VCR male/female/etc.) to use will depend on the actual system design. |
| ALD Valves | Swagelok | 6LVV-ALD3TC333P-CV | |
| ALD System Tubing | Swagelok | 316L tubing of various sizes. This group uses inner diameter of 1/4" | |
| ALD power supply | AMETEK Programmable Power, Inc. | Sorensen DCS80-13E | |
| ALD Temperature Controller | Schneider Electric | Eurotherm 818P4 | |
| ALD Valve Controller | National Instruments | LabView | Program developed within the group |
| XPS | VG Scienta | ||
| RHEED | Staib Instruments | CB801420 | 18 keV at ~3° incident angle |
| RHEED Analysis System | k-Space Associates | kSA 400 | |
| Digital UV Ozone System | Novascan | PSD-UV 6 | |
| Ozone Elimination System | Novascan | PSD-UV OES-1000D | |
| Strontium bis(triisopropylcyclopentadienyl) | Air Liquide | HyperSr | Mildly reactive to air and water. Further information supplied by Air Liquide can be found at https://www.airliquide.de/inc/dokument.php/standard/1148/airliquide-hypersr-datasheet.pdf |
| Titanium tetraisopropoxide (TTIP) | Sigma-Aldrich | 87560 | Flammable in liquid and vapor phase |
| Ge (001) wafer | MTI Corporation | GESBA100D05C1 | 4", single-side polished Sb-doped wafer with ρ ≈ 0.04 Ω-cm |
| Argon (UHP) | Praxair | N/A | |
| Deionized Water | N/A | N/A | 18.2 MΩ-cm |
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