반도체 소자 적용을 위해 UHV-CVD로 성장시킨 단결정 Si1-xGex박막의 성장 특성 및 물성 연구 = (The) physical properties of epi-Si1-xGex by UHV-CVD : growth mechanism, stress

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Silicon Germanium alloys have been received considerable attention in recent years for their potential application in advanced electronic and optoelectronic devices. Growth by the developed ultrahigh vacuum chemical vapor deposition (UHV-CVD) technique is of particular interest since this technique appears to be readily scalable to multiple-wafer lots. I have studied the growth rate and germanium contents of Si1-XGeXSi as a function of growth temperature and germain flux using a combination of spectro-ellipsometer, auger electron spectroscopy(AES).Epitaxial layers were grown on (100) silicon wafers and at temperatures ranging from 550 to 650oC. Source gases used Si2H6 and GeH4. Two principal factors influence the growth rate of epi-Si1-XGeX alloys as x increases. First the growth rate is increased by an increase in the rate of hydrogen desorption. Secondly, the growth rate is decreased by a reduction in the probability for dissociative adsorption of reactive hydride. The first factor dominates at low temperatures and low x values, and the second at high temperatures and higher values of x. Surface roughness was also examined by atomic force microscopy(AFM). Roughness increased as both source gas ratio and growth time increased.I have determined the stress of epi-Si1-XGeX alloys with growth condition ; flux of germain, growth temperature and film thickness through analysis by X-ray diffractometry(XRD). Strain of epi-Si1-XGeX alloys increased linearly along increasing Ge contents. There is no dependence of strain in epi-Si1-XGeX alloys on film thickness. I also have studied the dopant concentration of Si1-XGeXSi as a function of germain flux using a secondary electron mass spectrometry(SIMS). Boron concentration is increased by increase of Ge content. The reason is explained by strain, trapping B with Ge and decrease of B diffusivity by increase of Ge content in epitaxial Si1-XGeX.

국문 초록 (Abstract)

현재 반도체에 적용할 새로운 구조와 물질들이 활발히 연구되고 있으며, 이 중 캐리어 이동도를 증가시키기 위한 측면으로써 Si1-XGeX을 채널(channel) 물질로 대체하려는 연구와 Si1-XGeX을 이용한 변형실리콘(strained Si) 채널에 대한 연구가 활발히 진행되어왔다. 그러므로 본 연구에서는 Si1-XGeX 재료를 이용한 2가지 방법의 채널 물질 적용을 위하여 기반이 되는 초고진공 화학 기상 증착법(UHV-CVD)을 이용한 Si1-XGeX의 성장 및 물성을 확립하기 위한 실험을 진행하였다. 초고진공 화학 기상 증착법으로 증착시킨 단결정 Si1-XGeX 박막의 성장과 물리적 특성을 연구하기 위하여 성장 온도와 성장시간 그리고 Ge함량을 변화시킴에 따라서 성장 속도의 변화를 분석하였다. 또한 각각의 조건에 따라 증착된 Si1-XGeX 박막의 물성을 연구하기 위하여 XRD 측정으로 박막 내의 응력을 분석하였고, AFM 측정을 통하여 표면 거칠기를 분석하였다. Si1-XGeX 박막은 저항이 8~14Ω㎝인 p형 Si(100) wafer 위에 UNAXIS SIRIUS UHV-CVD를 이용하여 단결정으로 성장되었으며, 공정 온도를 550℃에서 700℃까지 변화를 주었고, Ge함량을 조절하기 위하여 원료가스인 Si2H6와 GeH4의 비율을 1:0.5에서 1:4까지 조절하였다. Ge 함량이 증가함에 따라서 어느 일정 범위까지는 성장 속도가 증가하다가 다시 감소하는 경향을 보였다. 이런 성장속도가 증가하다가 다시 감소하는 경향은 온도가 증가함에 따라서 더 낮은 Ge농도에서 나타났다. 성장 속도가 증가하는 이유는 Ge농도가 증가함에 따라서 표면의 수소 탈착에 필요한 활성화 에너지가 낮아지기 때문이며, 성장 속도가 감소하는 이유는 2가지로 판단할 수 있는데 첫 번째는 Ge농도가 증가함에 따라서 소스의 흡착가능성이 낮아진다는 이유와 두 번째는 Ge이 증가함에 따른 박막내의 스트레스에 의한 영향이 증가하는 이유이다. 박막 내의 스트레스는 Ge함량이 증가함에 따라서 일정하게 증가함을 알 수 있었고, 표면 거칠기 또한 일정 Ge농도, 증착 온도 이상에서 급격하게 증가함을 알 수 있었다.또한 Ge 함량과 성장 온도에 따른 불순물 농도를 분석하기 위하여 B을 주입시켰으며, 불순물 농도는 Ge함량과 성장온도가 증가함에 따라서 비교적 선형적으로 증가하였다. Ge 함량이 증가함에 따라서 B농도가 증가하는 이유는 격자 상수 차이로 인한 변형을 해소하기 위하여 Ge-B 클러스터(cluster)를 형성하는데 이는 B의 확산도(diffusivity)를 감소시키는 원인으로 작용하기 때문이다.