6
ArF-excimer laser induced chemical vapour deposition of amorphous hydrogenated SiGeC ®lms E. Lo Âpez a,* , S. Chiussi a , C. Serra b , J. Serra a , P. Gonza Âlez a , B. Leo Ân a , M. Pe Ârez-Amor a a Dpto. Fõ Âsica Aplicada, Universidade de Vigo, Lagoas Marcosende, E-36200 Vigo, Spain b CACTI, Universidade de Vigo, Lagoas Marcosende, E-36200 Vigo, Spain Abstract The growing interest in the development of silicon germanium carbon (SiGeC) based devices for micro- and optoelectronics provoked an increasing attention in alternative low thermal budget techniques capable to produce such alloys on large areas as well as on small selected regions. Excimer laser-induced chemical vapour deposition (LCVD) in parallel con®guration is a ``soft'' alternative deposition technique that has already proved to be a feasible method for the production of various thin ®lm semiconductors. This contribution will investigate the possibility to exploit the technique for producing the ternary SiGeC alloy and demonstrate that coatings with uniform composition, structure and thickness can be deposited at low substrate temperature. The samples have been extensively analysed by different techniques for identifying the most important experimental parameters determining the growth rate, and the homogeneity in stoichiometry and structure. # 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: SiGeC; Excimer laser; Laser-induced CVD; Band gap engineering 1. Introduction The increasing importance of Group IV semicon- ductors is connected to the success of band gap engineering in these last 10 years. The SiGe system was investigated as a new material with narrower band gap than pure Si for different electronic and optoelec- tronic devices. The incorporation of another isovalent element, like carbon, has appeared as a new alternative for achieving larger band gap material and strain compensation in SiGe alloys. However, as C is much smaller than Si or Ge, usually only a small amount of substitutional carbon in Si can be incorporated. On the other hand, C has a very low solubility in Si and even lower in Ge [1]. SiGeC ®lms have been grown primarily by physical deposition techniques such as solid phase epitaxy [2,3] and molecular beam epitaxy [4], but the high cost of the process, the complexity and the low ef®ciency (maximum incorporation of 1±2 at.% C) forces the development of other methods. Different chemical deposition techniques such as RT-CVD [5] and UHV-CVD [6] achieved more than 2% C incorpora- tion, but SiC precipitation was often present due to the required high temperatures. Additionally, the high substrate temperatures limit the use of low cost mate- rial such as glass and polymers or multilayers struc- tures as substrates. The development of alternative Applied Surface Science 208±209 (2003) 682±687 * Corresponding author. Tel.: 34-986-812216; fax: 34-986-812201. E-mail address: [email protected] (E. Lo Âpez). 0169-4332/03/$ ± see front matter # 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved. doi:10.1016/S0169-4332(02)01426-5

ArF-excimer laser induced chemical vapour deposition of amorphous hydrogenated SiGeC films

  • Upload
    e-lopez

  • View
    216

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: ArF-excimer laser induced chemical vapour deposition of amorphous hydrogenated SiGeC films

���������� ���� � ����� ������ ������ ��������� �� �������� ������� ���� ����� ��

�� ����� �!"! �� ��������! �� �����#! $� ������! %� �� ��� �!&� ���� �! '� %���� �����

������ ����� ������� ��������� �� ���� ����� ���������� ������� ���� ���#! !"#� ��������� �� ���� ����� ���������� ������� ���� ���

��������

(�� ���)� � � ������ � ��� ������� � �� ����� ���� �� ���#� *�����+ #���� ������� ��� ����� � � ���������� ���

�����,�� � � ������ � ���� ��� � ���� ����� �) ����� #����� ���� �-��� ����#� �� ������� ���� ���� � ���� ����� ��

)� �� � �� ������� ����� �� ������ ������ ����� ������ ������ ��������� *��./+ � ����� �� �������� �� �

00����11 ���� ����� ��������� ���� �-�� ���� ��� ������ ������ �� #� � �����#� ����� ��� ��� ��������� �� ������� ��� �

����� �������� (��� �� ���#���� )� � ��������� ��� �����#���� �� ������ ��� ���� �-�� ��� ������� � ��� ��� ��� ����� ���

� � ��� ������ ���� ����� �� )��� � ���� ��������� ! ��������� � � ����, ��� �� #� ��������� �� �) ��#������ �����������

(�� ����� ���� #�� ���� ����� � ����� #� ������� � ���� �-��� ��� ��� ����� � ��� ��� ������ � ������� ��

��������� ������ � � ��� ���)�� ����! � � ��� ����� ���� � ������������ � � ����������

� 2334 ������� ���� �� &�.� � ������ ���������

$�%&���' �����5 ������ ����5 ������� ����� �./5 &� � ��� � �� ���� �

� ���� ������

(�� � ������ � ������ �� �� ����� 6. ����� �

������� �� �� ����� �� ��� ������� �� #� � ���

� �� ���� � � ����� ��� 73 ������ (�� ���� �����

)�� � ���������� �� � �) ������ )��� ����)�� #� �

��� ��� ���� �� ��� ������� � ������ �� � � ��������

��� �� �������� (�� � ���������� �� � ����� ������ �

��� �! �,� ���#� ! ��� �������� �� � �) ���� �����

��� ������� � ����� #� � ��� ������ � � �����

���� ����� � ���� ����� 8�)����! �� � �� ���

���� ��� �� �� ��! ����� � � � �� ��� � ��

��#�������� � ���#� � �� �� #� � ����������� 9 ���

����� �� �! � ��� � ���� �) ���#���� � �� � � ���

�)�� � �� :7;�

����� �� ���� #�� ���) ������� #� �������

��������� ���� �-��� ���� �� ���� ����� ������� :2!4;

� � ������ #�� ������� :<;! #�� ��� ���� ���� ��

��� �������! ��� �������� � � ��� �) ������ ��

*���� � ���������� �� 7=2 ���> �+ ������ ���

������� � �� ����� ������� /������ � ������

��������� ���� �-��� ���� �� ?(��./ :@; � �

A8.��./ :B; �������� ��� ��� 2> � � ��������

��� ! #�� ��� ������������ )�� ���� ����� � ��� �� ���

��-����� ���� ������������ ������� ��! ��� ����

��#������ ����������� ��� ��� ��� �� �) ���� ����

��� ���� �� ���� � � ������ �� �������� ������

����� �� ��#�������� (�� ������� � �� ���� �����

������ ������� ���� �� 23C=23D *2334+ BC2=BCE

" �������� �� � ������� (��F �4<�DCB�C7227B5

���F �4<�DCB�C72237�

��(�� �����' �� �G�������� *�� ����� +�

37BD�<442H34HI = ��� ��� � ����� � 2334 ������� ���� �� &�.� � ������ ���������

���F73�737BH�37BD�<442*32+37<2B�@

Page 2: ArF-excimer laser induced chemical vapour deposition of amorphous hydrogenated SiGeC films

��������� )��� �)�� ����� #����� ����! ���������!

� �#� ��� ��� �� �) ���� ��#��������

9��� ��� ��� �������������� �����������������

��������� *�������./+ ��� ��������� � ������ � � ����

��� �� � ���� ��������� ����� ��� ���)� � ��� ��

)���)� ��� �� ����, ��� � � ���� ����������� 6 ����!

������ ����� ������ ������ ��������� *��./+

� ����� �� �������� �� � � �� ��� ��� ������ ��

'�� ���� ����� �� ���� ���� �-�� ��� ��� ���� �� ���

�� ��� ��������� ����! ��� �����#���� �� ������� ������

��#� ���)�� �����! ��� �) ��������� ����������! ���

�����#���� �� ���)� � �� � �� �� )� �� � ����

����� � � �� ����� �� �� ���#�� �������� ��

6 ���� ����� )� ���) ��� ������ �� ��� � � ���

��������� �� � ���� �������� ������� ����

����� *�������F8+ �� ��� � ������./� (����

�� ���� #� �������� ����� ��� ��#��-�� � �������

������ ��������� ���� �� ������ ���� ������������

*���+ ��� ������� � � �� �� ���������� � ���� ��

���� ������ ����� ������� *%�6�+ ��� ��������������

�� :E!C;�

� ������������

�������� ������� ���� ����� *�������F8+

�� )��� ��������� �� �) ��#������ ���������� �

��� � � *E3@D+ � � � 2 � � �� )����� #� ������./

� ����� �� �������� *��#������ �#��� ��� #��+�

(�� ������� �� ����� *���� 7+ ���� �� ������� �����

�� �� ������ �� � ��#��� ��� ��� ���� ��� ����

A8.=8. ���#�� �� ����� �� � ��� ����� �����

���� ��� #�� ������#�� � � �������� ����� :D;� (��

�������� � ���#�� �� �� ����� #��� �� � ���#���

����� ��� ����� *&� ��� (%8 3B3+ ��� ������ �

#��� ��������� ���� � 2� 73�B %� � � �� � ��������

��� *&� ��� /�� 37B &+ ���� ��)� ���� J�) �����

���� � ��� ��������� �������� /������ � J�) ����� ��

��������� ����� ���� �� ��28B *3=2 ���+! ��8< *3=

2 ���+ � � �28< *3=< ���+! ���� �� � � ���

������� � ��������� ! )��� � �������� � ��� ���

���� ��� �� ��� ��#������� 8���)�� ���� �� ����� � �

#����� ��� � ����� �� ����� ����� �������� ����� ���� �

�������� � � � �� ����� ��������� � ��� )� ��)��

(�� �������� ����� )��� ����������� ��������� #�

7D4 ���������� ���� *��#�� %����, �%K 223�+

�������� �� �� ��� � ���� ��)�� *@ L+ � � � ��)��

�� ���� �� 3�E LH�2�

(�� ��������������� �� ��� � ����, ��� )��

������� ��� #� ��������� */�,��,4�(! .����+� �����

��� ��� ���� � ������ ������������ *�(6?! '&733!

&��+! K���� ����������� ������������ *K%�!

������& 2@3�K�! .� ���� ����+ � � ��� �� J����

���� ���� �� ��� ����������� *(9���6'�! (?6�(

666! %������ ������ ���+ )��� ���� �� ������ � ���

��������� �� ��� ����� ���

��� � � ������ ��������� *��'! K�43! %86�

�6%�+ � � ����� ����� ��������� *��'! /���������!

(��������+ )��� ������ �� �#��� � ������� �#���

������� ���������

���� 7� ������� �� ����� ��� ��� ������./ �� �������F8 ���

�� �����) �� ��� * ����� +�,��� ����� ��-.��/ 0����1 �-�.�-2 BC4

Page 3: ArF-excimer laser induced chemical vapour deposition of amorphous hydrogenated SiGeC films

� ������� �� ���������

(�� �� �� ������ �� ��� ��������� ����� �� �� ����

���� ������� �� ��� � ��������� � � �� ��� ������

� ��� (��� � ����� �� ��� ���� �� �� �� ��� ���������

����� ����� � ��� ���)�� � � ��������� �� ��� ��

)�� ���� (�� �������� �� ����� �! ���� � � �

����� � J�) ����� )��� ��� ��#������ ����������

� � ��� �������� )��� ,��� �� ��� � �� 2@3 �� � �

7�2 ,%�! �����������! ������� � � � � ���� � ���� �

�� �� �� ��� ��������� ���� � ��� ����� � J�) �����

�� �� �� #� ��� � ���� 2 � � ������ �� ��� ����� �

J�) ����! )������ ��� ��������� ����� ��� ,��� �� ��

�� �! ���� �� ������ ���)�� ������ 9 ��� ����� �� �!

��� �������� �� ���� � �� ����� � J�)�! � ��� ����

�� �������F8 ��������� ���� � � �� � ��� ���� �

���� 2� /���� � J�) ���� ���� �� �� �� ��� ����� ���)�� ���� �� 2@3 �� � � @ L � ���� � ���� ��)�� *����� � ���F )��� ������� � �28< J�)

�����! �)�� � ���F )��� ������� � ��8< �����+�

���� 4� *�+ 6��� �� � � ����� ������ 2 � � �� )���� *������ ��� ����� ���� #� ��,� ��� �������� � � �� ����� �+� *#+ ��' ���� ��

233�� 233� �-����� � � *�+ ���� �� @3 � ��������

BC< �� �����) �� ��� * ����� +�,��� ����� ��-.��/ 0����1 �-�.�-2

Page 4: ArF-excimer laser induced chemical vapour deposition of amorphous hydrogenated SiGeC films

J�������� � �� ��� ���)�� ����� �� ����� ������� ��

�� ����� � *2@3 ��! 7�2 ,%�! 3�E LH�2+ � �� ��

����F8! �����F8 � � ���F8 )��� �#��� ���

��' � ����� �� ��� �� ������� ���)� ���� ���

����� ��! )���� ���� #� � ����� ��������� � ����

����� �� )� �� � �� ����� � #� ��� � ��,�

*���� 4+! ��� ������� ����� *?'� � 2 +� ���

������ � � ��� ��������� �� ��� �� K%� � �

�(6? ������������ ���� #�� ��������� � ������� �

������ K%� ������� �� �������F8 � )��� ��� � 7�!

�� 2� � � �� 4� ��� ����� � �� ���) � ���� <�� (��

������ �� �� � ���, )��� � #� �� � � ���� �� 2C@ �.!

�#������ � � �����F8 � � �������F8 ��! ��

�� ������� �� #� ������ �� ��������#� � (��� ���,

������� )��� ��� � � �������� �� � �� �������� � 7�

*2C<�<=2C<�C �.+� (�� ����� �� �� �=8 #� �� ���

#�� �����#������ #� �(6? ������������ � � �� #�

����� �� #� ��� ���� ���� ��� ��������� ����� �� ���

������� � � ���� ��� ��#������ ���������� )�� ��

���� � ���� ��� ��� ��������� � � �)��! ����� �����

���� � � 2 ����, ������� ���� )��� ��! ���� �� �

��� ���� �� ������� �� ��� � � ���#� �� ������

� � ��� K%� ���, ����������� � �) ���, �� 2C4 �.

�������� �� � �� ���#� � 7� #� ��� �� ����� *��=�+

�� #� ������������ (�� ����� ����� � ����� �����

��� �� ������� ���� ��� �� �� ������ �� ���� ���,

,���� �� ��� � � ������

(�� ����� �� �� ��=� #� �� ��� #�� �� ���� #�

���� � � ��� �� 2� ��� ����� � (��� ���, �� ��� � ���

�� ���#���� �� #��� ��=� �� 733�@ �. � � �� �� ���

�� DD�4 �.! )���� �� #� ����� ������� ������� ���

���� ������ �� ��� �� 2� ���,� (���� �� ��� � ��

� � �� 734 �. ���� ��� )��� �� ��� ��92 ������

#� ����� ��������� � 6� ���������� ����� B3 � ��

���� <� *�+ K%� ������� )��� ��� � 7�! �� 2� � � �� 4� ���,� �� � ������� ������ 00�� ��������11 �������F8 � � � ����� �������� � � @ �

������ *#+ (�� ��� ������� ����� �� ��� ������� � ��! �� � � � �� �� � � ��� ��������� �� ������ �� #� K%� � ������

�� �����) �� ��� * ����� +�,��� ����� ��-.��/ 0����1 �-�.�-2 BC@

Page 5: ArF-excimer laser induced chemical vapour deposition of amorphous hydrogenated SiGeC films

�� �������� �! �������� �� � �� ��� ����� �� � @

����, ����� ����� ���� ������������

6 ��� ���� �� ��� ������F8 � � �������F8 �� ���

�� 4� ���, *2D �.+ )�� ��� �#������� 6 ��� �� �

�� ���, ������ �� ��92 ������� �� 4< �. #�� ���

���������� ����� ����� � ��� @ ����, ����� �����

(�� � �� ���� �� ��� ������� � ���,� ����� �������� � ���

#�� ���� ��� ������� � ��� ������������ �� ���

����� *���� <#+� ����������! (9���6'� � �����

*���� @�+ �� ���� ��� ����� ���� ������#���� �

����� �� ��! �� � � � ��� � ������� ������ �������F8

�����

6 ����� �� ��� ���� ���� ��� ��������� �� )��� ����

��� *733=<33 +! �(6? ������������ ���� ���

� ������� �� ��� � � ��� #� �� � #��)�� ��� ����

�M�� �� ������� � ��� ��F ��! ��! � � � 8� (�����

� ������ ������� �� �� )��� ������� � ��������� ���

�������� � ���� @#! ����#��� � ������� ��#����� �

���� :73=74; ��� @33 �� 4733 ��7� (�� �������

���)�� ����� �� ����� � *@33=7733! 2333=2733!

2E33=4733 ��7+� �� �) )��� �#��� ��� � ������

������� �� ��� �����F8 � � �������F8 �� �������

��� ����� �� �� ��=� #� �� *EC3 ��7+! � ������ �

)��� K%� ����! �� )� �� ��������� #� �� #��)��

B33 � � D33 ��7 ����� �� �� ��=�83 �������� �

*C33 ��7+ � � ��=83 #� �� � *B<3 ��7+ ��#����� ��

&��)�� D33 � � 7233 ��7 � ����� ��������� ��

������ �� ������� �� �=8 )���� � *DC3 ��7+

� � ������� � ��=9 �������� � ���� *73<3 ��7+�

(�� ������� )��, #� � ����� � �� 72<3 ��7

�� ���� ���� � � ��� �=�,� � ����� �� � �

�� #� �����#���� �� ��=�84 ������� �� ������ )����

�#���! �)� �� ������� ������ �������� ���

�#������F � #� � � ��� �� �� �� 2333=2433 ��7

����� �� �� ��� �������� � ���� �� ��=8 #� ��! � �

� ����� #��)�� 2C33 � � 4333 ��7 �����#���� �� ���

�������� � �� ������� � � �������� �������� �

���� �� �83 �������

6 ��� ������� �� �������F8 � � ������F8 �� )�

�� ���������� ���� ��=83 �������� � � � #� �� �

��#����� � ���� �� )� �� �) ��=8 �������� �

*7CC3 ��7+! ��=9 �������� � *D43 ��7+ � � ��=8

���,� � *EE@ ��7+ #� �� ���� ������ )��� ����� ���

#� �� �� ������ � �� ���� � � )��� � � ����

(�� ���� ���� �� �� ������ � �� � ���������� � ���

�� �� #� ����� �� #� ��� �#������� �������� � ��

��� ������� � ��������� ������ ��� ��� 7D4 ��������

�� ��� ��� ���� ��� �#������� �� ����������� 733

���� ������ ��� ��28B ��� ��� ��8< �� �28<� %�����

����������� � ����� ������� � ��� �������� � ���

���� @� *�+ (9���6'� ����� ����� � ����� ���� ���)� ��� ����� ���� ������#���� �� ��� �� � ��� ��� *#+ �(6? ������� �� ������

������ � �������� ������� ���� ��! ����! ���! � � ����� �� �#��� �� �� 2@3 ���

BCB �� �����) �� ��� * ����� +�,��� ����� ��-.��/ 0����1 �-�.�-2

Page 6: ArF-excimer laser induced chemical vapour deposition of amorphous hydrogenated SiGeC films

��������� :7<!7@;� (�� ��� � �� ���� ���� ��� �����

������� � ���� �� � ��� ������ � #��)�� ��� ���

����� (�� �����#���� �� ��� ������� #��)�� ���� �

� � ����� � �� ���� �)� ������� � �� ��� ���� ����

��=� #� �� )��� �� �#������ � ��� ��! )� ��

������� ���� �� � � � ���� ��� ���� � ���� �� ��

� ���������� � �� ��� ����

� ����������

�������� ������� ���� ����� �� )��� �������

� � ������������ )��� �� �������� #� ��./ ��� � �

��� ���� ��������� � ����� �� ��� � � *E3@D+ � �

��*7 7 7+ ��#������� �� 2@3 ��� &��� ��� � ���� ���

������� �� ��� �� *��! ��! � � � 8+ �� )� ��

��� ����� �� �� ��=� #� �� )��� �� ���� #� K%�

� � �(6?� (���� ����� ������� ����� )��� ����

����� ���� � ����� )��� �,� ��� �����#� ���

��#��-�� � ������������ ������� ������� ���� �-���

���� �� ��� �� %�6��

�������� �������

(��� )��, ��� #�� ������� ��������� #� �A ��

)� �� #� ��� ��� �� ������ � � ��� �� 8�7DDD�

373B! '�(2333�73@3! KA��4273E&&D2/9�277!

A.B2D346@�<! %�6/(37%K743437%N � � %?<3@�

�2337H4@�3� (�� ������� )��� �� ��� , A� O����

*�8�9H9HL���� +! $�&� ?���P���� *A ����������

�� .���+ � � �� �#��� ��� ����� ���� ���� ���� ���

��� � � ������� ��������� �� (9���6'� �������

� �� ���� #�� �������� #� ����� &��� *%������

6 ����� ��! '� ������+�

����������

:7; ?�L� 9��� �,�! ��$� �##������ ! &�� ��� %���� /���� @

*7DC<+ <C<�

:2; ?��� �����! $� ���� %���� E3 *7DD7+ 2<E3�

:4; $�L� ���� �! 8�$� ���� ! ��?� ���! &��� /���! ��(� %������!

$�L� '����! ���� %���� ����� B4 *7DD4+ 2ECB�

:<; O� �#��! ���� 6���! �� Q� ��! $��� (�� �! ��O� �������!

���� %���� ����� B3 *7DD2+ 4344�

:@; $�'�! %�L���� ! %� ����� ���!'� $����)�� !'������ ��!'�

/�����! �� /�#���! $��� /����! ���� %���� ����� BE *7DD@+ 2@D�

:B; $� O������,��! '� (���! /� ��� �����,���! /�$� ����! ����

%���� ����� B@ *7DD<+ 2DB3�

:E; �� �������! �� �����! $� �����! %� �� ��� ! &� ���� ! �� A�#� !

�� � ���R! $� &���� ! �� ��,! �� ��##��! �� ��� ��� �! ��

'�����! �� ?� ���! ���� ����� ���� 7CB *2332+ 7BB�

:C; N� ��� ���! $� .� �� ����! ?� ����������! �� '�����! ��

&�����! �� �������! $� ������! &� ���� ! ���� %���� ����� E2

*7DDC+ 2CEE�

:D; �� �������! %� �� ��� ! $� �����! &� ���� ! '� %���� ����!

���� ����� ���� 73B *7DDB+ E@�

:73; '�%� /��� �,�! $�'� %�)���! ��$� .� �� ���! '� ����� !

���� ����M��! $� .��� ���� (��� �� � D *7DD7+ <@3�

:77; K� ?��� ���! %� �� ��� ! &� ���� ! '� %���� ����! .����

@2 *7DDD+ @7�

:72; O� �#�! �� S���! (� 9,�#������! �� S����! '� O� ����! $� �

$� ���� %���� <3 *2337+ <<<3�

:74; '� 8�� � �! O� �#�������! 9� (����! ��8� &����! $� N� �������

����� 74EH74C *7DD7+ @4�

:7<; 6�%� 8��� ! ���� ?��� CD *7DCD+ 742�

:7@; $�?� '�N��#�! 8� 9,�#�! ���� ��� � %������������! ��� 4!

6 ������� ��! N�) S��,! 7DB<! 7@E ���

�� �����) �� ��� * ����� +�,��� ����� ��-.��/ 0����1 �-�.�-2 BCE