Groei en selectieve etsing van met fosfor gedoteerd silicium/silicium–Germanium meerlaagse structuren voor toepassing van verticale transistoren

Resultaten en discussie

Epitaxie van P-gedoteerde Si/SiGe/Si ML's

In deze studie werd aanvankelijk de opname van P in Si en SiGe onderzocht. De ML-structuren worden getoond in figuur 1a. Een ML van P-gedoteerd Si/ongedopeerd Si met toenemende PH₃ stroom werd gegroeid en de laagprofielen werden onderzocht door SIMS in figuur 1b. De afbeelding laat zien dat de P-concentratie toeneemt en het hoogste niveau van 2,6 × 10 ¹⁹ . bereikt cm ⁻³ . Nog twee monsters met profiel van 'P-gedoteerde Si/Si_0.72 Ge_0,28 /P-gedoteerde Si' en 'Si/P-gedoteerde Si_0,72 Ge_0,28 /Si' zijn ontworpen en het P-profiel wordt respectievelijk gedemonstreerd in Fig. 1c, d. In Fig. 1c wordt een P-stapeling waargenomen op grensvlakken van P-gedoteerde Si/Si_0,72 Ge_0,28 meerdere lagen. De grensvlak P-stapeling neemt toe met toenemende P-concentratie van onder naar boven in de meerlagen, en de hoogste concentratie is 1,6 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , wat 6 keer zoveel is als de concentratie in Fig. 1b (2.6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ). In gedoteerde Si_0,72 Ge_0,28 lagen (Fig. 1d), P-concentraties zijn opmerkelijk hoger en er zijn geen pieken op het grensvlak. Door doping is het Ge-percentage iets verhoogd. Dit gedrag houdt verband met de verhoogde adsorptie van SiH₄ en GeH₄ in aanwezigheid van PH₃ . Bovendien zijn door doping de laagdiktes verschillend tussen Fig. 1c, d, die dezelfde groeitijd hebben. Het betekent dat P-doping de groeisnelheid van Si_0,72 . verhoogt Ge_0,28 lagen en de absorptie van GeH₄ , terwijl de groeisnelheid van Si wordt vertraagd door P-adsorptie. Deze verschijnselen komen overeen met de uitkomst gerapporteerd in Refs. [36,37,38]. Uit het bovenstaande blijkt dat P-segregatie en autodoping-fenomeen serieus zijn op de Si/SiGe-interface. De P-dopingpiek op de Si/SiGe-interface maakt onbedoelde doping in de SiGe-laag. Aangezien SiGe bedoeld is als de kanaallaag in de transistors, zou het inhomogene dopingprofiel of de hoge achtergronddoteringsniveaus de apparaattoepassingen beperken [39]. Verschillende methoden om de P-piek te elimineren zullen hieronder worden besproken. Voor een betere vergelijking zijn alle SiGe-lagen gespannen en is de stroomverhouding van SiH₄ (SiH₂ Cl₂ ) en GeH₄ voor de SiGe-laag werd niet tijdens alle experimenten gewijzigd.

een Schematisch diagram van P-gedoteerde Si/SiGe/Si ML's. b P-dopingconcentratie van ongedoteerde Si/P-gedoteerde Si ML's. Ge/Si-percentage en P-concentratie van c ongedoteerde Si_0,72 Ge_0,28 /P-gedoteerde Si, d ongedoteerd Si/P-gedoteerd Si_0,72 Ge_0,28 ML's. Er werd geen rekening gehouden met zuivering en niet-gedoteerde afstandslaag

Impact van spacer-lagen

Niet-gedoteerde Si-afstandslagen werden ingevoegd tussen de aan de onderkant gedoteerde Si-laag en de niet-gedoteerde SiGe-laag om de overmaat aan P-atomen te absorberen. Figuur 2a toont het schematische diagram van de ontworpen structuur, en figuur 2b-d toont de profielresultaten van geïntegreerde Si-afstandhouders met een dikte van (b) 3 nm, (c) 5 nm en (d) 10 nm. De pieken van P-ophoping worden verminderd, terwijl het Si/Ge-percentage en de P-concentratie in Si-lagen constant worden gehouden zoals in Fig. 2b-d. Het P-stapelniveau is met 82% verlaagd, van 4 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ in Afb. 2b tot 7 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ in Fig. 2d, wanneer de afstandsdikte X _b verhoogd van 3 naar 10 nm. Het vergroten van de dikte van ongedoteerde Si-afstandslagen verhoogt de absorptie van overmatige P-atomen. In figuur 2d, de helling van het P-profiel bij Si_0,86 Ge_0,14 /Si-oppervlak is 15,9 nm/dec, terwijl bij Si/Si_0,86 Ge_0,14 interface is de helling 31,3 nm/dec. Ondertussen is een te dikke Si-afstandslaag geen geschikte oplossing omdat de weerstand van het vel toeneemt. Daarom moet voor transistoren een afweging worden gemaakt tussen plaatweerstand en ongecontroleerd P-profiel. Afbeelding 2 laat ook de impact zien van de afstandslaag tussen de Si/Si_0,86 Ge_0,14 lagen (X _b ) verschilde van de laag tussen de Si_0,86 Ge_0,14 /Si (X _t ). In Fig. 2b, c, de afstandsdiktes tussen de Si_0,86 Ge_0,14 /Si waren 3 nm en 5 nm, terwijl in figuur 2d geen afstandslaag was ingevoegd. Echter, de helling van het P-profiel bij de Si_0,86 Ge_0,14 /Si is hetzelfde (ongeveer 15,9 nm/dec), hoewel in figuur 2d de bovenste afstandslaag is verwijderd, maar geen invloed op het doteringsprofiel werd waargenomen. Uit de bovenstaande resultaten was de P-piek alleen bij de Si/Si_0,86 Ge_0,14 interface, wat mogelijk te wijten was aan de oplosbaarheidslimiet; de overmaat aan P-atomen kan P-P-dimeren vormen aan het oppervlak en worden opgenomen in de SiGe-deklaag. Bovendien is er een auto-doping van P tijdens de SiGe-groei na P-gedoteerde Si. Daarom is er gezocht naar methoden om de overmaat aan P-atomen te verwijderen of de Si-oplosbaarheid te verbeteren.

een Het schema van experimentele monsters met verschillende ongedoteerde spacerlagen. En Ge-, Si- en P-profielen van P-gedoteerde Si/Si_0,86 Ge_0,14 /P-gedoteerde Si ML's met ongedoteerde Si-afstandslagen van b 3 nm, in beide interfaces, c 5 nm, in beide interfaces, d 10 nm, alleen op één interface met Si_0.86 Ge_0,14

Impact van waterstofzuivering op het grensvlak van Si/SiGe/Si ML's

In deze sectie werd de Si-afstandslaag gefixeerd op 5 nm en werd waterstofspoeling geïntroduceerd om de overmaat aan P-atomen na de P-gedoteerde Si-groei te verwijderen. Uit figuur 3c, d blijkt dat het verhogen van de waterstofstroom van 20 naar 60 sccm en de spoeltijd van 2 naar 10 minuten geen duidelijk effect heeft op de P-piek. De dopingconcentratie in Si is 3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , wat hetzelfde is als besproken in de sectie "Impact van afstandslagen". De P-piekconcentratie op het grensvlak is hetzelfde met de concentratie in Si uit figuur 3d. De laagdiktes zijn onder verschillende spoelomstandigheden gelijk. De P-atomen kunnen niet worden geklaard door waterstof; dit kan worden verklaard door de vorming van stabiele P-complexen op het oppervlak. Door parameters zoals temperatuur, druk te wijzigen, zou de spoeltijd nuttig zijn [24, 40], maar een te lange spoeltijd is niet geschikt vanwege de tijdskosten, en een hoge temperatuur (>-950 °C) veroorzaakt Si-Ge-interdiffusie [41] .

Schematische diagrammen van a dopingstrategie van H₂ zuiveringsvoorwaarden, en b experimentele structuur van Si/SiGe/Si ML's. c Ge/Si-profiel en d P-concentratie van P-gedoteerde Si/Si_0,86 Ge_0,14 /P-gedoteerde Si ML's

Impact van groeichemie op P-opname

In deze experimenten werd de Si-precursor, SiH₄ , is vervangen door SiH₂ Cl₂ (DCZ). In deze monsters waren de groeiparameters hetzelfde als voorheen, en de structuren bevatten een Si-afstandslaag van 5 nm en de zuiveringstijd is 5 minuten met een stroom van 60 sccm. Het idee erachter is om te onderzoeken of op Cl gebaseerde chemie de overtollige P-atomen door Si-oppervlak zou kunnen verwijderen en reacties van P-Cl, Si-Cl of Ge-Cl zouden kunnen plaatsvinden [42]. Uit Fig. 4 neemt de P-piekconcentratie af met een factor 2 (van 2.6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ tot 1,3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ), en de P-concentraties in Si-lagen zijn 2.6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . Het geschatte Ge-gehalte is 30%, wat hoger is dan SiGe met SiH₄ . Het hogere Ge-gehalte toont aan dat Cl bij voorkeur de Si-atomen bij de oppervlaktereacties verwijderde. Dit resultaat kan ook worden verklaard door de verschillende relatie van gasstroomverhouding en Ge-concentratie met SiH₄ en SiH₂ Cl₂ gasvormige voorlopers [32, 43]. Een andere verklaring was dat Ge-atomen de waterstofdesorptie verhoogden en vervolgens de vrije nucleatieplaatsen [44]. De helling van de P-concentratie van de Si_0,7 Ge_0.3 /Si-interface was 13,2 nm/dec, wat een beetje scherper was dan Si_0,86 Ge_0,14 /Si-interface (15,9 nm/dec). De helling van het P-profiel bij de Si/Si_0,7 Ge_0.3 interface was 20 nm/dec. Daarom, door meer HCl toe te voegen of de gasverhouding van SiH₂ . te verhogen Cl₂ en GeH₄ , de gescheiden P-atomen aan het gedoteerde Si-oppervlak kunnen worden geëtst door HCl om P-Cl-dimeren te vormen en de P-piekconcentratie bij Si/SiGe kan lager zijn [38, 45].

Schematische diagrammen van a dopingstrategie van veranderende groeichemie, b experimentele structuur van Si/SiGe/Si ML's. De SiGe-laag werd gekweekt met DCS. De spoeltijd was 5 minuten met een stroom van 60 sccm na gedoteerd Si. De niet-gedoteerde Si-afstandslaag was 5 nm tussen aan de onderkant gedoteerde Si en niet-gedoteerde SiGe. c Ge/Si-profiel en P-concentratie van P-gedoteerde Si/Si_0,7 Ge_0.3 /P-gedoteerde Si ML's

Impact van Ge-inhoud op P-profile

Zoals we eerder hebben besproken, was de opname van P in SiGe opmerkelijk hoger dan in Si. Daarom kan het idee ontstaan ​​dat het toevoegen van een paar percentages Ge (7%) in Si-spacers (5 nm) de opname van P in Si zou kunnen verbeteren. Het is de moeite waard hier te vermelden dat ons doel niet is om het karakter van P-gedoteerde Si significant te veranderen, maar de segregatie van P in Si te belemmeren. In deze monsters verminderde de kamerdruk tot 10 Torr tijdens de groei van afstandslagen. De dopingafhankelijke groeisnelheid en het Ge-percentage zouden onder deze voorwaarde van belang zijn. Uit figuur 5b waren de bovenste en onderste lagen 110 nm Si_0.93 Ge_0,07 met P-concentratie van 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , de middelste laag was 40 nm Si_0,78 Ge_0.22 met P-concentratie van 3,5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . De helling van de P-concentratie van met P-gedoteerde Si_0,93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0.22 was ongeveer 33 nm/dec. De helling was niet scherp omdat het procentuele verschil van Ge tussen de twee lagen niet groot genoeg was. In Fig. 5d, drie lagen P-gedoteerde Si_0.93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0.22 /P-gedoteerde Si_0,93 Ge_0,07 ML's werden gekweekt om de dopinguniformiteit te verifiëren, en het structuurdiagram werd getoond in Fig. 5c. Het is te zien dat van onder naar boven de P-concentratie afnam, wat kan worden verklaard door het geheugeneffect van P. De resterende P-atomen in de kamer of diffuse P-atomen hopen zich op aan het filmoppervlak en blokkeren vrije actieve plaatsen op het oppervlak [38, 39]. Hoewel de P-piek was geëlimineerd, was de scheiding tussen Si_0,78 Ge_0.22 en Si_0.93 Ge_0,07 was nog steeds serieus.

een Schematisch diagram, b Ge/Si- en P-profiel in één laag P-gedoteerde Si_0.93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0.22 /P-gedoteerde Si_0,93 Ge_0,07 ML. c Schematisch diagram, d Ge/Si- en P-profiel in drie lagen P-gedoteerde Si_0.93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0.22 /P-gedoteerde Si_0,93 Ge_0,07 ML

Selectieve etskenmerken van Si/SiGe/Si ML's

Wanneer de ML-structuur met succes is gegroeid (met behulp van de bovenstaande groeistrategieën), zijn de NW's gevormd door verticaal etsen met behulp van SiO₂ /SiN als hardmasker. Daarna moet de SiGe-laag selectief worden geëtst op Si in de laterale richting om de kanaallaag met een ontworpen breedte te vormen. In deze experimenten zijn twee soorten ML-structuren gekozen:P-gedoteerde Si/SiGe/P-gedoteerde Si (monster-1, in Fig. 2c) en P-gedoteerde Si_0.93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0.22 /P-gedoteerde Si_0,93 Ge_0,07 (voorbeeld-2, in Fig. 5b). Deze keuzes zijn gemaakt op basis van bovenstaande discussies waarbij de uitdiffusie van P (gedeeltelijk) is onderdrukt, evenals de perspectieven van apparaattoepassing.

Het etsen in verticale richting werd uitgevoerd door droog etsen, terwijl voor lateraal etsen een selectieve droge of natte ets werd toegepast. De etsprofielen van monster-1 worden getoond in Fig. 6a, b. En het TEM-beeld en de EDS-afbeelding van figuur 6a zijn getoond in figuur 7. In deze experimenten is het harde masker oxide/nitride. Afbeelding 6a toont na 11,5 s droog etsen van CF₄ /O₂ /Hij. De etsselectiviteit van Si_0,86 Ge_0,14 en P-gedoteerde Si is 5,8. Figuur 6b laat zien dat na 20 min nat etsen van HF (6%)/H₂ O₂ (30%)/CH₃ COOH (99,8%). De natte ets heeft het harde masker verwijderd (SiO₂ /SiN), en als resultaat werd de Si-kaplaag ook geëtst ~ 10 nm. Zoals besproken in de sectie "Impact van Spacer Layers", is er een P-ophoping bij de P-gedoteerde Si/Si_0,86 Ge_0,14 koppel. De natte ets is gevoelig voor het dopingniveau; daarom was de eerste interface sneller geëtst. Als gevolg hiervan is de voorste etch-interface niet verticaal en is deze gefacetteerd of gehoekt. De gemiddelde selectiviteit was minder dan 4,2. Als we de twee etsmethoden vergelijken, is droog etsen gevoelig voor het Ge-percentage met een betere selectiviteit van SiGe, terwijl nat etsen gevoelig is voor doteringsconcentratie. De etsen van monster-2 worden ook bestudeerd in Fig. 6c, d. Soortgelijke verschijnselen werden waargenomen in dit monster, terwijl de SiGe-selectieve geëtste diepten dieper waren (Fig. 6a, c) vanwege een hoger Ge-percentage. Bij droog etsen is de selectiviteit van Si_0,78 Ge_0.22 en P-gedoteerde Si_0.93 Ge_0,07 was 6,3, terwijl bij nat etsen de gemiddelde selectiviteit minder dan 2,5 was. Daarom was droog etsen een betere keuze gezien de uniformiteit en selectiviteit van het etsen.

SEM-beelden van P-gedoteerde Si/Si_0,86 Ge_0,14 /P-gedoteerde Si in Fig. 2c met a 11,5-s droog etsen, b 20 minuten nat etsen en P-gedoteerde Si_0.93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0.22 /P-gedoteerde Si_0,93 Ge_0,07 ML's met c 11,5-s droog etsen, d 20 minuten nat etsen. De droge ets was CF₄ :O₂ :He = 4:1:5, en de natte ets was HF (6%):H₂ O₂ (30%):CH₃ COOH (99,8%) = 1:2:4

een TEM-afbeeldingen, b –e EDS-toewijzing van P-gedoteerde Si/Si_0,86 Ge_0,14 /P-gedoteerde Si in Fig. 6a met 11,5-s droge ets. De elementen in b is Si, in c is Ge, in d is O, en in e is N

Verdere analyses werden uitgevoerd om de stam te onderzoeken na etsstappen in monster-1 en monster-2. Afbeelding 8a-h toont (004) schommelcurven (RC's) van deze monsters als volgt:zoals gegroeid, na verticaal etsen en SiGe lateraal etsen met nat en droog etsen. In RC-analyse is de verbreding (volledige breedte-halfmaximum of FWHM) een indicator voor de defectdichtheid, en de positie van SiGe-piek in vergelijking met Si bepaalt de hoeveelheid rek in de laag. We benadrukken hier dat de piekverbreding ook kan komen door de dunne laagdikte. Daarom zal het moeilijk zijn om de bijdrage van defectdichtheid te onderscheiden van RC-analyse, maar we kunnen FWHM alleen in sommige uitbreidingen in deze analyses vergelijken. In deze RC's heeft monster-1 (Fig. 8a-d) een enkele SiGe-laag; ondertussen toont monster-2 (Fig. 8e-h) twee pieken die 7% en 22% Ge vertegenwoordigen. Voor As-grown monsters wordt een interferentie van de röntgenstraal waargenomen, die franjes van de diktelaag veroorzaakt. De opkomst van deze randen laat een SiGe/Si-interface van hoge kwaliteit zien. In RC's, van monster-1 en monster-2, is de Ge-piek verschoven naar de Si-substraatpiek, wat wijst op spanningsrelaxatie. Er is geen verdere verschuiving van de Ge-piek gedetecteerd na lateraal droog etsen van SiGe. Dit is een veelbelovend resultaat voor de prestaties van de transistor, aangezien de draaggolfmobiliteit in het kanaalgebied afhankelijk is van de belasting. Ondertussen is de spanning meer ontspannen voor de nat geëtste SiGe en is er meer verschuiving naar de substraatpiek waargenomen. Dit toont aan dat de natte ets niet geschikt is voor de laterale SiGe-ets, waardoor de kanaallaag wordt gevormd.

HRXRD schommelcurve rond (004) reflectie van monster-1, P-gedoteerde Si/Si_0,86 Ge_0,14 /P-gedoteerde Si ML's met een afstandslaag van 5 nm in a –d , en monster-2, P-gedoteerde Si_0.93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0.22 /P-gedoteerde Si_0,93 Ge_0,07 ML's in e –u . Beide monsters hebben vier panelen:zoals gegroeid, na verticaal etsen, SiGe lateraal nat etsen van HF (6%)/H₂ O₂ (30%)/CH₃ COOH (99,8%) 20 min, en lateraal droog etsen van CF₄ /O₂ /Hij 11,5 s

Verdere röntgenanalyses werden uitgevoerd om meer informatie te krijgen over de defectdichtheid in de monsters in Fig. 9a-h. HRRLM's, die zijn gebaseerd op tweedimensionale metingen, werden hier uitgevoerd zoals weergegeven in Fig. 9a-h. De indicator voor de defectdichtheid in HRRLM's is de verbreding van de SiGe-laag langs de ω-richting (ω is de invallende bundelhoek). De positie van Si- en SiGe-pieken geeft de stamcomponenten parallel en loodrecht op de groeirichting. In monster-1 en monster-2 vertonen de als gegroeide SiGe-lagen een kleine ω-verbreding, en de laag is uitgelijnd met het Si en toont volledig gespannen SiGe-lagen (zie figuur 9a, e). Figuur 9b toont het monster na de verticale ets, de SiGe-piek is op een vergelijkbare manier naar het Si-substraat verschoven in RC-resultaten in figuur 8b, wat wijst op spanningsrelaxatie. Maar verrassend genoeg vertoont het laterale drooggeëtste monster (figuur 9c) een duidelijke ω-verbreding van SiGe-piek samen met een verschuiving in de reciproke ruimte, die in de richting van de uitlijning met de Si-piek is. Het nat geëtste monster (in figuur 9d) is echter volledig uitgelijnd en heeft een laagintensiteit die lager is dan het droog geëtste monster (in figuur 9c). In dit geval wordt verwacht dat de gegenereerde defecten een verschillende oorsprong hebben in deze monsters, aangezien de aard van het etsproces anders is. Sample-2 bevat twee SiGe-lagen; de Si_0.93 Ge_0,07 piek wordt overleefd na etsen in zowel verticale als laterale richting, terwijl Si_0,78 Ge_0.22 is verdwenen na verticaal etsen en toont volledige spanningsrelaxatie (Fig. 8f-h). De slechte processtabiliteit van monster-2 kan worden veroorzaakt door P-doping, wat de vorming van misfit-dislocaties bevordert.

HRRLM's van P-gedoteerde Si/Si_0,86 Ge_0,14 /P-gedoteerde Si ML's met 5 nm spacerlaag (sample-1) in a –d , en P-gedoteerde Si_0.93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0.22 /P-gedoteerde Si_0,93 Ge_0,07 ML's (voorbeeld-2) in e –u . De twee afbeeldingen hebben beide vier panelen:zoals gegroeid, na verticaal etsen, lateraal nat etsen van HF (6%)/H₂ O₂ (30%)/CH₃ COOH (99,8%) 20 min, en lateraal droog etsen van CF₄ /O₂ /Hij 11,5 s