Optimaliseren van fosfor-gedopeerde Si/SiGe multilagen voor high-performance verticale gate-all-around transistors

Samenvatting

Verticale gate-all-around veld-effect transistors (vGAAFETs) worden gezien als potentiële opvolgers van FinFETs voor geavanceerde geïntegreerde schakeltechnologie op/bij de 3-nm technologienode. Een multilaag (ML) van Si/SiGe/Si wordt vaak gegroeid en verwerkt om verticale transistors te vormen. In dit werk worden de P-incorporatie in Si/SiGe/Si en het verticale etsen van deze ML's gevolgd door selectief lateraal etsen van SiGe bestudeerd om structuren voor vGAAFET te vormen. Verschillende strategieën voor de epitaxie zijn voorgesteld: waterstof purging om toegang van P-atomen aan Si-oppervlak te verminderen, en/of invoegen van Si of Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ spacerlagen aan beide kanten van P-gedopeerde Si-lagen, en substitueren van SiH₄ door SiH₂Cl₂ (DCS). Experimentele resultaten tonen aan dat segregatie en auto-doping ook verlicht kunnen worden door 7% Ge toe te voegen aan P-gedopeerd Si. De structuur had goede kristalkwaliteit en bijna geen spanningontspanning. De selectieve ets tussen P-gedopeerd Si (of P-gedopeerd Si₀.₉₃Ge₀.₀₇) en SiGe werd besproken met natte en droge ets. De prestaties en selectiviteit van verschillende etsmethoden werden vergeleken. Dit artikel biedt inzicht in hoe uitdagingen van epitaxie en ets van n-type lagen in verticale GAAFET structuren aangepakt kunnen worden.

Inleiding

Naar mate CMOS-schaaling de fysieke limiet bereikt, verzwakken korte-kanaleffecten de transistorprestaties. Een oplossing is nieuwe transistordesigns, zoals GAAFETs (gate-all-around veld-effect transistors), de veelbelovendste kandidaat voor nanoschaal transistors tot de 3-nm node. Laterale en verticale nanodraden/nanolagen zijn hoofstructuren volgens IRDS 2020 om FinFETs te vervangen. Verticale GAAFETs (vGAAFETs) hebben vrije ontwerpvrijheid voor gatellengte en groot potentieel om geïntegreerde dichtheid te verhogen. Twee hoofdcategorieën voor verticale nanodraadstructuren: bottom-up en top-down. Bottom-up introduceert metalen katalysator, wat procescompatibiliteitsproblemen kan geven. Top-down is de mainstream in de industrie vanwege betere controle over nanodraadconfiguratie en compatibiliteit met FinFET. Top-down vGAAFET fabricage trekt veel aandacht. Self-aligned gate met nauwkeurige gatellengtecontrole is cruciaal. Gatellengte kan primair bepaald worden door dikte van kanaalmateriaal epitaxieel gegroeid op vlak bodemoppervlak (bijv. Si/SiGe/Si, met SiGe als kanaal). Een andere integratie-uitdaging is doping tussen kanaal en S/D regio's, met name scherpe junctiecontrole. In tegenstelling tot traditionele S/D implantatie, vereenvoudigt epitaxie het proces, vermindert oppervlakteschade en bereikt uniforme dopingprofielen. Echter, P-gedopeerde Si/SiGe/P-gedopeerde Si sandwichstructuur is moeilijk epitaxieel te groeien door segregatie, auto-doping en uitdiffusie van veelvoorkomende n-type dopanten (fosfor, arsenic, antimoon) bij Si/SiGe interface in CVD-systemen. Gesegregeerde donoratomen verzamelen zich aan de interface en doping de SiGe-laag, wat transistorprestaties degradeert met hoge lekkagestroom.

Eén strategie om dopantsegregatie te hinderen is zeer lage groeitemperatuur. Reeks rapporten over n-type doping via molecular beam epitaxy (MBE), maar niet toegepast voor CVD. MBE apparatuur is meestal single-chip, vereist hoog vacuüm, lage doorvoer, niet compatibel met >8-inch wafers in industrie. RPCVD systeem heeft sterke productiecapaciteit en simpele structuur, geschikt voor IC-industrie. Eerste idee RPCVD: waterstofstroom in kamer regelen (dragergas, beïnvloedt kinetica precursor gassen). Laag groeitemperatuur in RTCVD verlaagt segregatie-energie. Effect van waterstof niet verkend bij Si/SiGe interface in RPCVD. Suvar et al. voegden 30 nm ongedoopt Si spacer tussen P-gedopeerd Si en SiGe toe; P-concentratie aan interface verminderd met factor 4, maar P-doping piek niet geëlimineerd. Bennett et al. bestudeerden spanningseffect op n-type doping in Si: vaste oplosbaarheid verhoogd door trekspanning. Christensen et al.: geen significante afhankelijkheid P-diffusiecoëfficiënt van Ge-inhoud in Si₁₋ₓGeₓ (0≤x≤0,22). Zangenberg et al.: diffusiecoëfficiënt verhoogd met factor 2 bij 825 °C voor ontspannen Si₀.₈₈Ge₀.₁₂.

Deze paper stelt verschillende methoden voor om P-incorporatie in Si in Si/SiGe/Si ML te verbeteren met RPCVD. Strategieën: waterstof purge, ongedoopt spacerlagen, Si-precursor van SiH₄ naar SiH₂Cl₂ (DCS) veranderen, spanningsprofiel modelleren door Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ offerlaag aan beide kanten van SiGe-laag. Verder selectieve ets van SiGe om dunne SiGe-laag (bedoeld als kanaallaag) te vormen. Etskarakteristieken natte en droge ets vergeleken. Eindstructuur bedoeld voor vGAAFETs voor sub-10-nm node.

Methoden

Si/SiGe/Si multilagen gegroeid op 200mm Si <100> wafers met RPCVD (ASM Epsilon 2000). Substraten gereinigd met H₂SO₄/H₂O₂ mengsel, gevolgd door gedilueerde HF voor native oxide verwijdering. In situ annealing bij 1050 °C voor native oxide verwijdering. Precursors: SiH₄ (of SiH₂Cl₂), 10% GeH₄ in H₂, 2% PH₃ in H₂. Groeitemperatuur 650 °C, kamer druk 80 Torr. Sommige experimenten: druk verlaagd tot 10 Torr voor P-gedopeerde Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ laag in S/D regio's. Ge-inhoud SiGe kanaal constant 0,22. Voor selectieve ets: 50 nm nitrid/30 nm oxide hardmask. Lithografie en anisotrope verticale droge ets voor cuboïde patronen. Selectieve ets experimenten: natte ets HF (6%):H₂O₂ (30%):CH₃COOH (99,8%) = 1:2:4 en droge ets CF₄:O₂:He = 4:1:5.

Karakterisatie: HRTEM (Thermo Scientific Talos F200), EDX, HRXRD, HRRLM (Bruker JV Delta-x), SEM (Hitachi), SIMS.

Resultaten en discussie

Epitaxie van P-gedopeerde Si/SiGe/Si MLs

Eerst P-incorporatie in Si en SiGe verkend. ML structuren in Fig 1a. ML van P-gedopeerd Si/ongedopeerd Si met toenemende PH₃ stroom gegroeid; SIMS profielen Fig 1b. P-concentratie stijgt tot hoogste niveau 2,6×10¹⁹ cm⁻³. Twee extra monsters: 'P-gedopeerd Si/Si₀.₇₂Ge₀.₂₈/P-gedopeerd Si' en 'Si/P-gedopeerd Si₀.₇₂Ge₀.₂₈/Si'; P-profielen Fig 1c,d. Fig 1c: P-ophoping aan interfaces P-gedopeerd Si/Si₀.₇₂Ge₀.₂₈ MLs. Interfaciele P-ophoping neemt toe met toenemende P-concentratie van bodem naar top; hoogste 1,6×10²⁰ cm⁻³ (6x Fig 1b). In gedoopte Si₀.₇₂Ge₀.₂₈ lagen (Fig 1d): P-concentraties aanzienlijk hoger, geen pieken aan interface. Door doping: Ge-percentage licht verhoogd. Gerelateerd aan versterkte adsorptie SiH₄ en GeH₄ in aanwezigheid van PH₃. Laagdikkes verschillen tussen Fig 1c,d (dezelfde groeitijd): P-doping verhoogt groeisnelheid Si₀.₇₂Ge₀.₂₈ en GeH₄ absorptie, terwijl Si groeisnelheid vertraagd door P-adsorptie. Consistent met literatuur. P-segregatie en auto-doping ernstig aan Si/SiGe interface. P-doping piek maakt ongewilde doping in SiGe-laag. Omdat SiGe bedoeld is als kanaallaag, beperken inhomogene dopingprofielen of hoge achtergronddoping toepassingen. Methodes om P-piek te elimineren worden besproken. Alle SiGe-lagen gespannen; stroomverhouding SiH₄ (SiH₂Cl₂) en GeH₄ voor SiGe-laag ongewijzigd in alle experimenten.

Invloed van spacerlagen

Ongedope Si spacerlagen tussen bodem-gedopeerde Si-laag en ongedope SiGe-laag om overtollige P-atomen te absorberen. Fig 2a: schema; Fig 2b-d: profielen met Si spacer dikte (b) 3 nm, (c) 5 nm, (d) 10 nm. P-ophopingspieken verminderd, Si/Ge% en P-concentratie in Si-lagen constant. P-ophoping verminderd met 82%, van 4×10¹⁹ cm⁻³ (Fig 2b) naar 7×10¹⁸ cm⁻³ (Fig 2d), bij spacer dikte X_b toename 3→10 nm. Dikkere spacerlagen absorberen meer overtollige P-atomen. Fig 2d: helling P-profiel bij Si₀.₈₆Ge₀.₁₄/Si oppervlak 15,9 nm/dec; bij Si/Si₀.₈₆Ge₀.₁₄ interface 31,3 nm/dec. Te dikke spacerlaag niet ideaal: vlakweerstand stijgt. Trade-off tussen vlakweerstand en onbeheerste P-profiel voor transistors. Fig 2 toont ook asymmetrisch effect: spacer tussen Si/Si₀.₈₆Ge₀.₁₄ (X_b) anders dan tussen Si₀.₈₆Ge₀.₁₄/Si (X_t). In Fig 2b,c: spacer diktes Si₀.₈₆Ge₀.₁₄/Si waren 3 en 5 nm; Fig 2d: geen bovenste spacer. Toch helling P-profiel bij Si₀.₈₆Ge₀.₁₄/Si hetzelfde (~15,9 nm/dec), geen invloed van verwijderen bovenste spacer. Conclusie: P-piek alleen aan Si/Si₀.₈₆Ge₀.₁₄ interface, mogelijk door oplosbaarheidslimiet; overtollige P-atomen vormen P-P dimeren aan oppervlak en geïncorporeerd in SiGe kaplaag. Auto-doping van P tijdens SiGe-groei na P-gedopeerd Si. Methoden gezocht om overtollige P-atomen te verwijderen of Si-oplosbaarheid te verbeteren.

Invloed van waterstof purge aan Si/SiGe/Si ML interface

Si spacerlaag vast op 5 nm, waterstof purge geïntroduceerd om overtollige P-atomen te wissen na P-gedopeerde Si-groei. Fig 3c,d: verhogen waterstofstroom 20→60 sccm en purge-tijd 2→10 min heeft geen duidelijke effect op P-piek. Dopingconcentratie Si: 3×10¹⁹ cm⁻³ (zoals sectie spacerlagen). P-piekconcentratie aan interface gelijk aan concentratie in Si (Fig 3d). Laagdikkes hetzelfde onder verschillende purge-omstandigheden. P-atomen niet te wissen met waterstof; verklaard door vorming stabiele P-complexen aan oppervlak. Parameters als temperatuur, druk, purge-tijd kunnen helpen, maar te lange purge-tijd ongeschikt (tijdskost), hoge temperatuur (>950 °C) veroorzaakt Si-Ge interdiffusie.

Invloed van groeischemie op P-incorporatie

Si-precursor SiH₄ vervangen door SiH₂Cl₂ (DCS). Groeiparameters hetzelfde; structuren bevatten 5-nm Si spacerlaag, purge 5 min, 60 sccm. Idee: Cl-gebaseerde chemie kan overtollige P-atomen wissen via Si-oppervlakreacties P-Cl, Si-Cl, Ge-Cl. Fig 4: P-piekconcentratie verminderd met factor 2 (2,6×10¹⁹ → 1,3×10¹⁹ cm⁻³); P-concentraties in Si-lagen 2,6×10¹⁹ cm⁻³. Geschatte Ge-inhoud 30% (hoger dan SiGe met SiH₄). Hogere Ge-inhoud: Cl verwijdert preferentieel Si-atomen aan oppervlakreacties. Ook verklarbaar door andere relatie gasstroomverhouding en Ge-concentratie met SiH₄ vs SiH₂Cl₂ precursors. Andere verklaring: Ge-atomen verhogen waterstofdesorptie, meer vrije nucleatieplaatsen. Helling P-profiel Si₀.₇Ge₀.₃/Si interface 13,2 nm/dec (scherper dan Si₀.₈₆Ge₀.₁₄/Si: 15,9 nm/dec). Helling Si/Si₀.₇Ge₀.₃ interface 20 nm/dec. Meer HCl of hogere SiH₂Cl₂/GeH₄ verhouding kan gesegregeerde P-atomen aan gedoopt Si-oppervlak etsen via HCl tot P-Cl dimeren, P-piekconcentratie aan Si/SiGe verlagen.

Invloed van Ge-inhoud op P-profiel

P-incorporatie in SiGe aanzienlijk hoger dan in Si. Idee: paar procenten Ge (7%) in Si spacers (5 nm) toevoegen kan P-incorporatie in Si verbeteren. Doel: niet significant karakter P-gedopeerd Si veranderen, maar P-segregatie in Si hinderen. In deze monsters: kamerdruk verlaagd tot 10 Torr tijdens spacerlaag groei. Doping-afhankelijke groeisnelheid en Ge-percentage belangrijk. Fig 5b: bovenste/onderste lagen 110 nm Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ met P-concentratie 1×10²⁰ cm⁻³; middenlaag 40 nm Si₀.₇₈Ge₀.₂₂ met P-concentratie 3,5×10¹⁹ cm⁻³. Helling P-gedopeerd Si₀.₉₃Ge₀.₀₇/Si₀.₇₈Ge₀.₂₂ ~33 nm/dec (niet scherp genoeg door klein Ge-verschil). Fig 5d: drie lagen P-gedopeerd Si₀.₉₃Ge₀.₀₇/Si₀.₇₈Ge₀.₂₂/P-gedopeerd Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ MLs voor dopinguniformiteit; schema Fig 5c. Van bodem naar top: P-concentratie daalt, verklaard door geheugeneffect P. Residuele P-atomen in kamer of gediffundeerde P-atomen accumuleren aan filmoppervlak, blokkeren vrije actieve plaatsen. Hoewel P-piek geëlimineerd, segregatie tussen Si₀.₇₈Ge₀.₂₂ en Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ nog steeds ernstig.

Selectieve etskarakteristieken van Si/SiGe/Si MLs

Na succesvolle ML-groei (bovenstaande strategieën), nanodraden gevormd door verticale ets met SiO₂/SiN hardmask. Vervolgens SiGe-laag selectief lateraal geëtst ten opzichte van Si om kanaallaag met ontworpen breedte te vormen. Twee ML-structuren gekozen: P-gedopeerd Si/SiGe/P-gedopeerd Si (monster-1, Fig 2c) en P-gedopeerd Si₀.₉₃Ge₀.₀₇/Si₀.₇₈Ge₀.₂₂/P-gedopeerd Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ (monster-2, Fig 5b). Keuze gebaseerd op onderdrukking P-uitdiffusie en toepassingsperspectieven.

Verticale ets: droge ets. Laterale ets: selectieve droge of natte ets. Etsprofielen monster-1: Fig 6a,b. TEM en EDS mapping Fig 6a in Fig 7. Hardmask: oxide/nitrid. Fig 6a: na 11,5 s droge ets CF₄/O₂/He. Etsselectiviteit Si₀.₈₆Ge₀.₁₄ en P-gedopeerd Si: 5,8. Fig 6b: na 20 min natte ets HF/H₂O₂/CH₃COOH. Natte ets verwijdert hardmask (SiO₂/SiN), Si kaplaag geëtst ~10 nm. Zoals besproken: P-ophoping aan P-gedopeerd Si/Si₀.₈₆Ge₀.₁₄ interface. Natte ets gevoelig voor dopingniveau; eerste interface sneller geëtst. Frontale etsinterface niet verticaal, gefacetteerd/geschoeid. Gemiddelde selectiviteit <4,2. Vergelijking: droge ets gevoelig voor Ge% met betere SiGe-selectiviteit; natte ets gevoelig voor dopantconcentratie. Monster-2 ets: Fig 6c,d. Vergelijkbare verschijnselen, maar SiGe selectief geëtste diepten dieper (Fig 6a,c) door hogere Ge%. Droge ets: selectiviteit Si₀.₇₈Ge₀.₂₂ en P-gedopeerd Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ = 6,3; natte ets: gemiddelde selectiviteit <2,5. Droge ets betere keuze voor etsuniformiteit en selectiviteit.

Nadere analyses spanning na etsstappen monster-1 en -2. Fig 8a-h: (004) rocking curves (RCs): as-grown, na verticale ets, SiGe laterale natte/droge ets. RC-analyse: verbreding (FWHM) indicator defectdensiteit; positie SiGe-piek t.o.v. Si bepaalt spanning in laag. Piekenverbreding ook door dunne laagdikte; moeilijk defectdensiteit te onderscheiden, maar FWHM vergelijkbaar. In RCs: monster-1 (Fig 8a-d) enkele SiGe-laag; monster-2 (Fig 8e-h) twee pieken (7% en 22% Ge). As-grown: interferentie Röntgenstraal → dikte-laag fringes → hoge-kwaliteit SiGe/Si interface. In RCs: Ge-piek verschoven naar Si-substraat piek → spanningontspanning. Geen verdere verschuiving na laterale droge ets SiGe → belovend voor transistorprestaties (draagmobiliteit in kanaal afhankelijk van spanning). Natte ets: meer spanning ontspannen, meer verschuiving → natte ets niet geschikt voor laterale SiGe ets (kanaallaag).

Verder Röntgenanalyses defectdensiteit: Fig 9a-h HRRLMs (tweedimensionale metingen). Indicator defectdensiteit: verbreding SiGe-laag langs ω-richting (ω = invalshoek). Positie Si/SiGe pieken geeft spanningcomponenten parallel/perpendiculair aan groeirectie. Monster-1 en -2: as-grown SiGe-lagen minor ω-verbreding, laag uitgelijnd met Si → volledig gespannen SiGe-lagen (Fig 9a,e). Fig 9b: na verticale ets, SiGe-piek verschoven naar Si-substraat (zoals RC Fig 8b). Verrassend: laterale droge geëtste monster (Fig 9c) duidelijke ω-verbreding SiGe-piek met verschuiving in reciproke ruimte, richting uit uitlijning met Si-piek. Natte geëtste monster (Fig 9d) volledig-spanning-uitgelijnd, lagere laagintensiteit dan droge ets (Fig 9c). Verschillende defectoorsprongen door verschillende etsaard. Monster-2: twee SiGe-lagen; Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ piek overlevet na ets in beide richtingen; Si₀.₇₈Ge₀.₂₂ verdwenen na verticale ets → volledige spanningontspanning (Fig 8f-h). Slecht processtabiliteit monster-2 kan voortkomen uit P-doping, die misfit-dislocaties bevordert.

Conclusies

In dit werk: epitaxie P-gedopeerd Si/SiGe/P-gedopeerd Si MLs en ets als initiële structuren voor vGAAFET onderzocht. Eerst P-incorporatie in Si/SiGe/Si MLs bestudeerd. Verschillende strategieën epitaxie en ML-structuur voorgesteld om P-gesegregeerde piek aan Si/SiGe heterointerface te elimineren. Uit experimenten: ongedope spacerlaag vermindert P-piek. Waterstof purge om overtollige P-atomen te wissen niet erg effectief; stabiele P-P dimeren niet volledig verwijderbaar. Substitueren SiH₄ door SiH₂Cl₂ als Si-precursor introduceert Cl-chemie tijdens groei; gesegregeerde P-piek aanzienlijk verminderd door Cl-actieve oppervlakreacties. Invloed Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ spacerlagen na P-gedopeerd Si onderzocht: P-piek aan SiGe-interface verdween, P-incorporatie in deze lagen verbeterde met orde grootte. Tweede deel: verticale ets Si/SiGe/Si ML vormt nanodraden; laterale selectieve natte/droge ets SiGe. Natte ets gevoelig voor dopantconcentratie; droge ets gevoelig voor Ge-inhoud. Droge ets meer geschikt voor n-type structuren met uniforme etsprofiel en hogere selectiviteit. Voor P-gedopeerd Si/Si₀.₈₆Ge₀.₁₄/P-gedopeerd Si MLs: selectiviteit 5,8 (droog) vs 4,2 (nat). Voor P-gedopeerd Si₀.₉₃Ge₀.₀₇/Si₀.₇₈Ge₀.₂₂/P-gedopeerd Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ MLs: selectiviteit 6,3 (droog) vs 2,5 (nat). Spanning in SiGe grotendeels behouden in Si/SiGe/Si na verticale en laterale ets; spanning in MLs met Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ spacerlaag had slechte stabiliteit na etsproces.