Crecimiento y grabado selectivo de estructuras de múltiples capas de silicio / silicio-germanio dopado con fósforo para transistores verticales Aplicación

Resultados y discusión

Epitaxia de ML Si / SiGe / Si dopado con P

En este estudio, se exploró inicialmente la incorporación de P en Si y SiGe. Las estructuras ML se muestran en la Fig. 1a. Un ML de Si dopado con P / Si sin dopar con PH ₃ en aumento Se hizo crecer el flujo y los perfiles de las capas fueron examinados por SIMS en la Fig. 1b. La figura muestra que la concentración de P aumenta y alcanza el nivel más alto de 2.6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . Dos muestras más con perfil de 'Si / Si dopado con P _0,72 Ge _0.28 / Si dopado con P 'y' Si / Si dopado con P _0,72 Ge _0.28 Se diseñaron / Si ’, y el perfil P se muestra en la Fig. 1c, d, respectivamente. En la Fig. 1c, se observa una acumulación de P en las interfaces de Si / Si dopado con P _0,72 Ge _0.28 multicapas. La acumulación de P interfacial aumenta al aumentar la concentración de P desde la parte inferior hacia la parte superior en las multicapas, y la concentración más alta es 1,6 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , que es 6 veces más que la concentración en la Fig. 1b (2.6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ). En Si dopado _0,72 Ge _0.28 capas (Fig. 1d), las concentraciones de P son notablemente más altas y no hay picos en la interfaz. Debido al dopaje, el porcentaje de Ge aumenta ligeramente. Este comportamiento está relacionado con la adsorción mejorada de SiH ₄ y GeH ₄ en presencia de PH ₃ . Además, debido al dopaje, los espesores de capa son diferentes entre las Fig. 1c, d, que tienen el mismo tiempo de crecimiento. Significa que el dopaje P mejora la tasa de crecimiento de Si _0,72 Ge _0.28 capas y la absorción de GeH ₄ , mientras que la tasa de crecimiento de Si se retrasa debido a la adsorción de P. Estos fenómenos son consistentes con el resultado informado en las Refs. [36,37,38]. De lo anterior, la segregación de P y el fenómeno de auto-dopaje son serios en la interfaz Si / SiGe. El pico de dopaje P en la interfaz Si / SiGe produce un dopaje involuntario en la capa de SiGe. Dado que SiGe está destinado a ser la capa de canal en los transistores, el perfil de dopaje no homogéneo o los altos niveles de dopaje de fondo limitarían las aplicaciones del dispositivo [39]. A continuación se analizarán varios métodos para eliminar el pico P. Para una mejor comparación, todas las capas de SiGe están tensas y la relación de flujo de SiH ₄ (SiH ₂ Cl ₂ ) y GeH ₄ para la capa de SiGe no se alteró a lo largo de todos los experimentos.

un Diagrama esquemático de los ML de Si / SiGe / Si dopados con P. b Concentración de dopaje P de ML sin dopar con Si / Si dopado con P. Porcentaje de Ge / Si y concentración de P de c Si sin dopar _0,72 Ge _0.28 / Si dopado con P, d Si no dopado / Si dopado P _0,72 Ge _0.28 ML. No se consideró una capa espaciadora de purga y sin dopar

Impacto de las capas espaciadoras

Se insertaron capas espaciadoras de Si sin dopar entre la capa de Si dopada en el fondo y la capa de SiGe sin dopar para absorber el exceso de átomos de P. La Figura 2a muestra el diagrama esquemático de la estructura diseñada, y la Figura 2b – d demuestra los resultados del perfil de los espaciadores de Si integrados con espesores de (b) 3 nm, (c) 5 nm y (d) 10 nm. Los picos de acumulación de P se reducen, mientras que el porcentaje de Si / Ge y la concentración de P en las capas de Si se mantienen constantes como en la Fig. 2b – d. El nivel de acumulación de P se reduce en un 82%, de 4 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ en la Fig. 2b a 7 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ en la Fig. 2d, cuando el espesor del espaciador X _b aumentado de 3 a 10 nm. El aumento del espesor de las capas espaciadoras de Si sin dopar aumenta la absorción de átomos de P excesivos. En la Fig. 2d, la pendiente del perfil P en Si _0.86 Ge _0,14 / Si la superficie es de 15,9 nm / dec, mientras que en Si / Si _0,86 Ge _0,14 interfaz la pendiente es 31,3 nm / dec. Mientras tanto, una capa espaciadora de Si demasiado gruesa no es una solución adecuada ya que aumenta la resistencia de la hoja. Por lo tanto, para los transistores se debe hacer un compromiso entre la resistencia de la hoja y el perfil P incontrolado. La Figura 2 también revela el impacto de la capa espaciadora entre Si / Si _0.86 Ge _0,14 capas ( X _b ) era diferente de la capa entre el Si _0.86 Ge _0,14 / Si ( X _t ). En la Fig. 2b, c, los espesores del espaciador entre el Si _0.86 Ge _0,14 / Si eran 3 nm y 5 nm, mientras que en la Fig. 2d, no se insertó ninguna capa espaciadora. Sin embargo, la pendiente del perfil P en el Si _0.86 Ge _0,14 / Si es el mismo (aproximadamente 15,9 nm / dec), aunque en la Fig. 2d se eliminó la capa espaciadora superior pero no se observó influencia sobre el perfil de dopaje. De los resultados anteriores, el pico P estaba solo en Si / Si _0.86 Ge _0,14 interfaz, que posiblemente se deba al límite de solubilidad; el exceso de átomos de P puede formar dímeros P – P en la superficie y ser incorporados en la capa superior de SiGe. Además, hay un autodopado de P durante el crecimiento de SiGe después del Si dopado con P. Por lo tanto, se han buscado métodos para eliminar el exceso de átomos de P o mejorar la solubilidad del Si.

un El esquema de muestras experimentales con diferentes capas espaciadoras sin dopar. Y perfiles de Ge, Si y P de Si / Si dopado con P _0.86 Ge _0,14 / ML de Si dopado con P con capas espaciadoras de Si sin dopar de b 3 nm, en ambas interfaces, c 5 nm, en ambas interfaces, d 10 nm, solo en una interfaz con Si _0.86 Ge _0,14

Impacto de la purga de hidrógeno en la interfaz de Si / SiGe / Si MLs

En esta sección, la capa espaciadora de Si se fijó a 5 nm y se introdujo una purga de hidrógeno para eliminar el exceso de átomos de P después del crecimiento de Si dopado con P. Puede verse en la Fig. 3c, d que el aumento del flujo de hidrógeno de 20 a 60 sccm y el tiempo de purga de 2 a 10 min no tiene un efecto obvio sobre el pico de P. La concentración de dopaje en Si es 3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , que es el mismo que se discutió en la sección "Impacto de las capas espaciadoras". La concentración máxima de P en la interfaz es la misma que la concentración en Si de la Fig. 3d. Los espesores de capa son los mismos en diferentes condiciones de purga. Los átomos de P no pueden ser eliminados por hidrógeno; esto puede explicarse por la formación de complejos P estables en la superficie. Al cambiar parámetros como la temperatura, la presión, el tiempo de purga sería útil [24, 40], pero un tiempo de purga demasiado largo no es adecuado debido al costo del tiempo, y la alta temperatura (> 950 ° C) causa la interdifusión de Si-Ge [41] .

Diagramas esquemáticos de a estrategia de dopaje de H ₂ condiciones de purga y b estructura experimental de ML de Si / SiGe / Si. c Perfil Ge / Si y d Concentración de P de Si / Si dopado con P _0.86 Ge _0,14 / ML Si dopado con P

Impacto de la química del crecimiento en la incorporación de P

En estos experimentos, el precursor de Si, SiH ₄ , ha sido reemplazado por SiH ₂ Cl ₂ (DCS). En estas muestras, los parámetros de crecimiento fueron los mismos que antes, y las estructuras contienen una capa espaciadora de Si de 5 nm y el tiempo de purga es de 5 min con un flujo de 60 sccm. La idea detrás es investigar si la química basada en Cl podría eliminar el exceso de átomos de P por la superficie de Si y podrían ocurrir reacciones de P-Cl, Si-Cl o Ge-Cl [42]. De la Fig.4, la concentración máxima de P se reduce en un factor de 2 (de 2.6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ a 1,3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ), y las concentraciones de P en las capas de Si son 2.6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . El contenido estimado de Ge es del 30%, que es más alto que SiGe con SiH ₄ . El mayor contenido de Ge demuestra que el Cl eliminó preferiblemente los átomos de Si en las reacciones superficiales. Este resultado también puede explicarse por la diferente relación de la relación de flujo de gas y la concentración de Ge con SiH ₄ y SiH ₂ Cl ₂ precursores gaseosos [32, 43]. Otra explicación fue que los átomos de Ge aumentaron la desorción de hidrógeno y luego aumentaron los sitios de nucleación libres [44]. La pendiente de concentración de P del Si _0.7 Ge _0.3 / Si la interfaz era de 13,2 nm / dec, que era un poco más nítida que Si _0,86 Ge _0,14 / Si interfaz (15,9 nm / dec). La pendiente del perfil P en el Si / Si _0.7 Ge _0.3 la interfaz fue de 20 nm / dec. Por lo tanto, al introducir más HCl o aumentar la proporción de gas de SiH ₂ Cl ₂ y GeH ₄ , los átomos de P segregados en la superficie de Si dopada pueden ser atacados por HCl para formar dímeros de P-Cl y la concentración máxima de P en Si / SiGe podría ser menor [38, 45].

Diagramas esquemáticos de a estrategia de dopaje para cambiar la química del crecimiento, b estructura experimental de ML de Si / SiGe / Si. La capa de SiGe se hizo crecer con DCS. El tiempo de purga fue de 5 min con un flujo de 60 sccm después de Si dopado. La capa espaciadora de Si sin dopar estaba a 5 nm entre el Si dopado en el fondo y el SiGe sin dopar. c Perfil de Ge / Si y concentración de P de Si / Si dopado con P _0,7 Ge _0.3 / ML Si dopado con P

Impacto del contenido de Ge en el perfil P

Como comentamos antes, la incorporación de P en SiGe fue notablemente mayor que en Si. Por tanto, esto puede plantear la idea de que añadir unos pocos porcentajes de Ge (7%) en espaciadores de Si (5 nm) podría mejorar la incorporación de P en Si. Vale la pena mencionar aquí que nuestro propósito no es cambiar significativamente el carácter del Si dopado con P, sino impedir la segregación de P en Si. En estas muestras, la presión de la cámara se redujo a 10 Torr durante el crecimiento de las capas espaciadoras. La tasa de crecimiento dependiente del dopaje y el porcentaje de Ge serían importantes en esta condición. De la Fig. 5b, las capas superior e inferior eran 110 nm Si _0.93 Ge _0.07 con concentración de P de 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , la capa intermedia eran 40 nm Si _0,78 Ge _0.22 con una concentración de P de 3,5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . La pendiente de la concentración de P del Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 /Si_0.78 Ge _0.22 fue de aproximadamente 33 nm / dec. La pendiente no era pronunciada porque la diferencia porcentual de Ge entre las dos capas no era lo suficientemente grande. En la Fig. 5d, tres capas de Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 /Si_0.78 Ge _0.22 / Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 Se cultivó ML para verificar la uniformidad del dopaje, y su diagrama de estructura se muestra en la Fig. 5c. Se puede ver, de la capa inferior a la superior, la concentración de P estaba disminuyendo, lo que puede explicarse por el efecto memoria de P. Los átomos de P residuales en la cámara o los átomos de P difusos se acumulan en la superficie de la película y bloquean los sitios activos libres en la superficie [38, 39]. Aunque se eliminó el pico P, la segregación entre Si _0,78 Ge _0.22 y Si _0.93 Ge _0.07 todavía estaba en serio.

un Diagrama esquemático, b Perfil Ge / Si y P en una capa de Si dopado con P _0,93 Ge _0.07 /Si_0.78 Ge _0.22 / Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 ML. c Diagrama esquemático, d Perfil Ge / Si y P en tres capas de Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 /Si_0.78 Ge _0.22 / Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 ML

Características de grabado selectivo de Si / SiGe / Si MLs

Cuando la estructura ML crece con éxito (utilizando las estrategias de crecimiento anteriores), los NW se han formado mediante grabado vertical utilizando SiO ₂ / SiN como máscara dura. Posteriormente, la capa de SiGe tiene que ser atacada selectivamente a Si en la dirección lateral para formar la capa de canal con un ancho diseñado. En estos experimentos, se han elegido dos tipos de estructuras ML:Si dopado con P / SiGe / Si dopado con P (muestra-1, en la Fig. 2c) y Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 /Si_0.78 Ge _0.22 / Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 (muestra-2, en la Fig. 5b). Estas elecciones se realizan de acuerdo con las discusiones anteriores donde la difusión externa de P se ha suprimido (parcialmente), así como también se consideran las perspectivas de la aplicación del dispositivo.

El grabado en dirección vertical se realizó mediante grabado en seco, mientras que para el grabado lateral se aplicó un grabado selectivo en seco o húmedo. Los perfiles de grabado de la muestra 1 se muestran en la Fig. 6a, b. Y la imagen TEM y el mapeo EDS de la Fig. 6a se han mostrado en la Fig. 7. En estos experimentos, la máscara dura es óxido / nitruro. La Figura 6a muestra después de 11,5 s de grabado en seco de CF ₄ / O ₂ /Él. La selectividad de grabado de Si _0.86 Ge _0,14 y Si dopado con P es 5,8. La Figura 6b muestra que después de 20 minutos de grabado en húmedo de HF (6%) / H ₂ O ₂ (30%) / CH ₃ COOH (99,8%). El grabado en húmedo ha eliminado la máscara dura (SiO ₂ / SiN), y como resultado, la capa superior de Si también se atacó a ~ 10 nm. Como se discutió en la sección "Impacto de las capas espaciadoras", hay una acumulación de P en el Si / Si dopado con P _0.86 Ge _0,14 interfaz. El grabado en húmedo es sensible al nivel de dopaje; por lo tanto, la primera interfaz se grabó más rápido. Como resultado, la interfaz de grabado frontal no es vertical y está facetada o en ángulo. La selectividad media fue inferior a 4,2. Comparando los dos métodos de grabado, el grabado en seco es sensible al porcentaje de Ge con una mejor selectividad de SiGe, mientras que el grabado en húmedo es sensible a la concentración de dopante. Los grabados de la muestra-2 también se estudian en la Fig. 6c, d. Se observaron fenómenos similares en esta muestra, mientras que las profundidades de grabado selectivo de SiGe fueron más profundas (Fig. 6a, c) debido a un mayor porcentaje de Ge. En el grabado en seco, la selectividad de Si _0,78 Ge _0.22 y Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 fue de 6,3, mientras que en el grabado en húmedo, la selectividad media fue inferior a 2,5. Por lo tanto, el grabado en seco fue una mejor opción teniendo en cuenta la uniformidad y selectividad del grabado.

Imágenes SEM de Si / Si dopado con P _0.86 Ge _0,14 / Si dopado con P en la Fig. 2c con a Grabado en seco de 11,5 s, b Grabado en húmedo durante 20 minutos y Si dopado con P _0,93 Ge _0.07 /Si_0.78 Ge _0.22 / Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 ML con c Grabado en seco de 11,5 s, d Grabado húmedo de 20 min. El grabado en seco fue CF ₄ :O ₂ :He =4:1:5, y el grabado en húmedo fue HF (6%):H ₂ O ₂ (30%):CH ₃ COOH (99,8%) =1:2:4

un Imágenes TEM, b - e Mapeo EDS de Si / Si dopado con P _0.86 Ge _0,14 / Si dopado con P en la Fig. 6a con grabado en seco de 11,5 s. Los elementos en b es Si, en c es Ge, en d es O, y en e es N

Se realizaron más análisis para investigar la cepa después de los pasos de grabado en muestra-1 y muestra-2. La Figura 8a-h muestra (004) curvas de balanceo (RC) de estas muestras de la siguiente manera:tal como crecen, después del grabado vertical, y grabado lateral SiGe usando grabado húmedo y seco. En el análisis de RC, el ensanchamiento (ancho completo-medio máximo o FWHM) es un indicador de la densidad del defecto, y la posición del pico de SiGe en comparación con Si determina la cantidad de deformación en la capa. Enfatizamos aquí que el ensanchamiento del pico también puede deberse al grosor delgado de la capa. Por lo tanto, será difícil distinguir del análisis RC la contribución de la densidad de defectos, pero solo podemos comparar FWHM en algunas extensiones de estos análisis. En estos RC, la muestra-1 (Fig. 8a-d) tiene una sola capa de SiGe; mientras tanto, la muestra-2 (Fig. 8e-h) muestra dos picos que representan el 7% y el 22% de Ge. Para las muestras recién desarrolladas, se observa una interferencia del haz de rayos X, lo que provoca franjas de capa de espesor. La aparición de estas franjas muestra una interfaz SiGe / Si de alta calidad. En los RC, de muestra-1 y muestra-2, el pico de Ge se ha desplazado hacia el pico del sustrato de Si, lo que indica la relajación de la deformación. No se ha detectado ningún cambio adicional del pico de Ge después del grabado lateral en seco de SiGe. Este es un resultado prometedor para el rendimiento del transistor, ya que la movilidad de la portadora en la región del canal depende de la deformación. Mientras tanto, la deformación se ha relajado más para el SiGe grabado en húmedo y se ha observado un mayor desplazamiento hacia el pico del sustrato. Esto muestra que el grabado en húmedo no es adecuado para el grabado lateral de SiGe, que forma la capa del canal.

Curva de oscilación HRXRD alrededor de (004) reflexión de muestra-1, Si / Si dopado con P _0.86 Ge _0,14 / ML de Si dopado con P con una capa espaciadora de 5 nm en a - d , y muestra-2, Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 /Si_0.78 Ge _0.22 / Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 ML en e - h . Ambas dos muestras tienen cuatro paneles:tal como han crecido, después del grabado vertical, grabado lateral húmedo de SiGe de HF (6%) / H ₂ O ₂ (30%) / CH ₃ COOH (99,8%) 20 min y grabado lateral en seco de CF ₄ / O ₂ / Él 11,5 s

Se realizaron más análisis de rayos X para encontrar más información sobre la densidad de defectos en las muestras de la Fig. 9a – h. Los HRRLM, que se basan en mediciones bidimensionales, se realizaron aquí como se muestra en la Fig. 9a – h. El indicador de la densidad de defectos en los HRRLM es la ampliación de la capa de SiGe a lo largo de la dirección ω (ω es el ángulo del haz incidente). La posición de los picos de Si y SiGe proporciona los componentes de deformación en paralelo y perpendicular a la dirección de crecimiento. En la muestra-1 y la muestra-2, las capas de SiGe recién desarrolladas muestran un ensanchamiento ω menor, y la capa está alineada con el Si mostrando capas de SiGe completamente deformadas (ver Fig. 9a, e). La Figura 9b muestra la muestra después del grabado vertical, el pico de SiGe se ha desplazado hacia el sustrato de Si de una manera similar en los resultados de RC de la Figura 8b, lo que indica relajación de la deformación. Pero sorprendentemente, la muestra lateral grabada en seco (Fig. 9c) muestra un claro ensanchamiento ω del pico SiGe junto con un cambio en el espacio recíproco, que está en dirección fuera de la alineación con el pico Si. Sin embargo, la muestra grabada en húmedo (en la Fig. 9d) está completamente alineada por deformación y tiene una intensidad de capa más baja que la muestra grabada en seco (en la Fig. 9c). En este caso, se espera que los defectos generados tengan diferentes orígenes en estas muestras ya que la naturaleza del proceso de grabado es diferente. La Muestra-2 contiene dos capas de SiGe; el Si _0.93 Ge _0.07 sobrevive al pico después del grabado tanto en dirección vertical como lateral, mientras que Si _0,78 Ge _0.22 desaparece después del grabado vertical que muestra una relajación total de la deformación (fig. 8f-h). La escasa estabilidad del proceso de la muestra-2 podría deberse al dopaje P, que promueve la formación de dislocaciones inadaptadas.

HRRLM de Si / Si dopado con P _0.86 Ge _0,14 / ML de Si dopado con P con capa espaciadora de 5 nm (muestra-1) en a - d y Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 /Si_0.78 Ge _0.22 / Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 ML (muestra-2) en e - h . Los dos mapeos tienen cuatro paneles:como crecido, después del grabado vertical, grabado lateral en húmedo de HF (6%) / H ₂ O ₂ (30%) / CH ₃ COOH (99,8%) 20 min y grabado lateral en seco de CF ₄ / O ₂ / Él 11,5 s

Conclusiones

En este trabajo, se ha investigado la epitaxia de las ML de Si / SiGe / Si dopadas con P y el grabado de estas ML como estructuras iniciales para vGAAFET. En primer lugar, se estudió la incorporación de P en Si / SiGe / Si MLs. Se han propuesto diferentes estrategias para la epitaxia y la estructura ML para eliminar el pico P-segregado en la interfaz de la heteroestructura Si / SiGe. A partir de los experimentos, la inserción de una capa espaciadora sin dopar podría disminuir el pico de P. La purga de hidrógeno para eliminar el exceso de átomos de P no fue muy útil y los dímeros P-P estables no pudieron eliminarse por completo. Sustituyendo SiH ₄ con SiH ₂ Cl ₂ como precursor de Si para introducir Cl, la química durante el crecimiento disminuyó notablemente el pico de P segregado debido a las reacciones de superficie activa del Cl. El impacto del Si _0.93 Ge _0.07 También se investigaron las capas espaciadoras después de Si dopado con P. Los resultados mostraron que el pico P en la interfaz SiGe desapareció, mientras que la incorporación de P en estas capas mejoró en una magnitud de orden. En la segunda parte de este estudio, se realizó el grabado vertical de Si / SiGe / Si ML para formar NW, y posteriormente, en estos NW, el SiGe fue grabado selectivamente en húmedo o en seco. El grabado en húmedo fue sensible a la concentración de dopante; mientras tanto, el grabado en seco fue sensible al contenido de Ge. El grabado en seco fue más apropiado para estructuras de tipo n con perfil de grabado uniforme y mayor selectividad. Para Si / Si dopado con P _0.86 Ge _0,14 / ML de Si dopado con P, la selectividad fue de 5,8 con el grabado en seco y de 4,2 con el grabado en húmedo. La selectividad del Si dopado con P _0.93 Ge _0.07 /Si_0.78 Ge _0.22 / Si dopado con P _0,93 Ge _0.07 MLs was 6.3 with dry etch and 2.5 with wet etch. The strain in SiGe was mostly preserved in Si/SiGe/Si after vertical and lateral etch; meanwhile, this strain in MLs with introduced Si_0.93 Ge_0.07 spacer layer had poor stability after etch process.

Disponibilidad de datos y materiales

The authors declare that the data supporting the findings of this study are available within the article.

Abreviaturas

vGAAFET:

Vertical gate-all-around field-effect transistors

ML:

Multilayer

CMOS:

Complementary metal oxide semiconductor

MBE:

Epitaxia de haz molecular

RPCVD:

Reduced pressure chemical vapor deposition

RTCVD:

Rapid thermal chemical vapor deposition

S / D:

Fuente / drenaje

HRTEM:

Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución

HRXRD:

Difracción de rayos X de alta resolución

HRRLM:

High-resolution reciprocal lattice map

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

SIMS:

Espectroscopía de masas de iones secundarios

RC:

Rocking curve

FWHM:

Full-width-half-maximum

HM:

Hardmask

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