Влияние параметров травления на изготовление канала Ge/Si FinFET и производительность устройства

Аннотация

При формировании Ge-финовых структур на подложке кремний-на-изоляторе (SOI) мы обнаружили, что процесс сухого травления должен быть тщательно контролируем. В противном случае это может привести к перетравливанию Ge или формированию нежелательного профиля Ge-фина. Если процесс травления не хорошо контролируется, верхняя Ge/SOI структура травляется, и остается только Si-финовый слой. В этом случае устройство демонстрирует аномальные характеристики. Процесс травления становится критическим этапом в масштабировании и упаковке устройств и влияет на попытки увеличить плотность упаковки и улучшить производительность устройств. Поэтому предлагается выполнять оптимизацию работы плазменного реактора через моделирование, чтобы не только регулировать используемые параметры процесса, но и модифицировать применяемое оборудование. Мы планируем разработать Ge-устройства без p-n перехода, используя обновленные параметры fabricación. Кроме того, мы хотим устранить дислокации несоответствия на границе или уменьшить нитевидные дислокации, применяя циклический термический отжиг, чтобы достичь цели получения подвешенной структуры эпитаксиальных Ge-слоев высокого качества.

Введение

Один из способов увеличения скорости отклика полупроводниковых устройств и снижения их энергопотребления — использование полупроводника с высокой подвижностью носителей заряда. Примерами таких материалов служат Ge, а также его сплавы и соединения. Однако при формировании структуры путем наращивания слоя полупроводникового материала на подложке из другого полупроводника могут возникать проблемы. Например, разница в решетковых параметрах подложки и нарастающего слоя может вызывать дислокации, неблагоприятно влияющие на производительность устройств. Традиционно для изготовления Ge-базированных полупроводниковых устройств, включающих Si-подложку, на кремниевой подложке формируют более толстый буферный или жертвенный слой (например, Si/Ge буферный слой). Затем на Si/Ge буферном слое выращивают эпитаксиальный Ge-слой. Далее последовательно выполняют анизотропные и изотропные процессы травления для удаления части буферного слоя и сохранения эпитаксиального Ge-слоя. VLSI-устройства должны демонстрировать высокий ток включения, низкий ток утечки в закрытом состоянии и низкое напряжение питания для обеспечения высокой производительности, включая низкое потребление энергии в режиме ожидания и сниженную динамическую рассеиваемую мощность. В настоящее время напряженное усиление подвижности, высокок/металлический затвор и трехмерная (3D) архитектура устройств на 22-нм узле [1] являются некоторыми из технологий, используемых для непрерывного масштабирования дополнительных металл-оксид-полупроводниковых (CMOS) устройств с Si-каналом. Помимо характеристик вроде высокой подвижности, для улучшения электростатического контроля в суб-10-нм узлах необходимы новые архитектуры устройств, такие как затвор-вокруг (GAA) [2] и полевые транзисторы с ультратонким телом (FET) [3]. Ge-базированные GAA pFET [4] и nFET [5] с инверсионным режимом (INV) работы были продемонстрированы. Однако формирование p-n перехода в Ge INV-устройствах является критической проблемой из-за низкой растворимости легирующих примесей, быстрой диффузии примесей и низкого термического бюджета. Для решения этих проблем были предложены в качестве альтернативы устройства без p-n перехода (JL) [6], использующие сильно легированный канал с тем же типом носителей, что и в областях стока/истока (S/D). Однако быстрый масштабитрование транзисторов требует разработки новых и более эффективных устройств, способных идти в ногу с современными транзисторами. В последние годы JL-FET оказались перспективными как транзисторы следующего поколения. JL-FET по сути является резистором, в котором подвижная концентрация носителей может управляться затвором. В состоянии включения существует большой объемный ток благодаря относительно высокой концентрации легирования в канальной области; к этому току добавляется поверхностный накопленный ток. Уровень легирования в JL-FET должен быть высоким для достижения подходящего тока управления, в то время как поперечное сечение устройства должно быть достаточно малым, чтобы устройство можно было выключить. Однако в случае сильно легированных JL-FET носители претерпевают значительное рассеяние на примесях, из-за чего ток управления значительно деградирует [7]. Кроме того, JL-FET имеют преимущества простоты fabricación, высокой подвижности заряда и низкой емкости затвора в отличие от INV-устройств [8–12]. Недавно были продемонстрированы двухзатворные [13] и тризатворные с соединенным телом [14] Ge JL-FET pMOSFET на подложках германий-на-изоляторе и объемном Si соответственно.

По мере того как микроэлектронные устройства продолжают уменьшаться, а требования к процессам становятся всё более строгими, моделирование и симуляция плазмы становится всё более привлекательным инструментом для проектирования, контроля и оптимизации плазменных реакторов [15]. Несколько техник используются для симуляции поведения плазменных процессов на основе разницы в длине и временных масштабах. Одна из техник симуляции, вычислительная гидродинамика (CFD), широко используется для предсказания полей течения для инженерных проектов и экстраполяции экспериментальных ограничений. Её моделирование применялось для исследования феноменов смешения потоков [16], но редкие исследования касаются процесса травления. Поэтому это исследование предлагает детально охарактеризовать тепловое поле потока плазменных реакторов для процесса травления, а затем вывести численные параметры, которые могут быть полезны для экспериментов.

В этой работе травление выполнялось для формирования подвешенных эпитаксиальных Ge-слоев над Si и другими сплавными полупроводниками для интеграции устройств. Результаты симуляции будут валидированы экспериментально; поэтому начальные и граничные условия, а также параметры в числовой модели будут модифицированы для повышения надежности данных. Мы предвидим, что оптимальные параметры могут быть получены экспериментами и симуляциями для улучшения техник травления и выполнения этой разработки транзистора путем повышения качества технологического процесса и снижения стоимости производства.

Методы/Эксперимент

Исходными подложками были SOI-обрезки с 70-нм верхним кремниевым слоем (p-тип, 9–18 Ом·см). Обрезки очищали стандартными процессами RCA SC-1 и RCA SC-2 для удаления органики, нежелательных металлов и частиц. За этим следовало промывание в деионизированной воде и сушка в N₂. Ge-пленка осаждалась в эпитаксиальном реакторе низкого давления химического осаждения из паровой фазы (Epsilon 2000, ASM) с использованием 10% GeH₄ как предшественника. Водород использовался как переносящий газ. Перед осаждением Ge-пленки выполнялась in-situ HCl-преочистка при 850 °C и 10 Торр для подготовки поверхности обрезка. Температура подложки затем изменялась на 400 °C для выращивания Ge-пленки на SOI-обрезке с использованием 10% GeH₄. Толщины осажденных Ge-пленок определялись с помощью передаточной электронной микроскопии (TEM, термическое излучение Шоттки-тип, 0,5–200 кВ). Кристалличность Ge-пленок изучалась рентгеновской дифракцией (XRD) (D8A, Bruker, CuKα излучение, λ = 1,5408 Å, 20–70°). Кроме того, выполнялись Ω–2θ сканирования вокруг (004) дифракционного пика с использованием системы X'Pert MRD (PANalytical). Двухкратный Ge {400} каналорезный кристалл-коллиматор использовался для отбора CuKα1 излучения. При стандартных XRD измерениях образец фиксировался в горизонтальном положении, и луч источника и детектор дифрактометра двигались в θ–θ режиме. Обратное пространственное отображение выполнялось в среднем разрешении с использованием вышеуказанного кристаллического коллиматора; на детекторной руке перед сцинтилляционным счетчиком находились 0,4-мм щели. Толщины Ge-слоев определялись эллипсометрическими измерениями (M2000, J. A. Woollam Co., λ = 193–1690 нм). Фин формировался анизотропным плазменным травлением с использованием газа Cl₂/HBr. После формирования ZrO₂/TiN затвора S/D имплантировали B (1×10¹⁵ см⁻², 15 кэВ) и активировали быстрым термическим отжигом при 550 °C в течение 30 с.

Механизм высокоселективного сухого травления германия

Электронные и нейтральные реакции изотропны, в то время как ионные реакции высоко направленны и зависят от приложенного смещения. Регулируя смещающую мощность, ионы можно ускорять в желаемом направлении для помощи травляющей реакции. Общепринято, что Br не реагирует спонтанно с Si и для реакции нужны энергичные ионы. Ионно-ассистированные Br и Cl атомы могут реагировать с Ge или Si атомами спонтанно под активацией для формирования летучих продуктов GeBr₄, GeCl₄, SiBr₄ и SiCl₄, которые десорбируют с поверхности подложки и могут быть откачаны. Показано, что эта ионно-ассистированная химическая реакция Si с Br высоко анизотропна. Более высокие вертикальные скорости травления получались с использованием HBr при вариациях смещающей мощности, что подтверждает, что добавление HBr в Cl₂ может повысить скорость травления [17]. Поскольку Cl- и Br-базированная плазма травляет Ge и Si ионно-ассистированным механизмом, энергию ионов, таких как Br⁺, Br²⁺, HBr⁺, Cl⁺ и Cl₂⁺ можно контролировать смещением подложки. Нет выраженного изменения боковой скорости травления при изменении смещающей мощности как для травления верхней поверхности, так и для области сужения. Подрезы обнаруживались в финовых структурах, травленных с использованием HBr смесей, в области сужения, поскольку боковое травление усиливалось дефектами вдоль границы Ge/Si. Также маска потенциально влияет на эволюцию формы из-за удара ионным потоком по боковым стенкам. Это явление усиливается по мере углубления профиля и увеличения боковой компоненты скорости ионов. Из-за высокой угловой зависимости процесса HBr-плазменного травления [18], можно сделать вывод, что кристаллическая структура относительно слабее на границе Ge/Si из-за частично связанных атомов от дислокаций несоответствия и относительно слабых Ge-Ge и Ge-Si связей. Регулируя соотношение HBr/Cl₂ и смещающую мощность, при изготовлении Ge-устройств можно получать разные типы финовых структур. Травляющие свойства Ge и Si очень похожи. Газы, травляющие Si, обычно травляют Ge с большей скоростью. Силы Ge и Si связей показаны как Ge-Ge = 263,6 ± 7,1 кДж/моль и Si-Si = 325 ± 7 кДж/моль [2]. Разные смещающие мощности применялись для регулировки вертикальной скорости травления направленным ускорением ионов. Изображения записывались после процесса формирования затворного стека. Вертикальная скорость травления рассчитывалась из высоты пленки относительно оксидной подложки. Боковые скорости травления определялись из двух частей фина: боковое травление на верхней поверхности фина и травление в области сужения близко к границе Ge/Si. В итоге, смещающая мощность экспериментально оказалась самым критическим параметром в процессе травления и, следовательно, влияющим на характеристики устройства соответственно.

В этом исследовании все процессы травления выполнялись в TCP 9600 реакторе от Lam Research. Это трансформаторно-связанный плазменный реактор, позволяющий отдельно управлять мощностью катушки (верхний электрод) и смещением подложки (нижний электрод). Обратное охлаждение гелием было включено для более эффективного контроля температуры подложки. Образцы монтировали на 6-дюймовом Si-носителе с вакуумной смазкой перед введением в травляющую камеру. Химия HBr/Cl₂ использовалась для анизотропного травления. Давление процесса контролировалось на уровне 10 мТорр. Детальная экспериментальная установка и условия иллюстрированы в исследовании Hsu et al. [4].

Физическая модель

CFD используется для получения внутренней информации внутри реактора, поток считается ламинарным с условием проскальзывания на границе из-за более высокого числа Кнудсена в камере (рис. 1). В настоящей симуляции плазменный тепловой поток рассматривается как смесь в уравнениях импульса; перенос частиц рассматривается в уравнениях управления видами и химические реакции происходят на стенке субстрата. Один случай модели для симуляции проиллюстрирован на рис. 3. Входной газ — смесь хлора (Cl₂) и бромоводорода (HBr). Скорость смеси на входе 0,026 м/с с температурой, поддерживаемой на 333 К. Субстрат и стенка камеры нагреваются до рабочей температуры 473 К. Эти плазменные потоки движимы электрическим потенциальным смещением и имеют химические реакции на поверхности субстрата в равномерном, повторяемом порядке и наконец удаляются из реактора. После построения твердой модели CAD-софтом, система сетки была построена в структурированных сетках с 50 000 узлами как показано на рис. 3. Транзиторное уравнение сохранения для переноса скалярной величины φ демонстрируется следующим уравнением, записанным в интегральной форме для произвольного контрольного объема V:

d/dt ∮_V ρφ dV + ∮ ρφ v→·dA→ = ∮ Γ∇φ·dA→ + ∫_V S_φ dV (1*)

где ρ указывает плотность; v→ — вектор скорости; A→ — вектор площади поверхности; V — объем; Γ — коэффициент диффузии для φ и S_φ — источник φ на единицу объема. Символ φ может быть заменен на 1 для уравнения непрерывности, u, v, w — уравнения импульса в направлениях X, Y, Z, и Ci — уравнения переноса видов в камере реактора соответственно. Уравнение (1*) может быть выражено в обобщенных координатах с использованием метода конечных объемов для симуляции. После объединения граничных условий уравнение (1*) может быть линеаризовано и выражено в вычислительной области как набор алгебраических уравнений, которые могут быть решены алгоритмом SIMPLE с использованием CFD техники [19]. Обратите внимание, что большинство полупроводниковых фабрикационных устройств работают далеко ниже атмосферного давления. При таких низких давлениях поток жидкости находится в режиме проскальзывания и обычно используемые условия без проскальзывания для скорости и температуры больше недействительны. Настоящий плазменный поток при очень низком давлении находится в режиме проскальзывания, который находится между свободномолекулярным течением и непрерывным режимом [20]. Поэтому условия проскальзывания для скорости и температуры для моделирования потока жидкости накладываются в наших численных симуляциях.

Полупроводниковые материалы Si(s) и Ge(s) травляются на нагретой поверхности субстрата, управляемой следующими поверхностными реакциями:

Cl₂ + Si = SiCl₄ (2*.1)

4HBr + Si = SiBr₄ + 2H₂ (2*.2)

2Cl₂ + Ge = GeCl₄ (2*.3)

4HBr + Ge = GeBr₄ + 2H₂ (2*.4)

Химические реакции похожи для Si травления в уравн. (2*.1) и (2*.2), или Ge травления в уравн. (2*.3) и (2*.4). Следовательно, процесс Si травления смесью хлора и бромоводорода демонстрируется в следующих симуляциях.

Результаты и обсуждение

Характеризация материалов

Поперечные TEM-изображения Ge-слоя, сформированного на SOI-подложке, показаны на рис. 2a. Как видно, дислокации несоответствия присутствуют на границе Ge/Si; они, в свою очередь, приводят к нитевидным дислокациям через эпитаксиальную Ge-пленку. Считается, что эти нитевидные дислокации компенсируют термическое несоответствие между Ge и Si. Большинство нитевидных дислокаций заканчиваются в пределах 80 нм от границы; однако многие также распространяются до поверхности пленки. Эпитаксиальная Ge-пленка на SOI-подложке имплантировалась бором и затем активировалась для изучения распределения примеси и уровня активации. Для верхней части Ge-слоя толщиной 130 нм уровень активации бора составил ~85%, как показано в профилях PCOR-SIMS и профилировании рассеянного сопротивления (SRP) (см. рис. 2d). Дырочковая концентрация значительно снижалась в случае нижней части Ge-слоя возле границы Ge/Si из-за присутствия дефектов и из-за пределов измерений SRP. В случае изготовленных устройств дефектный Ge возле границы Ge/Si был удален селективным травлением; таким образом, измерения PCOR-SIMS и SRP, выполненные в канале, должны быть точными. Максимальный уровень активации ~3×10¹⁹ см⁻³ полностью согласуется с традиционным пределом активации. Обратите внимание, что из-за низкотемпературной активации (550 °C), выполненной при имплантации бора, S/D возле паразитного Si-канала были высокоомными (рис. 2); это предотвратило паразитную Si-проводимость. Рис. 3 показывает вольт-фарадовые (CV) характеристики TiN/ZrO₂/Ge металл-изолятор-полупроводник конденсаторов (MISCAP). Для предотвращения формирования нестабильного GeOₓ слоя при осаждении высокок диэлектрика и пост-осадочном отжиге, в качестве интерфейсного слоя на Ge (001) поверхности через NH₃/H₂ удаленную плазменную обработку был введен нитридный материал Ge₃N₄, а не GeO₂. ZrO₂ слой осаждался при 250 °C за 20 циклов атомно-слойным осаждением. Измеренные CV кривые не показывают частотной дисперсии или растяжения от 1 кГц до 1 МГц и согласованы. Потери, создающие ловушечные уровни возле ZrO₂/Ge интерфейса, смещают термическую энергию активации для генерации меньшинственных носителей от той, соответствующей энергии запрещенной зоны p-Ge, до средней зоны. Эквивалентная оксидная толщина (EOT) составляет 0,6 нм, а значение D_it (плотность интерфейсных ловушек) ~3×10¹² см² эВ⁻¹ возле середины зоны, измеренное методом низкотемпературной проводимости (см. вставку на рис. 4).

Симуляция параметров работы реактора

Типичная модель стационарного ламинарного плазменного течения симулировалась на высокоскоростных персональных компьютерах. Входной газ — смесь Cl₂ с массовой долей 0,75 и HBr с массовой долей 0,25. Рис. 5a иллюстрирует контуры низкой температуры притока, более высокой температуры внутри и линии траекторий частиц в камере реактора. Рис. 5b показывает контуры массовой доли продукта SiCl₄, который имеет низкую концентрацию над субстратом и высокую концентрацию под субстратом к выходу. Кроме того, более высокая массовая доля Cl₂ дает хорошую производительность в травлении, и это ноу-хау подтверждено настоящими симуляциями, как показано на рис. 6. Горизонтальная ось представляет вдоль одной радиальной позиции на субстрате, а вертикальная ось указывает скорость травления (кг/м²·с) Si. Рис. 6 показывает, что лучший процесс травления достигается входной смесью 75% Cl₂ и 25% HBr, и эта смесь была принята для проведения экспериментов в этом исследовании.

Другой случай для демонстрации возможности компьютерно-помощенного эксперимента — распределение электрического потенциала в камере для плазменного травления. Основываясь на базовом механизме этого травляющего процесса, была разработана 2D модель симуляции для распределения плотности плазменной мощности, как показано на рис. 7, и использована для подгонки измерительных данных, чтобы подтвердить точность модели и помочь эксперименту.

Как предложил Sugai [21], само-смещающее напряжение можно связать с емкостями оболочки на RF-электроде (C_K) и заземленном электроде (C_A), и выразить следующим образом:

V_DC = (C_K - C_A)/(C_K + C_A) V_RF (3*)

Согласно настоящим симуляциям, показанным на рис. 7, само-смещающее напряжение составляет около -700 В, что близко к теоретическому значению -650 В, рассчитанному из уравн. (3*). Поэтому предлагается выполнять оптимизацию с использованием симуляций, чтобы не только регулировать используемые параметры процесса, но и модифицировать применяемое оборудование. Это поможет обеспечить равномерность на всем прогоне и приведет к высококачественным, низкозатратным процессам, которые оптимизированы.

Изготовление и характеристика устройств

Эпитаксиальный Ge-слой был структурирован в фины с желаемыми размерами признаков с помощью электронно-лучевой литографии. Фин формировался анизотропным травлением с Cl₂/HBr-базированной плазмой для удаления высокодефектного Ge возле границы Ge/Si. Плавающий Ge-фин на SOI формировался с более высокой селективностью травления Ge по сравнению с Si и повышенной скоростью травления дефектной области [4]. Затем осаждался SiO₂ покрывающий слой, который становился 스페йсером после структурирования затвора. После определения активной области, затворные стеки ZrO₂ слоя формировались атомно-слойным осаждением соответственно. Поперечные сечения канала изготовленных устройств показаны на рис. 8. Ширина фина (W_fin) используется для канальной концентрации 8×10¹⁹ см⁻³, которая извлекается методом ван дер Пау на сплошном Ge эпи-слое на SOI. Обратите внимание, что управляемость канала уменьшается с увеличением канальной концентрации и увеличением W_fin [12, 13]. Большая канальная концентрация требует малого W_fin для поддержания низкого SS. Наконец, затворные электроды определялись и осаждались. Рис. 9 показывает выходные и передаточные характеристики треугольного Ge FinFET с шириной фина (W_fin) 18 нм и длиной затвора (L_g) 90 нм. Отношение I_on/I_off Ge JL-FET достигает 10⁵, а субпороговый спад (SS) ~100 мВ/dec. Передаточные характеристики Si JL-FET показаны на рис. 10. Отношение I_on/I_off Si JL-FET высоко как ~10⁸, его SS 90 мВ/dec, его L_g 80 нм, и его W_fin 20 нм. Рис. 8 также показывает, что диапазон затворного напряжения ΔV_g составляет примерно 0,5 В и близок к запрещенной зоне Ge (E_g/q = 0,66 В). Это подтверждает, что I_d–V_g кривые на рис. 8 относятся к Ge FinFET. Однако диапазон затворного напряжения ΔV_g, показанный на рис. 6, составляет примерно 1,8 В и близок к запрещенной зоне Si (E_g/q = 1,1 В), но не Ge (E_g/q = 0,66 В). Таким образом, I_d–V_g кривые на рис. 9 относятся к Si JL-FET, а не к Ge JL-FET. Это наблюдение основано на физике полупроводниковых устройств и поддерживается экспериментально определенными I_d–V_g кривыми Ge и Si FinFET, а также поперечными TEM/EDS Si картами. Две вещи очевидны из вставок на рис. 11. Вставки показывают выходные и передаточные характеристики неожиданного Si JL-FET после Ge перетравления; отношение I_on/I_off этого устройства достигает 10⁸. Однако его ток включения составляет всего 17 мкА/мкм при -1 В. Высокое отношение I_on/I_off обусловлено Si-слоем, а не Ge-слоем. Когда остается только Si-слой, устройство фактически является Si JL-FET, а не Ge JL-FET.

Заключение

Мы подтвердили связь между моделью симуляции и измерительными данными. Поэтому предлагается выполнять оптимизацию с использованием симуляций, чтобы не только регулировать используемые параметры процесса, но и модифицировать применяемое оборудование. С помощью численных симуляций для определения рабочих параметров реактора мы показали, что параметры процесса травления для формирования Ge/Si каналов могут быть оптимизированы через эксперименты для улучшения процесса травления и помощи разработке транзисторов путем повышения качества fabricación и снижения стоимости производства. Экспериментальные результаты указали, что разработанная техника сухого травления для Ge FinFET также крайне полезна для изготовления высокофиновых CMOS-устройств.