Оптимизация фосфор-легированных Si/SiGe многослоев для высокопроизводительных вертикальных GAA транзисторов

Аннотация

Вертикальные транзисторы с воротами со всех сторон (vGAAFET) рассматриваются как потенциальные преемники FinFET для передовых технологий интегральных схем на/за пределами 3-нм технологического узла. Многослой (ML) Si/SiGe/Si обычно выращивают и обрабатывают для формирования вертикальных транзисторов. В работе изучены P-включение в Si/SiGe/Si и вертикальное травление этих ML с последующим селективным латеральным травлением SiGe для формирования структур vGAAFET. Предложены стратегии эпитаксии: водородная перга для истощения доступа P-атомов к Si поверхности, и/или вставка Si или Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ спейсеров по обе стороны от P-легированных Si слоев, и замена SiH₄ на SiH₂Cl₂ (DCS). Эксперименты показали, что сегрегация и авто-легирование также снимаются добавлением 7% Ge в P-легированный Si. Структура имела хорошее качество решетки и практически не имела релаксации напряжения. Селективное травление между P-легированным Si (или P-легированным Si₀.₉₃Ge₀.₀₇) и SiGe обсуждалось мокрым и сухим травлением. Производительность и селективность разных методов сравнены. Статья дает знания о решении проблем эпитаксии и травления n-слоев в вертикальных GAAFET структурах.

Введение

По мере масштабирования CMOS до физических пределов, эффекты короткого канала значительно ухудшают характеристики транзистора. Решение — новые дизайны транзисторов, например GAAFET (gate-all-around), самый перспективный кандидат для наноразмерных транзисторов до 3-нм узла. Латеральные и вертикальные нанопроводники/нанослои — основные структуры по IRDS 2020 для замены FinFET. Вертикальные GAAFET (vGAAFET) имеют свободную гибкость проектирования длины затвора и большой потенциал повышения интегральной плотности. Две основные категории вертикальных нанопроводников: bottom-up и top-down. Bottom-up вводит металлический катализатор, что может вызвать проблемы совместимости процессов. Top-down — основной в индустрии из-за лучшего контроля конфигурации нанопроводника и совместимости с FinFET. Top-down фабрикация vGAAFET привлекает внимание. Само-выравнивающийся затвор с точным контролем длины затвора — критичная задача. Для лучшего контроля эффективной длины затвора или снижения вариаций, длина затвора в основном определяется толщиной канального материала, эпитаксиально выращенного на плоском дне, например Si/SiGe/Si, где SiGe — канал. Другая критическая проблема интеграции — легирование между каналом и S/D областями, особенно с резким контролем p-n перехода. По сравнению с традиционной имплантацией S/D, эпитаксиальный процесс упрощает фабрикацию, снижает поверхностные повреждения и достигает равномерного профиля легирования. Однако P-легированная Si/SiGe/P-легированная Si сэндвич-структура трудна для эпитаксиального роста из-за сегрегации, авто-легирования и выходной диффузии наиболее частых n-легирующих примесей — фосфора, мышьяка, сурьмы на интерфейсе Si/SiGe в CVD системах. Поэтому сегрегированные донорские атомы собираются на интерфейсе Si/SiGe и SiGe слой легируется, что может ухудшить характеристики транзистора высокой утечкой.

Стратегия препятствования сегрегации доноров — очень низкая температура роста. Серия отчетов о попытках выращивания n-легирования МЛЭ (MBE); однако этот метод не применялся для CVD. Оборудование MBE в основном одночиповое, требует высокого вакуума и имеет низкую производительность. Оборудование MBE не совместимо с вейферами >8 дюймов в промышленности. Поэтому MBE не подходит для массового производства. Однако RPCVD система имеет высокую производственную мощность и простую структуру оборудования, подходящую для IC промышленности. Первая идея для RPCVD роста — регулировка водородного потока в камере, так как водород — переносной газ и влияет на кинетику предшественников. Ли с соавт. сообщили, что водород меняет структуру связи атомов-хозяев на поверхности и снижает энергию сегрегации при низкой температуре роста в RTCVD. Однако эффект водорода не изучался на интерфейсе Si/SiGe в RPCVD. Сувар с соавт. вставили 30-нм нелегированные Si спейсеры между P-легированным Si и SiGe, снизив P концентрацию на интерфейсе в 4 раза (с 8×10¹⁹ до 2×10¹⁹ см⁻³), но P пик не устранили. Беннет с соавт. изучали влияние напряжения на n-легирование в Si. Твердорастворимость легирования увеличивалась при введении растягивающего напряжения в Si. Кристенсен с соавт. не нашли значительной зависимости диффузии P от Ge содержимого в Si₁₋ₓGeₓ (0≤x≤0.22). Коэффициенты диффузии P мало отличались между релаксированным Si и биаксиально компрессивно-напряженным SiGe. Цангенберг с соавт. заметили увеличение коэффициента диффузии в 2 раза при 825 °C для релаксированного Si₀.₈₈Ge₀.₁₂.

В работе предложены несколько методов улучшения P-включения в Si в многослое Si/SiGe/Si с использованием RPCVD. В экспериментах представлены стратегии: водородная перга, вставка нелегированных спейсеров, замена Si предшественника с SiH₄ на SiH₂Cl₂ (DCS), модуляция профиля напряжения введением Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ жертвенного слоя по обе стороны от SiGe. Кроме того, обсуждалось селективное травление SiGe для формирования тонкого SiGe слоя (предназначенного как канал). Характеристики мокрого и сухого травления сравнены. Финальная структура предназначена для vGAAFET для sub-10-нм технологического узла в будущем.

Методы

Si/SiGe/Si многослои (ML) выращивали на 200-мм Si <100> вейферах на RPCVD (ASM Epsilon 2000). Si подложки очищали смесью H₂SO₄ и H₂O₂, затем разбавленным HF для удаления нативного оксида перед загрузкой в камеру эпитаксии. Образцы in situ очищали отжигом при 1050 °C для удаления нативного оксида и получения высококачественной Si поверхности. Предшественники для Si, Ge, P: SiH₄ (или SiH₂Cl₂), 10% GeH₄ в H₂, 2% PH₃ в H₂. Температура роста 650 °C, давление камеры 80 Торр во время эпитаксии. В некоторых экспериментах давление снижали до 10 Торр для роста P-легированного Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ в S/D областях. Ge содержимое в SiGe канале держали постоянным 0,22. Для изучения селективного травления наносили 50 нм нитрид/30 нм оксид как твердую маску для защиты нижних ML. Литография и сухое анизотропное вертикальное травление формировали отдельные параллелепипедные паттерны. Селективные травления проводили мокрым: HF (6%):H₂O₂ (30%):CH₃COOH (99.8%) = 1:2:4 и сухим: CF₄:O₂:He = 4:1:5.

Характеристика Si/SiGe/Si ML: HRTEM (Thermo Scientific Talos F200), EDX, HRXRD, HRRLM (Bruker JV Delta-x), SEM (Hitachi, Япония), SIMS.

Результаты и обсуждение

Эпитаксия P-легированных Si/SiGe/Si ML

Изучалось включение P в Si и SiGe. ML структуры на Рис. 1a. Вырастили ML P-легированный Si/нелегированный Si с увеличивающимся потоком PH₃, профили слоев изучены SIMS (Рис. 1b). P концентрация растет, достигая максимума 2,6×10¹⁹ см⁻³. Два образца с профилями «P-Si/Si₀.₇₂Ge₀.₂₈/P-Si» и «Si/P-Si₀.₇₂Ge₀.₂₈/Si» спроектированы, P-профили на Рис. 1c,d. Рис. 1c: наблюдается P-накопление на интерфейсах P-Si/Si₀.₇₂Ge₀.₂₈ ML. Интерфейсное P-накопление растет с увеличением P концентрации снизу вверх, максимум 1,6×10²⁰ см⁻³ — в 6 раз выше, чем на Рис. 1b (2,6×10¹⁹ см⁻³). В легированных Si₀.₇₂Ge₀.₂₈ слоях (Рис. 1d) P концентрации значительно выше, пиков на интерфейсе нет. Из-за легирования Ge процент слегка увеличивается. Это связано с усиленной адсорбцией SiH₄ и GeH₄ при наличии PH₃. Из-за легирования толщины слоев отличаются на Рис. 1c,d при одинаковом времени роста. P-легирование ускоряет рост Si₀.₇₂Ge₀.₂₈ и адсорбцию GeH₄, а рост Si замедляется из-за P адсорбции. Явления согласуются с [36-38]. Вывод: P-сегрегация и авто-легирование серьезны на интерфейсе Si/SiGe. P-пик на интерфейсе вызывает непреднамеренное легирование SiGe. Поскольку SiGe предназначен как канал, неоднородный профиль легирования или высокий фоновый уровень ограничат применение устройств. Методы устранения P-пика обсуждаются ниже. Для сравнения все SiGe слои напряжены, отношение потоков SiH₄ (SiH₂Cl₂) и GeH₄ для SiGe не менялось во всех экспериментах.

Влияние спейсерных слоев

Нелегированные Si спейсеры вставляли между нижним легированным Si и нелегированным SiGe для поглощения излишка P атомов. Рис. 2a — схема структуры, Рис. 2b-d — профили от интегрированных Si спейсеров толщиной (b) 3 нм, (c) 5 нм, (d) 10 нм. P-накопление снижается, Si/Ge процент и P концентрация в Si слоях постоянны (Рис. 2b-d). Уровень P-накопления снижен на 82%, с 4×10¹⁹ см⁻³ (Рис. 2b) до 7×10¹⁸ см⁻³ (Рис. 2d) при увеличении толщины спейсера X_b с 3 до 10 нм. Увеличение толщины нелегированных Si спейсеров повышает поглощение излишка P. На Рис. 2d наклон P-профиля на Si₀.₈₆Ge₀.₁₄/Si поверхности 15,9 нм/dec, на интерфейсе Si/Si₀.₈₆Ge₀.₁₄ — 31,3 нм/dec. Однако слишком толстый Si спейсер не уместен — растет поверхностное сопротивление. Нужен компромисс между поверхностным сопротивлением и неконтролируемым P-профилем для транзисторов. Рис. 2 показывает также, что влияние спейсера между Si/Si₀.₈₆Ge₀.₁₄ (X_b) отличается от слоя между Si₀.₈₆Ge₀.₁₄/Si (X_t). На Рис. 2b,c толщины спейсеров между Si₀.₈₆Ge₀.₁₄/Si — 3 и 5 нм, на Рис. 2d — нет верхнего спейсера. Но наклон P-профиля на Si₀.₈₆Ge₀.₁₄/Si одинаков (~15,9 нм/dec), хотя в 2d верхний спейсер убран, влияния на профиль легирования нет. Вывод: P-пик только на интерфейсе Si/Si₀.₈₆Ge₀.₁₄, возможно из-за предела растворимости; излишек P может образовывать P-P димеры на поверхности и включаться в SiGe капный слой. Также есть авто-легирование P во время SiGe роста после P-Si. Ищут методы очистки излишка P или улучшения Si растворимости.

Влияние водородной перги на интерфейсе Si/SiGe/Si ML

Здесь Si спейсер зафиксирован 5 нм, вводится водородная перга для очистки излишка P после роста P-Si. Из Рис. 3c,d: увеличение водородного потока с 20 до 60 ссм и времени перги с 2 до 10 мин не оказывает явного эффекта на P-пик. Легирование в Si 3×10¹⁹ см⁻³, как в разделе «Влияние спейсеров». P-пик на интерфейсе тот же, что концентрация в Si (Рис. 3d). Толщины слоев одинаковы при разных условиях перги. P-атомы не удаляются водородом; объясняется формированием стабильных P-комплексов на поверхности. Изменение параметров (температура, давление, время перги) помогло бы, но слишком длинная перга неудобна по времени, высокая температура (>950 °C) вызывает Si-Ge интердиффузию.

Влияние химии роста на P-включение

В экспериментах Si предшественник SiH₄ заменен на SiH₂Cl₂ (DCS). Параметры роста те же, структуры содержат 5-нм Si спейсер, перга 5 мин при 60 ссм. Идея: изучить, может ли Cl-химия очистить излишек P атомов с Si поверхности реакциями P-Cl, Si-Cl, Ge-Cl. С Рис. 4: P-пик снижается в 2 раза (с 2,6×10¹⁹ до 1,3×10¹⁹ см⁻³), P в Si слоях 2,6×10¹⁹ см⁻³. Оцененный Ge контент 30% — выше, чем SiGe с SiH₄. Высокий Ge показывает, что Cl предпочтительно удаляет Si атомы в поверхностных реакциях. Результат объясняется разной зависимостью отношения газовых потоков и Ge концентрации от SiH₄ и SiH₂Cl₂ предшественников. Другое объяснение: Ge атомы увеличивают десорбцию водорода, увеличивая свободные нуклеационные центры. Наклон P-профиля Si₀.₇Ge₀.₃/Si — 13,2 нм/dec (острее Si₀.₈₆Ge₀.₁₄/Si 15,9 нм/dec). Наклон на интерфейсе Si/Si₀.₇Ge₀.₃ — 20 нм/dec. Увеличение HCl или отношения SiH₂Cl₂/GeH₄ может травлять сегрегированные P атомы на поверхности легированного Si, образуя P-Cl димеры и снижая P-пик на Si/SiGe.

Влияние Ge содержимого на P-профиль

Ранее обсуждалось: включение P в SiGe значительно выше, чем в Si. Идея: добавление нескольких % Ge (7%) в Si спейсеры (5 нм) может улучшить включение P в Si. Цель — не менять существенно характер P-Si, а препятствовать сегрегации P в Si. В образцах давление камеры снижено до 10 Торр при росте спейсеров. Легирование-зависимая скорость роста и Ge процент важны при этом условии. Рис. 5b: верхний и нижний слои — 110 нм Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ с P 1×10²⁰ см⁻³, средний — 40 нм Si₀.₇₈Ge₀.₂₂ с P 3,5×10¹⁹ см⁻³. Наклон P-профиля P-Si₀.₉₃Ge₀.₀₇/Si₀.₇₈Ge₀.₂₂ ~33 нм/dec. Неострый из-за малой разницы Ge между слоями. Рис. 5d: три слоя P-Si₀.₉₃Ge₀.₀₇/Si₀.₇₈Ge₀.₂₂/P-Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ ML для проверки равномерности легирования, схема Рис. 5c. Видно: снизу вверх P концентрация убывает, объясняется памятью P. Остаточные P атомы в камере или диффундированные накапливаются на поверхности пленки, блокируя свободные активные центры. Хотя P-пик устранен, сегрегация между Si₀.₇₈Ge₀.₂₂ и Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ остается серьезной.

Селективные травления Si/SiGe/Si ML

Когда ML успешно выращена (стратегиями выше), НП формируются вертикальным травлением с SiO₂/SiN твердой маской. Затем SiGe селективно травляется в латеральном направлении до проектируемой ширины канала. В экспериментах выбраны два типа ML: P-Si/SiGe/P-Si (образец-1, Рис. 2c) и P-Si₀.₉₃Ge₀.₀₇/Si₀.₇₈Ge₀.₂₂/P-Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ (образец-2, Рис. 5b). Выбор основан на подавлении P-выходной диффузии и перспективах устройства.

Вертикальное травление — сухое, латеральное — селективное сухое или мокрое. Травленные профили образца-1 на Рис. 6a,b. TEM и EDS маппинг Рис. 6a — на Рис. 7. Твердая маска оксид/нитрид. Рис. 6a: после 11,5 с сухого травления CF₄/O₂/He. Селективность Si₀.₈₆Ge₀.₁₄ к P-Si = 5,8. Рис. 6b: после 20 мин мокрого травления HF(6%)/H₂O₂(30%)/CH₃COOH(99.8%). Мокрое травление удалило твердую маску (SiO₂/SiN), Si капный слой также травлен ~10 нм. Как обсуждалось, есть P-накопление на интерфейсе P-Si/Si₀.₈₆Ge₀.₁₄. Мокрое травление чувствительно к уровню легирования; первый интерфейс травляется быстрее. Фронт травления не вертикален, а фасетирован/под углом. Средняя селективность <4,2. Сравнение: сухое травление чувствительно к Ge % с лучшей селективностью SiGe, мокрое — к донорной концентрации. Образец-2 на Рис. 6c,d. Похожие явления, но SiGe селективно травленные глубины больше (Рис. 6a,c) из-за более высокого Ge%. Сухое: селективность Si₀.₇₈Ge₀.₂₂ к P-Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ = 6,3, мокрое: средняя селективность <2,5. Сухое травление лучше для равномерности и селективности.

Дальнейшие анализы напряжения после травления в образце-1 и образце-2. Рис. 8a-h: (004) качающиеся кривые (RC) для: as-grown, после вертикального травления, латерального SiGe мокрого и сухого травления. В RC анализе расширение (FWHM) — индикатор дефектности, позиция SiGe пика относительно Si — величина напряжения в слое. Подчеркиваем: расширение пика может быть и от малой толщины слоя. Поэтому сложно отделить вклад дефектности из RC, можно только сравнивать FWHM. В RC образца-1 (Рис. 8a-d) один SiGe слой; образца-2 (Рис. 8e-h) два пика 7% и 22% Ge. As-grown: интерференция рентгеновского луча вызывает толщинные интерференционные фринге — признак высококачественного SiGe/Si интерфейса. В RC пик Ge сдвинут к пику Si подложки — релаксация напряжения. Дальнейшего сдвига после латерального сухого травления SiGe нет — перспективно для производительности транзистора, так как подвижность в канале зависит от напряжения. Мокрое травление дало большую релаксацию, больший сдвиг к подложке — мокрое травление не подходит для латерального SiGe травления, формирующего канал.

Дополнительные рентгеновские анализы дефектности на Рис. 9a-h. HRRLM (двухмерные измерения) на Рис. 9a-h. Индикатор дефектности в HRRLM — расширение SiGe слоя по ω-направлению (угол падающего луча). Позиции Si и SiGe пиков дают напряженные компоненты параллельно и перпендикулярно росту. В образце-1 и 2 as-grown SiGe показывают незначительное ω-расширение, слой выровнен по Si — полностью напряженные SiGe (Рис. 9a,e). Рис. 9b: после вертикального травления, SiGe пик сдвинут к Si подложке похоже на RC Рис. 8b — релаксация напряжения. Но удивительно: латерально сухое травленное (Рис. 9c) показывает явное ω-расширение SiGe пика со сдвигом в обратном пространстве, выходящим из выравнивания с Si пиком. Мокрое травленное (Рис. 9d) полностью-напряженно-выровнено и имеет меньшую интенсивность слоя, чем сухое (Рис. 9c). Ожидается, что дефекты имеют разные природы, так как природа травления разная. Образец-2 содержит два SiGe слоя; Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ пик сохраняется после травлений в обеих направлениях, Si₀.₇₈Ge₀.₂₂ исчезает после вертикального травления — полная релаксация напряжения (Рис. 8f-h). Низкая процессная стабильность образца-2 может корениться в P-легировании, способствующем формированию дислокаций несоответствия.

Заключение

Исследована эпитаксия P-Si/SiGe/P-Si ML с травлением как исходные структуры для vGAAFET. Во-первых, изучено P-включение в Si/SiGe/Si ML. Предложены разные стратегии эпитаксии и ML структуры для устранения P-сегрегированного пика на интерфейсе Si/SiGe гетероструктуры. Эксперименты: вставка нелегированного спейсера снижает P-пик. Водородная перга для очистки излишка P не очень эффективна, стабильные P-P димеры не удаляются полностью. Замена SiH₄ на SiH₂Cl₂ для введения Cl-химии снижает сегрегированный P-пик заметно за счет активных поверхностных реакций Cl. Влияние Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ спейсеров после P-Si также изучено. Результаты: P-пик на интерфейсе SiGe исчез, включение P в эти слои улучшилось на порядок. Во-вторых, вертикальное травление Si/SiGe/Si ML для формирования НП, затем латеральное селективное мокрое/сухое травление SiGe. Мокрое травление чувствительно к донорной концентрации, сухое — к Ge контенту. Сухое травление более уместно для n-структур с равномерным профилем и высокой селективностью. Для P-Si/Si₀.₈₆Ge₀.₁₄/P-Si ML селективность 5,8 (сухое) и 4,2 (мокрое). Для P-Si₀.₉₃Ge₀.₀₇/Si₀.₇₈Ge₀.₂₂/P-Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ ML селективность 6,3 (сухое) и 2,5 (мокрое). Напряжение в SiGe в основном сохранялось в Si/SiGe/Si после вертикального и латерального травления; напряжение в ML с введенными Si₀.₉₃Ge₀.₀₇ спейсерами имело низкую стабильность после травления.

Доступность данных и материалов

Авторы заявляют, что данные, подтверждающие результаты, доступны в статье.

Аббревиатуры

vGAAFET:

Вертикальные транзисторы с воротами со всех сторон

ML:

Многослой

CMOS:

Комплементарная металл-оксид-полупроводниковая

MBE:

Молекулярно-лучовая эпитаксия

RPCVD:

Химическое осаждение из паровой фазы при сниженном давлении

RTCVD:

Быстрое термическое химическое осаждение из паровой фазы

S/D:

Источник/сток

HRTEM:

Высокоразрешающее проницающее электронное микроскопирование

HRXRD:

Высокоразрешающая рентгеновская дифракция

HRRLM:

Высокоразрешающая карта обратной решетки

SEM:

Растровое электронное микроскопирование

SIMS:

Вторичная ионная масс-спектрометрия

RC:

Качающаяся кривая

FWHM:

Полная ширина на полувысоте

HM:

Твердая маска