Growth and Selective Etch of Phosphor-Doped Silicon/Silicon–Germanium Multilayers Structures for Vertical Transistors Application

Hasil dan Diskusi

Epitaksi dari P-Doped Si/SiGe/Si ML

Dalam penelitian ini, penggabungan P dalam Si dan SiGe awalnya dieksplorasi. Struktur ML ditunjukkan pada Gambar. 1a. ML Si yang didoping-P/Si yang tidak didoping dengan peningkatan PH₃ aliran ditumbuhkan, dan profil lapisan diperiksa oleh SIMS pada Gambar 1b. Gambar tersebut menunjukkan konsentrasi P meningkat dan mencapai level tertinggi 2,6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . Dua sampel lagi dengan profil ‘Si/Si yang didoping-P_0,72 Ge_0,28 /Si yang didoping-P dan 'Si yang didoping-Si/Si_0,72 Ge_0,28 /Si' dirancang, dan profil-P masing-masing ditunjukkan pada Gambar 1c, d. Pada Gambar 1c, tumpukan P diamati pada antarmuka Si/Si yang didoping-P_0,72 Ge_0,28 berlapis-lapis. Tumpukan P antarmuka meningkat dengan meningkatnya konsentrasi P dari bawah ke atas dalam multilayer, dan konsentrasi tertinggi adalah 1,6 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , yaitu 6 kali lebih banyak dari konsentrasi pada Gambar 1b (2.6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ). Dalam Si yang didoping_0,72 Ge_0,28 lapisan (Gbr. 1d), konsentrasi P sangat tinggi, dan tidak ada puncak pada antarmuka. Karena doping, persentase Ge sedikit meningkat. Perilaku ini terkait dengan peningkatan adsorpsi SiH₄ dan GeH₄ di hadapan PH₃ . Selain itu, karena doping, ketebalan lapisan berbeda antara Gambar 1c, d, yang memiliki waktu pertumbuhan yang sama. Artinya P-doping meningkatkan laju pertumbuhan Si_0,72 Ge_0,28 lapisan dan penyerapan GeH₄ , sedangkan laju pertumbuhan Si terhambat karena adsorpsi P. Fenomena ini konsisten dengan hasil yang dilaporkan dalam Ref. [36,37,38]. Dari atas, segregasi P dan fenomena auto-doping serius pada antarmuka Si/SiGe. Puncak P-doping pada antarmuka Si/SiGe membuat doping yang tidak disengaja pada lapisan SiGe. Karena SiGe dimaksudkan sebagai lapisan saluran dalam transistor, profil doping yang tidak homogen atau tingkat doping latar belakang yang tinggi akan membatasi aplikasi perangkat [39]. Beberapa metode untuk menghilangkan puncak P akan dibahas di bawah ini. Untuk perbandingan yang lebih baik, semua lapisan SiGe diregangkan, dan rasio aliran SiH₄ (SiH₂ Kl₂ ) dan GeH₄ untuk lapisan SiGe tidak diubah selama semua percobaan.

a Diagram skema ML Si/SiGe/Si yang didoping-P. b Konsentrasi doping-P dari Si ML yang didoping-P/Si yang tidak didoping. Persentase Ge/Si dan konsentrasi P c undoped Si_0,72 Ge_0,28 /P-doped Si, d Si yang tidak didoping/Si yang didoping-P_0,72 Ge_0,28 ML. Tidak ada lapisan pengatur jarak yang dibersihkan dan tidak didoping yang dipertimbangkan

Dampak Lapisan Spacer

Lapisan spacer Si yang tidak didoping disisipkan di antara lapisan Si yang didoping bawah dan lapisan SiGe yang tidak didoping untuk menyerap kelebihan atom P. Gambar 2a menunjukkan diagram skematis dari struktur yang dirancang, dan Gambar 2b–d menunjukkan hasil profil dari spacer Si terintegrasi dengan ketebalan (b) 3 nm, (c) 5 nm, dan (d) 10 nm. Puncak tumpukan P berkurang, sedangkan persentase Si/Ge dan konsentrasi P dalam lapisan Si dijaga konstan seperti pada Gambar 2b–d. Level tumpukan P berkurang 82%, dari 4 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ pada Gambar. 2b hingga 7 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ pada Gambar. 2d, ketika ketebalan spacer X _b meningkat dari 3 menjadi 10 nm. Meningkatkan ketebalan lapisan spacer Si yang tidak didoping meningkatkan penyerapan atom P yang berlebihan. Pada Gambar. 2d, kemiringan profil-P di Si_0,86 Ge_0,14 /Si permukaan 15,9 nm/des, sedangkan pada Si/Si_0,86 Ge_0,14 antarmuka kemiringannya adalah 31,3 nm/des. Sementara itu, lapisan spacer Si yang terlalu tebal bukanlah solusi yang tepat karena ketahanan lembaran meningkat. Oleh karena itu, pertukaran antara resistansi lembaran dan profil-P yang tidak terkontrol harus dilakukan untuk transistor. Gambar 2 juga menunjukkan dampak lapisan pengatur jarak antara Si/Si_0,86 Ge_0,14 lapisan (X _b ) berbeda dengan lapisan antara Si_0,86 Ge_0,14 /Si (X _t ). Pada Gambar. 2b, c, ketebalan spacer antara Si_0,86 Ge_0,14 /Si adalah 3 nm dan 5 nm, sedangkan pada Gambar 2d, tidak ada lapisan spacer yang disisipkan. Namun, kemiringan profil-P di Si_0,86 Ge_0,14 /Si adalah sama (sekitar 15,9 nm/des), meskipun pada Gambar 2d lapisan pengatur jarak atas telah dihilangkan tetapi tidak ada pengaruh pada profil doping yang diamati. Dari hasil diatas puncak P hanya berada pada Si/Si_0,86 Ge_0,14 antarmuka, yang mungkin karena batas kelarutan; kelebihan atom P dapat membentuk dimer P–P di permukaan dan tergabung dalam lapisan tutup SiGe. Selain itu, ada auto-doping P selama pertumbuhan SiGe setelah P-doping Si. Oleh karena itu, metode untuk menghilangkan kelebihan atom P atau meningkatkan kelarutan Si telah dicari.

a Skema sampel eksperimental dengan lapisan spacer undoped yang berbeda. Dan profil Ge, Si, dan P dari Si/Si yang didoping-P_0,86 Ge_0,14 /ML Si yang didoping-P dengan lapisan spacer Si yang tidak didoping b 3 nm, di kedua antarmuka, c 5 nm, di kedua antarmuka, d 10 nm, hanya pada satu antarmuka dengan Si_0,86 Ge_0,14

Dampak Pembersihan Hidrogen pada Antarmuka Si/SiGe/Si ML

Pada bagian ini, lapisan pengatur jarak Si difiksasi pada 5 nm, dan pembersihan hidrogen diperkenalkan untuk membersihkan kelebihan atom P setelah pertumbuhan Si yang didoping-P. Dapat dilihat dari Gambar 3c, d bahwa peningkatan aliran hidrogen dari 20 menjadi 60 sccm dan waktu pembersihan dari 2 menjadi 10 menit tidak memiliki efek yang jelas pada puncak P. Konsentrasi doping dalam Si adalah 3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , yang sama seperti yang dibahas di bagian “Dampak Lapisan Spacer”. Konsentrasi puncak P pada antarmuka sama dengan konsentrasi dalam Si dari Gambar 3d. Ketebalan lapisan sama dalam kondisi pembersihan yang berbeda. Atom P tidak dapat dibersihkan oleh hidrogen; ini dapat dijelaskan dengan pembentukan kompleks P yang stabil di permukaan. Dengan mengubah parameter seperti suhu, tekanan, waktu pembersihan akan membantu [24, 40], tetapi waktu pembersihan yang terlalu lama tidak sesuai karena biaya waktu, dan suhu tinggi (> 950 °C) menyebabkan interdifusi Si-Ge [41] .

Diagram skematik dari a strategi doping H₂ kondisi pembersihan, dan b struktur eksperimental Si/SiGe/Si MLs. c Profil Ge/Si dan d Konsentrasi P dari Si/Si yang didoping-P_0,86 Ge_0,14 /P-doped Si ML

Dampak Kimia Pertumbuhan pada P-incorporation

Dalam percobaan ini, prekursor Si, SiH₄ , telah diganti menjadi SiH₂ Kl₂ (DCS). Dalam sampel ini, parameter pertumbuhannya sama seperti sebelumnya, dan strukturnya mengandung lapisan spacer Si 5 nm dan waktu pembersihan 5 menit dengan aliran 60 sccm. Ide di baliknya adalah untuk menyelidiki apakah kimia berbasis Cl dapat membersihkan kelebihan atom P melalui permukaan Si dan reaksi P-Cl, Si-Cl atau Ge-Cl dapat terjadi [42]. Dari Gambar. 4, konsentrasi puncak P berkurang dengan faktor 2 (dari 2,6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ hingga 1,3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ), dan konsentrasi P dalam lapisan Si adalah 2,6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . Perkiraan kandungan Ge adalah 30%, lebih tinggi dari SiGe dengan SiH₄ . Kandungan Ge yang lebih tinggi menunjukkan bahwa Cl lebih disukai menghilangkan atom Si pada reaksi permukaan. Hasil ini juga dapat dijelaskan dengan perbedaan hubungan rasio aliran gas dan konsentrasi Ge dengan SiH₄ dan SiH₂ Kl₂ prekursor gas [32, 43]. Penjelasan lain adalah bahwa atom Ge meningkatkan desorpsi hidrogen, kemudian meningkatkan situs nukleasi bebas [44]. Kemiringan konsentrasi P dari Si_0,7 Ge_0,3 /Si antarmuka 13,2 nm/des, yang sedikit lebih tajam dari Si_0,86 Ge_0,14 /Si antarmuka (15,9 nm/des). Kemiringan profil-P pada Si/Si_0,7 Ge_0,3 antarmuka adalah 20 nm/des. Oleh karena itu, dengan menambahkan lebih banyak HCl atau meningkatkan rasio gas SiH₂ Kl₂ dan GeH₄ , atom P yang terpisah pada permukaan Si yang didoping dapat tergores oleh HCl untuk membentuk dimer P-Cl dan konsentrasi puncak P pada Si/SiGe mungkin lebih rendah [38, 45].

Diagram skematik dari a strategi doping untuk mengubah kimia pertumbuhan, b struktur eksperimental Si/SiGe/Si MLs. Lapisan SiGe ditumbuhkan dengan DCS. Waktu purge adalah 5 menit dengan aliran 60 sccm setelah didoping Si. Lapisan pengatur jarak Si yang tidak didoping berjarak 5 nm antara Si yang didoping bawah dan SiGe yang tidak didoping. c Profil Ge/Si dan konsentrasi P dari Si/Si yang didoping-P_0,7 Ge_0,3 /P-doped Si ML

Dampak Konten Ge pada Profil-P

Seperti yang telah kita diskusikan sebelumnya, penggabungan P dalam SiGe jauh lebih tinggi daripada di Si. Oleh karena itu, hal ini dapat meningkatkan gagasan untuk menambahkan beberapa persentase Ge (7%) dalam Si spacer (5 nm) dapat meningkatkan penggabungan P dalam Si. Perlu disebutkan di sini bahwa tujuan kami bukanlah untuk mengubah secara signifikan karakter Si yang didoping-P tetapi menghalangi segregasi P dalam Si. Dalam sampel ini, tekanan ruang berkurang menjadi 10 Torr selama pertumbuhan lapisan pengatur jarak. Tingkat pertumbuhan yang bergantung pada doping dan persentase Ge akan menjadi penting pada kondisi ini. Dari Gambar 5b, lapisan atas dan bawah adalah 110 nm Si_0,93 Ge_0,07 dengan konsentrasi P 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , lapisan tengah adalah 40 nm Si_0,78 Ge_0,22 dengan konsentrasi P 3,5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . Kemiringan konsentrasi P dari Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0,22 adalah sekitar 33 nm/des. Kemiringannya tidak tajam karena perbedaan persentase Ge antara kedua lapisan tidak cukup besar. Pada Gambar. 5d, tiga lapisan Si yang didoping-P_0.93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0,22 /Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 ML ditanam untuk memverifikasi keseragaman doping, dan diagram strukturnya ditunjukkan pada Gambar. 5c. Terlihat, dari lapisan bawah ke atas, konsentrasi P menurun, yang dapat dijelaskan oleh efek memori P. Atom P residu dalam chamber atau atom P terdifusi terakumulasi pada permukaan film dan memblokir situs aktif bebas pada permukaan [38, 39]. Meskipun puncak P telah dihilangkan, segregasi antara Si_0,78 Ge_0,22 dan Si_0,93 Ge_0,07 masih serius.

a Diagram skema, b Profil Ge/Si dan P dalam satu lapisan Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0,22 /Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 ML. c Diagram skema, d Profil Ge/Si dan P dalam tiga lapisan Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0,22 /Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 ML

Karakteristik Etsa Selektif dari Si/SiGe/Si MLs

Ketika struktur ML berhasil ditumbuhkan (menggunakan strategi pertumbuhan di atas), NWs telah dibentuk dengan etsa vertikal menggunakan SiO₂ /SiN sebagai hardmask. Setelah itu, lapisan SiGe harus digores secara selektif ke Si dalam arah lateral untuk membentuk lapisan saluran dengan lebar yang dirancang. Dalam eksperimen ini, dua jenis struktur ML telah dipilih:Si/SiGe/Si yang didoping-P (sampel-1, pada Gambar. 2c) dan Si yang didoping-P_0.93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0,22 /Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 (contoh-2, pada Gambar 5b). Pilihan ini dibuat sesuai dengan diskusi di atas di mana difusi keluar P telah (sebagian) ditekan, serta perspektif aplikasi perangkat dipertimbangkan.

Etsa arah vertikal dilakukan dengan etsa kering, sedangkan untuk etsa lateral dilakukan etsa kering atau basah selektif. Profil etsa sampel-1 ditunjukkan pada Gambar. 6a, b. Dan gambar TEM dan pemetaan EDS dari Gambar 6a telah ditunjukkan pada Gambar 7. Dalam percobaan ini, hardmasknya adalah oksida/nitrida. Gambar 6a menunjukkan setelah etsa kering 11,5 detik pada CF₄ /O₂ /Dia. Selektivitas etsa Si_0,86 Ge_0,14 dan Si yang didoping-P adalah 5,8. Gambar 6b menunjukkan bahwa setelah 20 menit etsa basah HF (6%)/H₂ O₂ (30%)/CH₃ COOH (99,8%). Etsa basah telah menghilangkan hardmask (SiO₂ /SiN), dan sebagai hasilnya, lapisan penutup Si juga tergores ~ 10 nm. Seperti yang dibahas pada bagian “Dampak Lapisan Spacer”, ada tumpukan P pada Si/Si yang didoping-P_0,86 Ge_0,14 antarmuka. Etsa basah sensitif terhadap tingkat doping; oleh karena itu, antarmuka pertama dibuat lebih cepat. Akibatnya, antarmuka etsa depan tidak vertikal dan berbentuk segi atau miring. Selektivitas rata-rata kurang dari 4,2. Membandingkan kedua metode etsa, etsa kering sensitif terhadap persentase Ge dengan selektivitas SiGe yang lebih baik, sedangkan etsa basah sensitif terhadap konsentrasi dopan. Etsa sampel-2 juga dipelajari pada Gambar. 6c, d. Fenomena serupa diamati dalam sampel ini, sedangkan kedalaman tergores selektif SiGe lebih dalam (Gbr. 6a, c) karena persentase Ge yang lebih tinggi. Pada etsa kering, selektivitas Si_0,78 Ge_0,22 dan Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 adalah 6,3, sedangkan pada etsa basah, selektivitas rata-rata kurang dari 2,5. Oleh karena itu, etsa kering adalah pilihan yang lebih baik dengan mempertimbangkan keseragaman dan selektivitas etsa.

Gambar SEM dari Si/Si yang didoping-P_0,86 Ge_0,14 /P-doped Si pada Gambar. 2c dengan a etsa kering 11,5 detik, b etsa basah 20 menit, dan Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0,22 /Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 ML dengan c etsa kering 11,5 detik, d etsa basah 20 menit. Etsa kering adalah CF₄ :O₂ :He = 4:1:5, dan etsa basah adalah HF (6%):H₂ O₂ (30%):CH₃ COOH (99,8%) = 1:2:4

a Gambar TEM, b –e Pemetaan EDS dari Si/Si yang didoping-P_0,86 Ge_0,14 /P-doped Si pada Gambar 6a dengan etsa kering 11,5 detik. Elemen dalam b adalah Si, dalam c adalah Ge, dalam d adalah O, dan dalam e adalah N

Analisis lebih lanjut dilakukan untuk menyelidiki regangan setelah langkah etsa pada sampel-1 dan sampel-2. Gambar 8a–h menunjukkan (004) kurva goyang (RC) dari sampel ini sebagai berikut:saat tumbuh, setelah etsa vertikal, dan etsa lateral SiGe menggunakan etsa basah dan kering. Dalam analisis RC, pelebaran (full-width-half-maximum atau FWHM) merupakan indikator kepadatan cacat, dan posisi puncak SiGe dibandingkan dengan Si menentukan jumlah regangan pada lapisan. Kami tekankan di sini bahwa pelebaran puncak dapat juga disebabkan oleh ketebalan lapisan yang tipis. Oleh karena itu, akan sulit untuk membedakan kontribusi kepadatan cacat dari analisis RC, tetapi kami hanya dapat membandingkan FWHM dalam beberapa ekstensi dalam analisis ini. Dalam RC ini, sampel-1 (Gbr. 8a–d) memiliki satu lapisan SiGe; sementara itu, sampel-2 (Gbr. 8e–h) menunjukkan dua puncak yang mewakili 7% dan 22% Ge. Untuk sampel As-grown, gangguan sinar-X diamati, yang menyebabkan pinggiran lapisan tebal. Munculnya pinggiran ini menunjukkan antarmuka SiGe/Si berkualitas tinggi. Dalam RC, sampel-1 dan sampel-2, puncak Ge telah bergeser ke arah puncak substrat Si yang menunjukkan relaksasi regangan. Tidak ada pergeseran lebih lanjut dari puncak Ge yang terdeteksi setelah etsa kering lateral SiGe. Ini adalah hasil yang menjanjikan untuk kinerja transistor karena mobilitas pembawa di wilayah saluran bergantung pada regangan. Sementara itu, regangan telah lebih santai untuk SiGe yang tergores basah, dan lebih banyak pergeseran menuju puncak substrat telah diamati. Ini menunjukkan bahwa etsa basah tidak cocok untuk etsa SiGe lateral, yang membentuk lapisan saluran.

Kurva goyang HRXRD di sekitar (004) refleksi sampel-1, Si/Si yang didoping-P_0,86 Ge_0,14 /ML Si yang didoping-P dengan lapisan spacer 5 nm di a –d , dan sampel-2, Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0,22 /Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 ML di e –h . Kedua sampel memiliki empat panel:saat tumbuh, setelah etsa vertikal, etsa basah lateral SiGe HF (6%)/H₂ O₂ (30%)/CH₃ COOH (99,8%) 20 mnt, dan etsa kering lateral CF₄ /O₂ /Dia 11.5 s

Analisis sinar-X lebih lanjut dilakukan untuk mengetahui informasi lebih lanjut tentang kepadatan cacat dalam sampel pada Gambar. 9a–h. HRRLM, yang didasarkan pada pengukuran dua dimensi, dilakukan di sini seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9a–h. Indikator densitas cacat pada HRRLM adalah pelebaran lapisan SiGe sepanjang arah (ω adalah sudut sinar datang). Posisi puncak Si dan SiGe memberikan komponen regangan yang sejajar dan tegak lurus terhadap arah pertumbuhan. Dalam sampel-1 dan sampel-2, lapisan SiGe yang tumbuh menunjukkan perluasan kecil, dan lapisan tersebut sejajar dengan Si yang menunjukkan lapisan SiGe yang terregangkan penuh (lihat Gambar 9a, e). Gambar 9b menunjukkan sampel setelah etsa vertikal, puncak SiGe telah bergeser ke arah substrat Si dengan cara yang sama pada hasil RC pada Gambar 8b yang menunjukkan relaksasi regangan. Namun yang mengejutkan, sampel etsa kering lateral (Gbr. 9c) menunjukkan -pelebaran puncak SiGe yang jelas bersama dengan pergeseran ruang timbal balik, yang arahnya keluar dari keselarasan dengan puncak Si. Namun, sampel yang tergores basah (dalam Gambar 9d) sepenuhnya sejajar regangan dan memiliki intensitas lapisan yang lebih rendah daripada yang tergores kering (dalam Gambar 9c). Dalam hal ini, diharapkan bahwa cacat yang dihasilkan memiliki asal yang berbeda dalam sampel ini karena sifat proses etsa berbeda. Sample-2 berisi dua lapisan SiGe; Si_0,93 Ge_0,07 puncak bertahan setelah etsa di kedua arah vertikal dan lateral, sedangkan Si_0,78 Ge_0,22 menghilang setelah etsa vertikal menunjukkan relaksasi regangan penuh (Gbr. 8f–h). Stabilitas proses sampel-2 yang buruk dapat berakar dari doping-P, yang mendorong pembentukan dislokasi yang tidak sesuai.

HRRLM dari Si/Si yang didoping-P_0,86 Ge_0,14 /P-doped Si ML dengan lapisan spacer 5 nm (sampel-1) di a –d , dan Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 /Si_0,78 Ge_0,22 /Si yang didoping-P_0,93 Ge_0,07 ML (Contoh-2) di e –h . Kedua pemetaan memiliki empat panel:saat tumbuh, setelah etsa vertikal, etsa basah lateral HF (6%)/H₂ O₂ (30%)/CH₃ COOH (99,8%) 20 mnt, dan etsa kering lateral CF₄ /O₂ /Dia 11.5 s