(A) study on selective etching of Si and Si1-XGeX for application of gate-all-around FETs

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, CMOS logic technology, based on the conventional Si FinFET structure, is facing performance limitations at most advanced technology nodes, due to the challenge of continuous physical scaling. Horizontal gate-all-around (GAA) Nanosheet (NS) structures have already been proposed to answer logic device scaling needs by offering excellent electrostatics and short channel control. One of the key technical processes to make GAA structure is a selective etching process, which removes only the sacrificial material in the multilayer stack structure. In this dissertation, the phenomena of selective etching between Si and Si1-xGex during wet etching and dry etching processes as well as their selective etching mechanisms were studied.
First, the selective wet etching of Si1-xGex with HNO3/HF-based chemical etchants in single- and Si/Si1-xGex multi-layer structures was investigated. The etch rates of Si1-xGex layer with various Ge concentration were measured at the chemical etchants with different mixing concentrations. When the Ge concentration of Si1-xGex was high, the etching rate increased; the effect of Ge concentration on Si1-xGex selective etching was explained by the difference in the bond dissociation energies of the Si-Ge bonds, Ge-Ge bonds and Si-Si bonds and also by the injection of holes during wet etching. The lateral etching of Si1-xGex in Si/Si1-xGex multilayers was also analyzed to understand the selective etching mechanism. The presence of Si increased the etch rate and selectivity of Si1-xGex by additional hole injection from valence band of Si.
In the next section, a study of Si selective etching versus Si1-xGex in TMAH etchant was conducted. The mechanism of selective etching was studied through compositional analysis of the etched Si1-xGex surface with various Ge concentrations. When the Ge concentration was high, the Si etch rate decreased because the formation of the OH bond was inhibited. As TMAH was an anisotropic etchant with different etching rates depending on the surface orientation, the addition of surfactant such as Triton in TMAH solution was tested; the addition of Triton was found to affect surface roughness and etching selectivity.
Finally, the selective dry etching of Si1-xGex layer over Si layer in inductively coupled plasma (ICP) tools with CF4–based gas in single- and Si/Si1-xGex multi-layer structures was investigated. As the source power and working pressure increased, the Si1-xGex and Si etch rates increased. When O2 was added to CF4, the etch rate became faster or slower depending on the ratio of CF4/O2. In addition, the structural effects were studied in both wet and dry methods. The etch rate changed depending on the thickness and direction of the etched layer. In summary, this study provides a detailed description of the selective etching for the fabrication of 3D GAA structure.

국문 초록 (Abstract)

최근 고성능 및 저전력 소자 개발을 목표로 소형화된 Si 기반 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 소자를 위한 새로운 재료 및 소자 구조가 많은 연구자들에 의해 연구되고 있다. 기존의 Si FinFET 구조를 기반으로 하는 CMOS 로직 기술은 지속적인 물리적 스케일링 문제로 인해불가피하게 성능 한계에 접근하게 된다. 게이트 올 어라운드 (GAA) 나노시트 (NS) 구조는 우수한 전기적 특성 및 단채널 효과 제어를 제공함으로써 로직 디바이스의 스케일링 요구를 충족시킬 수 있다. 이를 위해서는 다층 구조에서 채널로 사용할 물질은 남기고 희생 물질만을 제거하는 선택적 식각 공정이 필요하다. 본 논문에서는 Si와 Si1-xGex 사이의 선택적 식각 현상을 습식과 건식 방식을 결합하여 연구하였다. 실험은 다음 순서로 진행되었다.
먼저, HNO3/HF을 기반으로 하는 화학 식각액을 사용하여 단층 및 다층 구조에서의 Si1-xGex 선택적 습식 식각이 연구되었다. 다양한 Ge 농도를 갖는 Si1-xGex의 수직 방향과 측면 방향으로의 식각 속도가 각 용액의 농도별로 분석되었다. Ge 농도와 식각 속도의 관계는 전기화학적 정공 거동 이론(hole behavior theory)을 통해서 설명되었다. 또한 Si/Si1-xGex 다층 박막에서의 Si1-xGex 측면 에칭 속도를 분석하여 선택적 에칭 메커니즘을 규명했다. Si1-xGex 층은 HNO3 뿐만 서로 접해있는 Si의 가전자대로부터 추가적인 정공 주입이 가능하고, 그에 의해 Si1-xGex의 식각률 및 선택도가 증가한다.
다음 파트에서는, Tetramethylammonium Hydroxide (TMAH) 식각액을 사용한 Si 선택적 식각에 대한 연구가 진행되었다. 다양한 Ge 농도의Si1-xGex 표면의 식각 전후 조성 분석을 통해 선택적 식각의 메커니즘이 연구되었다. TMAH용액은 수직 및 측면 방향에 상관없이 표면 방향에 따라 식각 속도가 다른 이방성 식각액임을 확인했다. 계면활성제인 Triton을 TMAH에 첨가하면 식각된 표면의 거칠기를 감소시킬 수 있다. 또한 Triton의 첨가는 표면 반응성을 조절하여 식각 이방성과 선택도에 영향을 줄 수 있다.
마지막으로, CF4 기반 가스가 사용되는 유도 결합 플라즈마 (ICP) 장비를 이용하여 단층 및 다층 구조에서에서 Si1-xGex 선택적 건식 식각이 조사되었다. GAA 채널을 형성할 때, 습식 방법은 용액에 의해 발생하는 모세관력(capillary force) 때문에 기계적 불안정성에 직면하므로 건식 방법에 대한 연구가 필요하다. 이온 및 라디칼 밀도는 식각 조건에 따라 달라지며 이는 식각 속도에 영향을 줄 수 있다. 소스 전력과 작동 압력이 증가함에 따라 Si1-xGex 및 Si의 식각 속도가 증가한다. 첨가 가스에 대한 영향도 조사되었는데, CF4에 O2를 첨가하면 CF4/O2의 비율에 따라 식각 속도가 빨라지거나 느려진다. 또한 연구 전체에 걸쳐서 습식 및 건식 방법 모두에서 희생층의 두께나 식각 방향과 같은 구조적 영향들에 대해서 연구되었다. 이 연구는 3D GAA 구조를 위해 필수적인 선택적 식각 공정에 대한 상세한 설명을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• CONTENTS i
• List of figures v
• List of tables ix
• Abstract x
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. MOSFET Device Scaling 3
• 1.2. Novel channel for next-generation semiconductor devices 7
• 1.2.1 New material approach in logic devices 7
• 1.2.2 New structure approach in logic devices 12
• 1.3. Key process for fabrication of Gate-All-Around FETs 16
• 1.4. Selective etching methods 19
• 1.4.1 Wet etching of Si / Si1-xGex in HNA solutions 22
• 1.4.2 Wet etching of Si / Si1-xGex in TMAH solutions with surfactant 25
• 1.4.3 Chemical dry etching of Si / Si1-xGex with ICP tools 27
• 1.5. Overview of this dissertation 29
• 1.6. Reference 30
• Chapter 2. Experiments 38
• 2.1. Experimental techniques 38
• 2.1.1 Preparation for selective etching of epitaxial Si and Si1-xGex 38
• 2.1.2 Si1-xGex selective etching in HNO3/HF-based solutions 43
• 2.1.3 Si selective etching in TMAH solutions 45
• 2.1.4 Si1-xGex selective etch using ICP-RIE 48
• 2.2. Analytical techniques 51
• 2.2.1 Scanning electron microscopy (SEM) 51
• 2.2.2 High resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) 52
• 2.2.3 High resolution X-ray diffraction (HR-XRD) 52
• 2.2.4 Atomic force microscopy (AFM) 56
• 2.2.5 High resolution X-ray photoelectron spectroscopy (HR-XPS) 57
• 2.2.6 Spectroscopic ellipsometer 58
• 2.3. Reference 59
• Chapter 3. Selective Chemical Wet Etching of Si1-xGex versus Si in Single-layer and Multi-layer with HNO3/HF Mixtures 60
• 3.1. Introduction 60
• 3.2. Experimental 65
• 3.3. Result and Discussions 69
• 3.3.1 Blanket etching of Si1-xGex with HNA solutions 69
• 3.3.1.1 Blanket etch rate of Si1-xGex and Si epitaxial layers 69
• 3.3.1.2 Oxide formation during wet etching 75
• 3.3.1.3 Mechanism of Si1-xGex blanket etching 81
• 3.3.2 Lateral etching of Si1-xGex in multi-layer 85
• 3.3.2.1 Mechanism of Si1-xGex lateral etch 85
• 3.3.2.2 Effects of condition and structure on selective etching of Si1-xGex 91
• 3.3.2.3 Effects of Boron doping on selective etching of Si1-xGex 102
• 3.4. Summary 105
• 3.5. Reference 106
• Chapter 4. Selective Etching of Si versus Si1-xGex in Tetramethyl Ammonium Hydroxide Solutions with Surfactant 111
• 4.1. Introduction 111
• 4.2. Experimental 115
• 4.3. Result and Discussions 118
• 4.3.1 Anisotropic etching of Si 118
• 4.3.2 Vertical etching of Si1-xGex 125
• 4.3.3 Selective etching mechanism 127
• 4.3.4 Effect of Boron doping on Si1-xGex etch rate 136
• 4.3.5 Selective etching of Si in multi-layer 139
• 4.4. Summary 147
• 4.5. Reference 148
• Chapter 5. Study of Selective Dry Etching of Si1-xGex in Inductively Coupled Plasma Condition 154
• 5.1. Introduction 154
• 5.2. Experimental 161
• 5.3. Results and Discussion 163
• 5.3.1 Blanket etching of Si and Si1-xGex with CF4 and Cl2 gas 163
• 5.3.2 Etched surface of Si and Si1-xGex with CF4 gas 173
• 5.3.3 Lateral etching of Si1-xGex with CF4 gas 176
• 5.3.4 Additive O2 effect on dry etching of Si and Si1-xGex 184
• 5.4. Summary 188
• 5.5. Reference 189
• Chapter 6. Conclusion 196
• Korean abstract 199