文章來(lái)源：老千和他的朋友們???

原文作者：孫千???

選擇性外延生長(zhǎng)(SEG)是當(dāng)今關(guān)鍵的前端工藝(FEOL)技術(shù)之一，已在CMOS器件制造中使用了20年。英特爾在2003年的90納米節(jié)點(diǎn)平面CMOS中首次引入了SEG技術(shù)，用于pMOS源/漏(S/D)應(yīng)力器。它結(jié)合了抬升源/漏技術(shù)、凹槽刻蝕源/漏結(jié)形成技術(shù)以及硅鍺(SiGe)局部溝道應(yīng)變技術(shù)。然而，有關(guān)SEG的首次報(bào)道可追溯至61年前，即1962年德州儀器的Joyce和Baldrey在《自然》雜志上發(fā)表的文章。

引言????

20世紀(jì)80年代，有超過(guò)120篇關(guān)于SEG(也稱(chēng)為選擇性硅生長(zhǎng)(SSG))在雙極性、CMOS、BiCMOS和電荷耦合器件(CCD)新型器件結(jié)構(gòu)中各種研發(fā)應(yīng)用的出版物。應(yīng)用材料公司的Borland在1987年IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議(IEDM)和1987年10月電化學(xué)學(xué)會(huì)(ECS)化學(xué)氣相沉積(CVD)-X研討會(huì)上報(bào)道了SEG器件應(yīng)用的綜述。

SEG首次大規(guī)模制造應(yīng)用是由IBM/Burlington在1987年用于0.7微米技術(shù)節(jié)點(diǎn)的4兆動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)。如圖1所示，SEG工藝是一種選擇性硅表面帶，連接DRAM多晶硅溝槽電容器與晶體管。

圖1.1987年IBM 4兆位DRAM的選擇性硅帶

那年夏天，作者在佛蒙特州度過(guò)了一周美好時(shí)光，致力于SEG工藝研究。0.7微米技術(shù)節(jié)點(diǎn)的壽命很短，因?yàn)?.5微米節(jié)點(diǎn)的16兆DRAM在1988年就問(wèn)世了，采用垂直側(cè)壁多晶硅連接溝槽電容器。

直到16年后，SEG的第二次大規(guī)模制造應(yīng)用才出現(xiàn)，那就是英特爾2003年的90納米節(jié)點(diǎn)，它引入了局部應(yīng)變硅技術(shù)，并使用凹槽刻蝕選擇性SiGe抬升源/漏技術(shù)用于pMOS，如Ghani等人所報(bào)道的。eSiGe源/漏應(yīng)力器技術(shù)在2011年22納米節(jié)點(diǎn)的3D鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)中得以延續(xù)。

Borland在2016年11月日本學(xué)術(shù)振興會(huì)第七屆硅材料先進(jìn)科學(xué)技術(shù)國(guó)際研討會(huì)上的特邀報(bào)告"智能手機(jī)市場(chǎng)推動(dòng)7納米和5納米節(jié)點(diǎn)3D器件和堆疊器件"展示了凹槽刻蝕選擇性SiGe pMOS源/漏結(jié)構(gòu)的透射電子顯微鏡(X-TEM)截面演變，從平面90納米節(jié)點(diǎn)(17% SiGe，柵極重疊控制+35納米)到鰭式22納米節(jié)點(diǎn)(55% SiGe，柵極重疊控制-3納米)，如圖2所示。

圖2.從90納米至22納米節(jié)點(diǎn)的凹槽刻蝕選擇性硅鍺源/漏結(jié)構(gòu)的X-TEM分析

二十年后，選擇性源/漏結(jié)構(gòu)繼續(xù)成為主流前端工藝，并演變?yōu)?納米以下節(jié)點(diǎn)3D CMOS環(huán)繞柵極(GAA)納米片器件的環(huán)繞接觸(WAC)，如IBM聯(lián)盟的Loubert等人所報(bào)道，如圖3所示。

圖3.三維納米薄片的選擇性WAC

選擇性WAC預(yù)計(jì)將使SEG技術(shù)在2030年代再延續(xù)十年，應(yīng)用于3D堆疊CMOS器件，同時(shí)進(jìn)行新材料改性研究以降低接觸電阻。下面按照各個(gè)十年回顧SEG技術(shù)的一些關(guān)鍵開(kāi)創(chuàng)性文章。

按十年代劃分的SEG發(fā)展

1960年代

德州儀器的Joyce和Baldrey在1962年《自然》雜志上發(fā)表的題為"硅的選擇性外延沉積"的文章中首次報(bào)道了使用SiCl?在1200°C大氣壓下通過(guò)氧化物掩膜進(jìn)行SEG。三年后，1965年，Jackson報(bào)道了向SiCl?同時(shí)注入HCl，抑制在氧化物表面上的硅沉積。

1970年代

20世紀(jì)70年代有12篇SEG出版物，報(bào)道了其他用于選擇性硅的源氣體，包括SiH?和硅-碘。Dumin在其文章"使用硅烷和鍺烷的選擇性外延"中報(bào)道了使用GeH?源氣體在800°C進(jìn)行選擇性鍺生長(zhǎng)；他報(bào)道在700°C時(shí)是非選擇性的。西屋電氣研發(fā)中心的研究人員Rai-Choudhury和Schroder報(bào)道了選擇性砷化鎵(GaAs)沉積。

1980年代

20世紀(jì)80年代的SEG出版物增加了10倍，達(dá)到120多篇，其中使用降低壓力的CVD外延系統(tǒng)在較低溫度下進(jìn)行SEG的材料質(zhì)量取得了突破。1982年，日本電氣公司(NEC)的Tanno等人報(bào)道了在低于1000°C和80托壓力下使用SiH?Cl?+HCl添加劑進(jìn)行SEG以改善選擇性。

當(dāng)時(shí)，工業(yè)界也正從雙極性向CMOS和BiCMOS技術(shù)過(guò)渡。然而，IBM大型機(jī)仍然基于高速雙極性技術(shù)。來(lái)自IBM約克鎮(zhèn)高地的Burghartz等人在1988年5月《電子器件快報(bào)》(EDL)上報(bào)道了SEG首次用于雙多晶硅自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)中的基極形成，題為"選擇性外延基極晶體管(SEBT)"，如圖4所示。

圖4.IBM用于高速雙極型的選擇性外延基極晶體管

IBM選擇了Meyerson的超高真空/CVD外延方法。麻省理工學(xué)院的O等人在1987年5月ECS會(huì)議上報(bào)道了使用另外兩個(gè)掩膜步驟與SEG的其他BiCMOS設(shè)計(jì)，將垂直NPN和PNP雙極性晶體管插入p阱CMOS工藝流程。

CMOS的引入面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是pMOS和nMOS器件隔離和閂鎖效應(yīng)預(yù)防。Borland在IEDM-1987的特邀演講中回顧了SEG新型器件結(jié)構(gòu)：1)橫向器件隔離，2)用于n型和p型硅結(jié)構(gòu)的選擇性摻雜，3)抬升源/漏，4)接觸填充，以及5)絕緣體上硅(SOI)的形成。

橫向器件隔離：Borland和Drowley在應(yīng)用材料公司和惠普實(shí)驗(yàn)室于1985年8月發(fā)表的《固態(tài)技術(shù)》文章中，回顧了替代局部硅氧化的先進(jìn)介電隔離技術(shù)，包括SEG隔離，如圖5所示。

圖5.用于先進(jìn)介質(zhì)隔離的SEG

SEG側(cè)壁面形成和缺陷出現(xiàn)在(110)側(cè)壁上；然而，在(100)氧化物側(cè)壁上實(shí)現(xiàn)了無(wú)面和無(wú)缺陷的SEG。SEG隔離工藝流程類(lèi)似于今天我們所稱(chēng)的"鰭后工藝"（而非"鰭先工藝"），通過(guò)SEG在硅晶圓表面上方創(chuàng)建抬升的硅臺(tái)結(jié)構(gòu)。

淺溝槽隔離(STI)工藝在20世紀(jì)80年代末0.5微米技術(shù)節(jié)點(diǎn)引入，是相反的"鰭先"類(lèi)工藝，通過(guò)臺(tái)面刻蝕硅晶圓創(chuàng)建抬升的硅結(jié)構(gòu)。它避免了在刻蝕損傷的硅表面上生長(zhǎng)高質(zhì)量SEG的困難、界面雜質(zhì)和側(cè)壁面形成/缺陷。

為了將SEG面形成/缺陷限制在n阱區(qū)域并將CMOS的橫向隔離極限推至<0.25微米，來(lái)自NEC的Kasai等人在IEDM-1985上報(bào)告了一種4微米深、0.25微米寬的高縱橫比SEG窄隔離結(jié)構(gòu)，用于n阱CMOS，如圖6所示。

圖6.采用SEG的CMOS窄隔離間距

垂直側(cè)壁上的氧化物厚度成為窄隔離寬度。單阱CMOS，無(wú)論是n阱（使用p型晶圓最常見(jiàn)）還是p阱（使用n型晶圓），主導(dǎo)了CMOS技術(shù)；只有少數(shù)公司使用雙阱CMOS，如AT&T，提供了使用p型或n型晶圓的靈活性。將n型晶圓用于CMOS，特別是n/n+ epi晶圓，由于內(nèi)在吸雜能力差而存在問(wèn)題。

選擇性摻雜：Manoliu和Borland在IEDM-1987上發(fā)表了一篇聯(lián)合仙童研究和應(yīng)用材料公司的論文，報(bào)告了用于n阱和p阱的有源區(qū)選擇性摻雜，用于亞微米雙阱CMOS，展示了優(yōu)異的閂鎖特性，無(wú)需深溝槽，如圖7所示。雙掩埋層形成了雙阱逆向摻雜阱，并使用鈦(Ti)進(jìn)行硅化物接觸。

圖7.雙埋層雙阱CMOS

抬升源/漏：對(duì)于硅外延質(zhì)量不重要的非有源器件區(qū)域，使用選擇性硅或多晶硅沉積形成抬升源/漏結(jié)構(gòu)。來(lái)自東芝的Hashimoto在1988年12月應(yīng)用材料公司第三屆年度先進(jìn)器件結(jié)構(gòu)外延技術(shù)創(chuàng)新研討會(huì)上，展示了無(wú)摻雜SSG隨后進(jìn)行B注入的抬升源/漏，如圖8所示。源/漏結(jié)是通過(guò)從注入的抬升源/漏結(jié)構(gòu)中p+硼擴(kuò)散形成的。

圖8.東芝抬升源/漏結(jié)構(gòu)

接觸填充：Shibata等人來(lái)自東芝在1987年VLSI技術(shù)研討會(huì)上報(bào)告了原位n+磷摻雜SEG用于接觸填充。由于這是非有源器件區(qū)域，硅外延質(zhì)量不重要，他們制造了1-Mb靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)，具有平坦的金屬接觸，沒(méi)有不共形金屬鍵孔結(jié)構(gòu)，用于改進(jìn)自對(duì)準(zhǔn)接觸(SAC)，如圖9所示。

圖9.用于平面SAC的原位摻雜n+ SSG

Wei等人在1989年ECS超大規(guī)模集成科學(xué)和技術(shù)研討會(huì)和VMIC-89上發(fā)表了一篇英特爾和應(yīng)用材料公司的聯(lián)合論文，報(bào)告了另一種方法，使用接觸硅化。他們報(bào)告使用無(wú)摻雜選擇性硅插塞用于n+和p+接觸填充，隨后沉積鈷(Co)或鈦(Ti)并進(jìn)行硅化，如圖10所示。

圖10.選擇性硅接觸填充，隨后形成Co或Ti硅化物

圖11顯示了過(guò)度硅化[圖11(a)]、完美硅化[圖11(b)]和不足硅化[圖11(c)和(d)]的X-TEM結(jié)果。這種厚硅化物技術(shù)將成為21世紀(jì)開(kāi)發(fā)的用于高k金屬柵極(HK/MG)的FUSI柵極的前身。

圖11.(a)–(d) SSG-SAC隨后形成鈷硅化物的X-TEM結(jié)果

SOI形成：Jastrzebski在1984年12月的《晶體生長(zhǎng)雜志》中報(bào)告了橫向生長(zhǎng)SEG覆蓋氧化物，稱(chēng)為外延橫向超生長(zhǎng)(ELO)，形成局部SOI結(jié)構(gòu)，并在圖12中說(shuō)明了用于雙阱CMOS的應(yīng)用。使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，完全拋光回和SOI層變薄的ELO結(jié)構(gòu)，不含任何表面面形成凹坑，如圖13所示。

圖12通過(guò)ELO形成SOI

圖13CMP被用于拋光和減薄由ELO形成的SOI層

SEG DRAM溝槽電容器設(shè)計(jì)：從1-Mb DRAM 1.0微米技術(shù)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，IBM自1985年以來(lái)一直使用多晶硅溝槽存儲(chǔ)電容器單元設(shè)計(jì)。在1987年的4-Mb DRAM 0.7微米技術(shù)節(jié)點(diǎn)，他們使用選擇性硅表面帶隨后進(jìn)行硅化作為連接到溝槽存儲(chǔ)電容器的局部互連，如圖1所示。

SSG晶體結(jié)構(gòu)在p+硅晶體管源/漏區(qū)域上是單晶的，在p+多晶溝槽電容器單元上方是多晶硅。IBM研究人員在1988年展示了各種設(shè)計(jì)選項(xiàng)，將SEG納入潛在的0.35微米節(jié)點(diǎn)64-Mb DRAM及更高，包括使用溝槽上外延(EOT)設(shè)計(jì)的埋入式溝槽電容器，該設(shè)計(jì)結(jié)合了ELO和CMP平面化，如圖14所示，由Lu和Bronner在1988年12月應(yīng)用材料公司第三屆年度先進(jìn)器件結(jié)構(gòu)外延技術(shù)創(chuàng)新研討會(huì)上報(bào)告。

圖14.選擇性EOT DRAM

20世紀(jì)90年代

低溫預(yù)SEG硅表面清潔和去除等離子體刻蝕損傷和殘留物繼續(xù)限制SEG在有源器件區(qū)域的應(yīng)用。許多組織研究了減少厚氧化物刻蝕后殘留刻蝕損傷和表面雜質(zhì)的方法。犧牲氧化物最好能消耗殘留刻蝕效應(yīng)，而外延氫氣烘烤步驟導(dǎo)致硅表面遷移/平滑，輕微的氧化物下切，以及氫表面鈍化被證明對(duì)本征氧化物生長(zhǎng)非常有抵抗力。從H2烘烤/退火步驟中學(xué)到的好處將用于其他工藝應(yīng)用。

東芝陶瓷公司使用高溫H2退火進(jìn)行氫去核，并作為高質(zhì)量Hi晶圓銷(xiāo)售給半導(dǎo)體制造商，如1993年5/6月的《日經(jīng)微器件》所報(bào)道。Gardner等人在1994年VLSI技術(shù)研討會(huì)上發(fā)表了AMD和Genus的聯(lián)合文章，題為"氫去核用于增強(qiáng)薄氧化物質(zhì)量、器件性能和潛在外延消除"。

在2010年代，研究發(fā)現(xiàn)氫退火還能減少線邊緣粗糙度，在硅側(cè)壁刻蝕鰭和硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后導(dǎo)致硅表面平滑。HF蒸氣刻蝕也被研究用于選擇性氧化物刻蝕，作為獨(dú)立和集成集群工具，但留下氟鈍化表面，如Borland在1992年雙極/BiCMOS電路和技術(shù)會(huì)議上報(bào)道和de Larios等人在1993年SSDM上報(bào)道。

英特爾的Weldon等人在1994年5月ECS會(huì)議上報(bào)告了"使用選擇性硅沉積的抬升源-漏用于亞半微米CMOS器件"。他們展示了表面預(yù)清潔處理對(duì)SEG抬升源/漏結(jié)構(gòu)表面粗糙度和面形成的影響，如圖15所示，輕微的源/漏下切消除了側(cè)壁面。圖15(a)說(shuō)明了SEG抬升源/漏結(jié)構(gòu)，顯示源/漏區(qū)域上的選擇性外延和柵極上的選擇性多晶硅。圖15(b)顯示了n+源/漏區(qū)域的掃描電子顯微鏡表面形貌，對(duì)于900°C 1分鐘H2烘烤顯示點(diǎn)狀SEG成核和生長(zhǎng)，對(duì)于950°C 1分鐘H2烘烤顯示均勻SEG生長(zhǎng)。圖15(c)顯示氧化物下切情況下沒(méi)有側(cè)壁面形成。

圖15(a)–(c)預(yù)清洗處理后提高的源/漏(S/D)表面質(zhì)量。

同時(shí)，對(duì)超淺結(jié)(USJ)形成也存在擔(dān)憂。北卡羅來(lái)納州立大學(xué)(NCSU)的一組研究人員，由Ozturk教授領(lǐng)導(dǎo)，在半導(dǎo)體研究公司-SEMATECH的資金支持下，研究了這些問(wèn)題，并從1999年開(kāi)始發(fā)表研究成果，展示了SEG用于源/漏工程如何將國(guó)家技術(shù)路線圖半導(dǎo)體(NTRS)路線圖擴(kuò)展到亞30納米節(jié)點(diǎn)。

他們的第一篇論文由Ban和Ozturk在1999年5月ECS研討會(huì)上關(guān)于快速熱處理進(jìn)展的報(bào)告，題為"使用選擇性生長(zhǎng)的原位硼摻雜硅薄膜的50-70nm CMOS超淺P+-N結(jié)"，實(shí)現(xiàn)了SEG源/漏B水平高達(dá)3E21/cm3，比硼在硅中的固體溶解度極限高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

一年后的2000年，NCSU研究小組將報(bào)告通過(guò)添加Ge形成SiGe合金然后添加硅凹槽刻蝕的改進(jìn)效果。

2000年代

NCSU在2000年的第一篇論文發(fā)表于ECS 2000年5月快速熱處理和其他短時(shí)間工藝技術(shù)研討會(huì)上，由Gannavaram和Ozturk撰寫(xiě)，題為"用于35-70 nm CMOS的選擇性沉積高濃度硼摻雜硅鍺薄膜制備的超淺P+-N結(jié)"。他們報(bào)告了S/D區(qū)域30 nm的凹槽刻蝕，隨后進(jìn)行原位硼摻雜SiGe（45-75%）。他們報(bào)告S/D區(qū)域的高SiGe壓縮應(yīng)變被1-5E21/cm3濃度的小型硼摻雜原子所補(bǔ)償；20% SiGe需要2.5% B，而80% SiGe需要10% B來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變補(bǔ)償。

七個(gè)月后，在IEDM-2000，Gannavaram等人的論文18.3介紹了一種新的CMOS S/D工藝技術(shù)，這一技術(shù)最終將摩爾定律延伸了另外二到三十年，直至2025年及以后。他們的論文標(biāo)題是"用于亞70納米CMOS的低溫（<800°C）凹槽結(jié)選擇性硅鍺源/漏技術(shù)"。

作者認(rèn)為這是他們關(guān)于S/D選擇性外延生長(zhǎng)的第一篇開(kāi)創(chuàng)性論文，因?yàn)樵撜撐闹赋鲞@項(xiàng)新技術(shù)滿足NTRS路線圖的要求：1）30納米結(jié)的Rs/Xj <100 Ω/sq，2）超低電阻率接觸（1.5×10-8 Ω-cm2），3）優(yōu)異的反向漏電特性，4）完美的盒形橫向陡峭度，以及5）使用傳統(tǒng)柵極后CMOS工藝流程與HK柵介質(zhì)的熱集成兼容性。

誰(shuí)能預(yù)見(jiàn)到七年后的2007年，英特爾將推出其45納米節(jié)點(diǎn)混合HK先/MG后技術(shù)，隨后在32納米節(jié)點(diǎn)采用HK/MG后工藝。NCSU提倡單一S/D CMOS晶體管設(shè)計(jì)，而不是傳統(tǒng)的淺源漏延伸區(qū)(SDE)或輕摻雜漏極(LDD)與深S/D結(jié)構(gòu)。凹槽硅刻蝕（等離子體刻蝕）深度將決定淺結(jié)深度，達(dá)到<30 nm。

為了將原位硼摻雜濃度從硅中2E20/cm3的固溶限提高到7E20/cm3，他們使用了選擇性SiGe合金沉積（45-66%），并提到SiGe引起的壓縮應(yīng)變被替位硼原子所補(bǔ)償/緩解，導(dǎo)致更高的摻雜劑摻入，正如他們?cè)?000年5月ECS論文中早先報(bào)告的那樣。圖16說(shuō)明了通過(guò)等離子體刻蝕的凹槽刻蝕步驟，然后進(jìn)行選擇性摻雜SiGe S/D。圖17所示的X-TEM分析顯示了用于USJ的24納米凹槽刻蝕。

圖16.源/漏凹槽刻蝕，隨后進(jìn)行選擇性硅鍺源/漏

圖17凹槽結(jié)選擇性硅鍺源/漏的橫截面透射電子顯微鏡圖

兩年后，在2002年10月ECS半導(dǎo)體硅研討會(huì)上，Ozturk等人的受邀論文"基于選擇性CVD SiGe合金的30納米以下CMOS技術(shù)節(jié)點(diǎn)新結(jié)技術(shù)"，我認(rèn)為這是他們的第二篇開(kāi)創(chuàng)性論文，因?yàn)樗枋隽嗽?003年英特爾90納米節(jié)點(diǎn)中可以找到的關(guān)鍵SiGe SEG工藝步驟。

S/D形成涉及將S/D區(qū)域凹槽刻蝕到所需的結(jié)深度，隨后進(jìn)行選擇性SiGe沉積，同時(shí)形成抬高的S/D結(jié)構(gòu)以改善接觸形成。他們使用鎳(Ni)形成鍺硅化物以獲得低接觸電阻。該論文還提到，在高溫結(jié)形成后需要HK/MG后工藝，這與英特爾在2007年推出的45納米節(jié)點(diǎn)混合HK先/MG后工藝非常相似。

英特爾90納米節(jié)點(diǎn)引入了pMOS的eSiGe S/D應(yīng)力器和nMOS的CVD應(yīng)力襯墊。正如英特爾的Ghani等人在2000年VLSI技術(shù)研討會(huì)上報(bào)告的，隨著溝道摻雜濃度增加到>2E18/cm3，雜質(zhì)散射占主導(dǎo)地位，需要溝道遷移率增強(qiáng)，如圖18所示。

圖18.溝道摻雜濃度對(duì)雜質(zhì)散射的影響

因此，圖19顯示了從90納米節(jié)點(diǎn)的平面結(jié)構(gòu)到22納米節(jié)點(diǎn)的3D FinFET的五代pMOS選擇性SiGe S/D應(yīng)力器，鍺含量從17%增加到55%，以及最佳柵極重疊/非重疊距離（+35 nm至-3 nm），這需要對(duì)英特爾Kuhn等人在IEDM-2012上報(bào)告的硅橫向凹槽刻蝕進(jìn)行關(guān)鍵控制。

圖19.SiGe濃度與柵極重疊的關(guān)系

垂直和橫向硅凹槽刻蝕步驟對(duì)于優(yōu)化柵極到S/D在溝道應(yīng)變上的重疊至關(guān)重要。德州儀器的研究人員報(bào)告了他們用于SDE應(yīng)變硅的SEG eSiGe活動(dòng)。為了控制凹槽刻蝕工藝，Mansoori在2002年Varian年度vTech技術(shù)研討會(huì)上報(bào)告了使用預(yù)非晶化注入(PAI)進(jìn)行各向同性選擇性刻蝕控制，隨后進(jìn)行選擇性Si-Ge-B沉積，如圖20所示。

圖20.使用PAI注入實(shí)現(xiàn)各向同性選擇性刻蝕控制

Chidambaran在vTech 2004上展示了高分辨率（晶格成像）X-TEM應(yīng)變硅分析結(jié)果，圖21顯示壓縮溝道區(qū)域和拉伸S/D區(qū)域。圖22顯示了德州儀器獨(dú)特的漏極延伸(DE) eSiGe工藝的橫向應(yīng)變模擬結(jié)果，該工藝比記錄中的S/D eSiGe工藝提供更高的溝道應(yīng)變。

圖21漏極延伸區(qū)SiGe應(yīng)力層的X-TEM分析

圖22.SiGe DE的橫向應(yīng)變模擬剖面圖

在2005年5月ECS會(huì)議上，Synopsys的Moroz報(bào)告了用于凹槽刻蝕選擇性外延的應(yīng)變硅器件模擬，pMOS使用SiGe，nMOS使用SiC，結(jié)合CVD應(yīng)力帽，如圖23所示：pMOS溝道橫向應(yīng)變高達(dá)-1,300 MPa，nMOS溝道橫向應(yīng)變?yōu)?400 MPa。

圖23.應(yīng)變硅的SiGe源/漏區(qū)P型MOS和SiC源/漏區(qū)N型MOS的模擬結(jié)果

英特爾在32納米節(jié)點(diǎn)繼續(xù)避免使用選擇性SiC S/D應(yīng)力器，而是使用作者稱(chēng)之為堆垛層錯(cuò)應(yīng)力器的技術(shù)，如圖24(a)所示，由Weber等人在其美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)"增強(qiáng)錯(cuò)位應(yīng)力晶體管"中報(bào)告。明治大學(xué)的Ogura小組告訴我，他們?nèi)绾螐臇|京秋葉原地區(qū)的電子商店購(gòu)買(mǎi)英特爾32納米芯片，并進(jìn)行了詳細(xì)的X-TEM分析、拉曼應(yīng)變分析和能量色散X射線(EDAX)化學(xué)分析，如圖24(b)、(c)和25所示，分別針對(duì)pMOS和nMOS。

圖24.(a)–(c)明治大學(xué)對(duì)英特爾32納米節(jié)點(diǎn)eSiGe型pMOS和堆垛層錯(cuò)應(yīng)力源nMOS的應(yīng)變分析

拉曼分析顯示，具有40% eSiGe S/D和0 nm柵極重疊的pMOS溝道應(yīng)變?yōu)?.75 GPa，而他們測(cè)量到具有堆垛層錯(cuò)應(yīng)力器的nMOS溝道應(yīng)變?yōu)?50 MPa，盡管英特爾專(zhuān)利提到了碳化硅材料。EDAX技術(shù)要求化學(xué)水平>2%至3%才能檢測(cè)到，Ge為藍(lán)色，Si為紅色，C為紫色，Ti為黃色（圖25）。32納米節(jié)點(diǎn)清晰顯示了HK/MG后多化學(xué)層組成。直到IBM在IEDM-2012上報(bào)告的22納米節(jié)點(diǎn)PD-SOI，選擇性SiC-S/D才用于平面CMOS，如圖26所示，它們采用了HK/MG先工藝。

圖25.(a)和(b)英特爾32納米節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)X-TEM和EDAX化學(xué)分析

圖26IBM采用雙重硅鍺和碳化硅源/漏應(yīng)力技術(shù)的22納米節(jié)點(diǎn)PD-SOI

2010年代

英特爾在2011年以22納米節(jié)點(diǎn)引入了3D FinFET器件架構(gòu)，采用類(lèi)似STI的鰭先方法，使用刻蝕的硅臺(tái)結(jié)構(gòu)和SEG eSiGe S/D應(yīng)力器，如圖2所示。如前面圖25所示，EDAX用于晶體管的化學(xué)分析是一種強(qiáng)大的工具。

2013年，明治大學(xué)的Ogura小組檢查了英特爾22納米FinFET，如圖27所示。nMOS鰭區(qū)域顯示有As（圖27中的綠色）、P（圖27中的橙色）和C（圖27中的紅色）注入的證據(jù)，而pMOS鰭區(qū)域顯示綠色的Ge-S/D（圖27）。S/D區(qū)域沒(méi)有選擇性SiC外延的證據(jù)。

圖27. Intel 22納米鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)的EDAX化學(xué)分析，顯示了用于nMOS的P、As和C元素注入的證據(jù)

在FinFET 14納米節(jié)點(diǎn)，凹槽刻蝕選擇性外延SiCP S/D用于nMOS終于成為塊狀CMOS技術(shù)的主流。圖28中的X-TEM分析顯示了雙SEG S/D應(yīng)力器，這是由Chipworks的James在2015年Semicon/West AVS-西海岸結(jié)技術(shù)用戶組會(huì)議上報(bào)告的。這顯示了三星Galaxy S6中使用的三星Exynos 7420應(yīng)用處理器；注意選擇性S/D結(jié)構(gòu)是合并的，限制了用于金屬接觸形成的頂部表面。

2020年代

行業(yè)計(jì)劃在亞3納米節(jié)點(diǎn)遷移到3D GAA納米片器件，三星在3納米節(jié)點(diǎn)率先采用。對(duì)于環(huán)繞接觸(WAC)，使用SEG eSiGe-B用于pMOS和eSiC-P用于nMOS S/D變得至關(guān)重要，如圖3所示。這將持續(xù)到下一個(gè)十年，正如英特爾的Huang等人在他們的堆疊CMOS叉形片美國(guó)專(zhuān)利中報(bào)告的那樣，如圖29所示，該專(zhuān)利使用SEG實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞n+和p+接觸。

圖29.英特爾CMOS堆疊叉形片專(zhuān)利，展示SEG-S/D環(huán)繞接觸點(diǎn)

圖29中的"柵極上切割"圖像清晰地顯示了堆疊CMOS納米片器件的菱形SEG-WAC結(jié)構(gòu)。如Gluschenkov等人在2023年國(guó)際結(jié)技術(shù)研討會(huì)上報(bào)告并在圖30中說(shuō)明的那樣，接觸電阻變得至關(guān)重要，因?yàn)樵诃h(huán)繞接觸中金屬只接觸SEG-WAC結(jié)構(gòu)的頂部表面。

圖30.改善SEG-S/D的接觸電阻

他們報(bào)告，金屬到S/D界面的低接觸電阻在堆疊CMOS中將變得更加關(guān)鍵和具有挑戰(zhàn)性，需要新的先進(jìn)退火和表面材料修飾/工程技術(shù)。一個(gè)例子是他們的選擇性"溝槽"外延工藝，如圖31所示，旨在改善接觸電阻，由Xie等人和Gluschenkov等人在IEDM-2016上報(bào)告。

圖31.IBM選擇性溝槽外延優(yōu)化接觸電阻：(a)鍺選擇性外延生長(zhǎng)(Ge-SEG)，(b)橫截面透射電子顯微鏡(X-TEM)，(c)能量色散X射線光譜(EDX)

圖31(a)說(shuō)明了在接觸開(kāi)口底部的選擇性Ge"溝槽"外延；圖31(b)顯示了X-TEM暗場(chǎng)圖像，圖31(c)顯示了EDX元素映射，展示了Ge:III族金屬合金。英特爾的Agrawal等人在他們2020年IEDM論文中為納米片pMOS顯示的圖32中，在選擇性SiGe S/D WAC頂部有一個(gè)p++帽層，用于低接觸電阻。注意他們展示了尖端(SDE)優(yōu)化以獲得低延伸電阻。

圖32.英特爾使用p++帽層以獲得低接觸電阻

結(jié)論??

自1962年在《自然》雜志上首次發(fā)表以來(lái)，硅SEG技術(shù)現(xiàn)已有61年歷史。用于CMOS S/D應(yīng)力器的應(yīng)用已有20年，于2003年隨英特爾90納米節(jié)點(diǎn)技術(shù)引入。隨著向3D堆疊CMOS器件的遷移，SEG技術(shù)用于環(huán)繞接觸的預(yù)期壽命應(yīng)該會(huì)延長(zhǎng)到2030年代的另一個(gè)十年。