Till innehåll på sidan

Germanium layer transfer and device fabrication for monolithic 3D integration

Tid: Fr 2021-05-21 kl 13.00

Plats: zoom link for online defense (English)

Respondent: Ahmad Abedin , Elektronik och inbyggda system, Electronics

Opponent: Professor Cor Claeys,

Handledare: Professor Mikael Östling, Elektronik och inbyggda system

Exportera till kalender

Abstract

Sakernas internet (eng. Internet of Things, IoT) driver halvledarindustrinmot tillverkning av högprestanda komponenter och kretsar med flertal funk-tionaliteter. Å ena sidan skalas komponenter ned till storlekar där ytterligarenedskalning blir teknologiskt svårt och ekonomiskt utmanande. Å andra si-dan är dagens elektronik inte längre begränsad till kretsar för databehandling.För att sakernas internet ska fungera behöver sensorer, processorer, styrdon,datorminne och även energilagringsenheter integreras på ett effektivt sätt i ge-mensamma chip. Monolitisk 3-dimensionell integration (M3D) baseras på attstapla olika komponentnivåer på varandra. Detta tillvägagångssätt är en avdem mest lovande metoderna för att förbättra kretsarnas prestanda. Prestan-dan förbättras genom att förkorta elektriska ledare och minska fördröjningen iledarna. Att ha flera komponentnivåer möjliggör integration av komponenter,som kan använda sig av olika material med högkvalitetsegenskaper för olikatillämpningar och funktioner, i ett enda chip. De stora utmaningarna för M3Där högkvalitétsöverföring av skikt och begränsad processtemperatursbudget.Germanium (Ge) anses vara det bästa materialet för att ersätta kisel (Si) somkanalmaterial i p-typs fälteffektstransistorer (pFET) tack vare dess höga hål-mobilitet. Vidare anses germanium lovande för M3D-integration tack germa-niumtransistorernas jämförelsevisa låga processtemperatur mot motsvarandekiseltransistorer. Dock har tillverkning av germanium-på-isolator (eng. germa-nium on insulator, GOI) flera utmaningar: tjockleken på germaniumskiktetmåste vara jämnt över skivan, dopningen måste vara låg och gränssnittet motden begravda oxiden (eng. buried oxide, BOX) måste vara tillräckligt god.I denna avhandling används skivbondning vid låg temperatur och tillbaka-etsför att tillverka GOI-substrat för M3D-tillämpningar. En unik stapling av epi-taxiellt växta skikt har designats och tillverkats för detta ändamål. Skiktstap-lingen innehåller ett relaxerad bufferskikt av germanium, ett etsstoppsskiktav kiselgermanium (SiGe) och ett toppskikt av germanium som i slutändanöverförs till en hanteringsskiva. Skivorna direktbondas vid rumstemperatur,och offerskivan togs bort genom flera etssteg som lämnar 20 nm germanium påisolator med utmärkt tjockleksjämnhet över skivan. Germaniumtransistorertillverkades på GOI-substrat och mättes elektriskt för att utvärdera skiktkva-litén. Epitaxiellt växt av högdopat SiGe och sub-nanometer kiseltäckeskikt(eng. silicon cap layer) utforskades som alternativ för germaniumtransistorermed förbättrad prestanda.Bufferskikt av germanium togs fram med två-stegs deponeringsteknik vilketgav resultatet att defekttätheten var107cm−3och ytruffighet var 0,5 nm.TöjtSi0,5Ge0,5-skikt med hög kristallkvalité växtes epitaxiellt vid tempera-turer lägre än 450°C. Skiktet, som infogades mellan bufferskiktet av germa-nium och toppskiktet av 20-nm tjockt germanium, användes som etsstoppi tillbaka-etsprocessen. En mycket selektiv etsmetod utvecklades för att tabort den 3-μm tjocka bufferskiktet av germanium och den 10-nm tjockaSi0,5Ge0,5-skiktet utan att skada den 20-nm tjocka germaniumtoppskiktet.För att tillverkningen av germaniumtransistorerna ska var kompatibla medM3D-integration så tillverkades dem vid en temperatur lägre än 600°C. Kom- ponentens baksidesgränsnitt (Ge/BOX-gränssnittet) var utarmat vidVBG=0V, vilket bekräftar att både den fixa laddningstätheten vid gränssnittet ochdopningen var lågt. Germaniumtransistorerna hade 70 % avkastning över helaskivan och uppvisade 60 % högre kanalmobilitet än motsvarande komponenteri kisel. In-situ dopat SiGe-skikt med dopningskoncentration på2.5×1019cm−3och resistivitet på 3.5 mcm växtes selektivt på germanium för att förbättrakäll- och dräneringsövergångsbildningen. Den unika staplingen av grinddie-lektrikaGe/Si/T mSiO/T m2O3/Hf O2/T iNsom togs fram i denna avhand-ling uppvisade en gränssnittsfälltäthet på3×1011eV−1cm−2och en hyste-res på låga 3 mV vid ett pålagt elektriskt fält över grinddielektrikastapelnpå 4 MV/cm, vilket motsvarar en oxidfälltäthet på1.5×1010cm−2. Dessaresultat visar att denna grinddielektrikastapel kan potentiellt minska germa-niumtransistorernas undertröskelsving samtidigt som den förbättrar tillförlit-ligheten. Metoderna som har tagits fram i denna avhandling är lämpliga förstorskalig M3D-integration av germaniumtransistorer på en kiselplattform.Den unika skiktöverföringmetoden av germanium och tillbaka-ets teknikenresulterade i tillverkningen av GOI-substrat med god tjockleksjämnhet, lågdopning och tillräckligt god Ge/BOX-gränssnitt. Processtemperaturerna förgermanium-överföring och transistortillverkning hålls inom ramarna för M3D-integrationens temperaturbudget. Integration av SiGe-skikt i käll/dränerings-områden och kiseltäcket för grinddielektrikumbildning kan öka komponent-prestanda och tillförlitlighet.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-293970