Doorbraak op het gebied van depositie maakt de ontwikkeling van 120-lagige 3D DRAM met hoge dichtheid mogelijk

Onderzoekers van imec en de Universiteit Gent hebben gedemonstreerd een methode voor het kweken van 120 afwisselende lagen silicium en silicium-germanium op 300mm wafers ter ondersteuning van de ontwikkeling van driedimensionaal DRAM. Elke stapel bestaat uit ongeveer 65 nanometer silicium en 10 nanometer silicium-germanium met 20 procent germanium, 120 keer herhaald. De binnenste wafer blijft volledig gespannen, wat belangrijk is voor de opbrengst van het apparaat. De meeste dislocaties die niet goed passen komen voor bij de rand van de wafer, waar de afschuining ontspanning mogelijk maakt.

Om deze kanalen te maken zijn silicium-germaniumlagen nodig die selectief geëtst kunnen worden, daarom kozen ze voor een samenstelling van 20 procent germanium. De resultaten van het team tonen aan dat het bouwen van meer dan 100 bilagen haalbaar is op wafers van productieformaat, waardoor een hogere geheugendichtheid mogelijk wordt.

Om dit te bereiken, paste het team zijn proces aan om de interfaces scherp te houden en vermenging tussen de lagen te beperken, en toch een goede verwerkingscapaciteit te behouden. Ze gebruikten CVD onder verlaagde druk in ASM Intrepid-gereedschappen, waarbij silicium met silaan bij ongeveer 675 graden Celsius en silicium-germanium met dichloorsilaan en germaan werd gegroeid. Secondaire-ionmassaspectrometrie vergeleek een normale stapel met een stapel die net zo lang heet werd gehouden als 60 extra bilagen nodig zouden hebben. De germaniumprofielen kwamen overeen, waaruit bleek dat er zeer weinig vermenging was tussen silicium en silicium-germanium onder deze omstandigheden.

Het beheren van defecten was ook van cruciaal belang. Röntgendiffractie met hoge resolutie en TEM met dwarsdoorsnede toonden aan dat het superrooster binnenin de wafer volledig gespannen bleef, en dat er geen dislocaties met draden werden gevonden. Hoewel de totale silicium-germaniumdikte ongeveer 1,2 micrometer is, aanzienlijk meer dan de gebruikelijke kritieke dikte voor een enkele laag, zorgden het meerlaagse ontwerp en de schone groei ervoor dat het stabiel bleef. Waar de rek ontspannen is, dicht bij de rand, schrijven de auteurs dit toe aan het afschuiningseffect en stellen voor om de roosterafwijking te verminderen door het germaniumgehalte te verlagen of een kleine hoeveelheid koolstof toe te voegen. Ze controleerden ook de buiging van de wafer en brachten, indien nodig, een druknitride laag aan op de achterkant, na de voorkant beschermd te hebben.

Uniformiteitsproblemen bij het aanbrengen van lagen waren een belangrijk aandachtspunt voor het team. In het artikel worden veranderingen in laagdikte en niet-uniformiteit in dikke stapels in verband gebracht met temperatuurverschuivingen die veroorzaakt worden door ongewenste opbouw op de kwartsbuis van de reactor, wat invloed heeft op hoe de lampen de kamer verwarmen. Een nieuwer instrument met actieve temperatuurregeling voor de buis verminderde deze afwijking, waardoor zowel de uniformiteit tussen de lagen onderling als de consistentie tussen de lagen verbeterde. Ter vergelijking, geoptimaliseerde runs met één laag hadden diktevariaties onder ongeveer 1,3 procent, terwijl zeer dikke kapstructuren dat verhoogden tot ongeveer 1,8 procent, waarbij de rand het gevoeligst was. De analyse rapporteert interfacediktes in de orde van een paar nanometer, met interfaces aan de onderkant van de stapel rond ~2,6-2,9 nanometer en scherpere overgangen hogerop, wat overeenkomt met verminderde segregatie en interdiffusie bij de gekozen temperatuur en chemie. Deze microscopieresultaten komen overeen met röntgensatellietpieken die goed gesoldeerd blijven en verticaal uitgelijnd zijn met de substraatpiek, een andere indicator van een coherent, gespannen superrooster.