Epitaxial growth and processing of high-aspect ratio InGaAs fins for advanced MOSFETs

Abstract

In this thesis, InGaAs fins with vertical sidewalls consisting of {110} facets were epitaxially grown on InP(111)B substrates using metalorganic vapor phase epitaxy. A lithography patterned hydrogen silsesquixane growth mask was used to promote the formation of vertical {110} facets during the growth. The relative growth rate of the {111B} and {110} facets was controlled by the input V/III ratio in the gas phase. It was found that for low V/III ratios, high InGaAs fins with minimal mask overgrowth could be grown. Facet selective growth of InGaAs fins on InP(111)B can thus be used to fabricate the channel in modern fin field-effect transistors (FinFETs). Prior to the growth of InGaAs fins, the chemical composition of epitaxially grown InGaAs films on different InP substrates was measured using reciprocal space mapping. The purpose of this was to calibrate the InGaAs growth in terms of chemical composition on various crystal facets. Several thin InGaAs films were grown at 600 C using trimethyl gallium, trimethyl indium, and arsine. The results revealed that the chemical composition of InGaAs on InP(111)B, InP(110), and InP(001) differed considerably when grown during identical conditions. It was found that thin InGaAs films of good crystal quality could be grown on InP(111)B and InP(001) during these conditions. The growth on InP(110) during the same conditions resulted in relaxed gallium rich InGaAs films.

Popular Abstract (Swedish)

Moderna elektronikprylar så som mobiltelefoner, datorer och surfplattor innehåller flera integrerade kretsar vars uppgifter varierar. En dator har till exempel en viss integrerad krets, kallad processor, vars uppgift är att uföra beräkningar och att driva operativsystemet. Samma dator innehåller även ytterliggare integrerade kretsar vars uppgifter kan vara att behandla grafik, ljud och trådlös kommunikation. Det behövs alltså många olika kretsar för att en dator ska fungera.

Vad alla dessa kretsar har gemensamt är att de innehåller flera miljoner (ibland miljarder) elektriska komponenter som kan bindas samman på en yta lika liten som en enkrona. Dessa elektriska komponenter kallas transistorer och kan användas för att förstärka eller för att styra elektriska signaler. Transistorns egenskaper tillåter den att styra små elektriska signaler baserat på en styrsignal. Man kan exempelvis stänga av eller sätta igång en transistor med hjälp av en styrsignal och detta kan göras flera miljarder gånger på en enda sekund! Man kan därför skapa väldigt stora nätverk av miljardtals sammankopplade transistorer på väldigt små ytor. Samspelet mellan de sammankopplade transistorerna som stängs av eller sätts igång flera miljarder gånger per sekund kan användas för att utföra beräkningar. Beräkningar i datorvärlden utförs med hjälp av det binära talsystemet som endast inehåller ettor och nollor. Transistorernas uppgift är därför att representera långa kombinationer av ettor och nollor som sedan kan omvandlas till det decimala talsystemet, det talsystem som människor är vana vid. En nolla i datorvärlden representeras av en avstängd transistor medan en etta representeras av en transistor som är igång. Ett nätverk av transistorer kan därför utföra tunga beräkningar väldigt snabbt eftersom varje transistor i nätverket kan stängas av och sättas igång flera miljarder gånger per sekund.

Okej visst, men hur kan så många transistorer få plats på en så liten yta? Jo, tricket är att man tillverkar alla transistorerna på en och samma gång på en liten platta. Man behöver alltså inte tillverka enstaka transistorer för att sedan koppla samman dem. I princip så ”printar” man små mönster på plattor av halvledande material som man sedan behandlar i olika processer. Med dagens teknik kan man printa mycket små mönster med hjälp av litografiska metoder där mönsterna ibland kan vara så små som 10 nanometer (10 miljarddelar av en meter). Denna process upprepas flera gånger varimellan plattorna behandlas för att till slut innehålla färdiga sammankopplade transistorer.

Syftet med detta arbete är att undersöka en ny metod för att tillverka transistorer. Grundprincipen är fortfarande densamma, att man printar ett mönster på en platta som man sedan behandlar. Det finns dock många olika sätt att behandla plattorna på som resulterar i olika typer av transistorer som fungerar olika bra (beroende på användingsområdet). Detta projekt involverar inte traditionella plattor utav kisel utan plattor av indiumfosfid (InP) som är en legering av indium och fosfor. Poängen är att printa ett mönster på InP-plattorna och sedan växa ett nytt halvledande material som kallas indiumgalliumarsenid (InGaAs). InGaAs är en legering av indium, gallium och arsenik och har mycket goda elektriska egenskaper vilket är fördelaktigt för transistorer.

Att växa InGaAs på en InP-platta innebär att man värmer upp InP-plattan till 600 C i en ugn samtidigt som man leder in gaser i ugnen som består av kemiska föreningar mellan indium, gallium och arsenik. Den höga temperaturen i ugnen leder till att de kemiska föreningarna bryts ner varefter fria atomer av indium, gallium och arseink fastnar på InP-plattan och bildar InGaAs. Beroende på hur man printar InP-plattan kan man få InGaAs att växa lite som man vill. Målet med detta projektet är att växa ”fenor” av InGaAs som kan användas till den elektriskt ledande kanalen i transistorer. InGaAs fenor kan liknas vid långa tredimensionella linjer som löper längs med ytan på en InP-platta och utgör själva grunden för transistorerna. Att bygga transistorer utav fenor är inget nytt då de flesta transistorer som tillverkas idag består av fenor, dock utav kisel och inte InGaAs.

Anledningen till att detta projekt utförs är att bidra till skapandet av nya, snabba och energisnåla transistorer. Att utveckla snabbare och mer energisnåla transistorer är av stort intresse eftersom det till exempel möjliggör ytterliggare beräkningskraft och längre batteritid för bärbara enheter.

• author: Malmgren, Andreas
• supervisor: Mattias Borg
• organization: Department of Physics; Solid State Physics
• course: FYSM60 20171
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering; Physics and Astronomy
• keywords: FinFET, metalorganic vapor phase epitaxy, reciprocal space mapping
• language: English
• id: 8914079
• date added to LUP: 2017-06-12 13:15:06
• date last changed: 2017-06-12 13:15:06