垂直堆叠结构的高电子迁移率晶体管

垂直堆叠式高迁移率通道晶体管

随着现代高科技发展,自动驾驶为未来智能终端的趋势。然而,自动驾驶技术需要有高效能与低功率的晶片来处理即时运算以确保安全问题,为满足此要求,晶片中的晶体管扮演非常重要的角色。台湾大学前瞻性硅元件与制造实验室则致力于研究高效能且低功耗的晶体管

垂直堆叠式高迁移率通道晶体管

闸极环绕结构因对通道有优良的控制能力,使得元件更节能省电,具有潜力成为FinFET下一代的结构。垂直堆叠通道能提供更大的驱动电流,在未来技术节点中,具备更高效能与占面积小的优势。锗(硅锗)与硅相比,有更高的迁移率,若当作通道材料,可进一步提高元件效能。因此,台湾大学刘致为团队在2019 IEDM中展示了垂直堆叠拉伸应变锗硅(Ge 0.98 Si 0.02 )N型闸极环绕式晶体管。

在磊晶层中,锗缓冲层在绝缘体上硅(SOI)后会经过摄氏800度的退火,限制失配误差排于锗/硅介面,增加磊晶层的品质。在摄氏350度低温条件中成长堆叠型锗/锗硅磊晶结构,因为锗与硅热膨胀系数不同,在摄氏800度的退火时,使锗有0.12% 拉伸应变,并使锗硅通道磊晶层达到0.2%拉伸应变。只有2%硅在锗硅通道,可确保电子在L valleys中且有最小的合金散射,锗硅通道无掺杂以提升电子迁移率,锗牺牲层有着高磷掺杂以降低源/汲极之电阻,并借良好的光致发光以确保磊晶层有良好的品质。

在摄氏60度条件下,利用TMAH搭配超音波辅助可完整移除锗缓冲层下的硅寄生通道。利用双氧水搭配超音波辅助可完整移除锗缓冲层与锗牺牲层,最终形成两根垂直堆叠锗硅纳米线且无寄生通道。在通道形成后,单轴拉伸应变会增加至0.27%,因此,预估锗硅(Ge 0.98 Si 0.02 )有较松弛(Relaxed)锗高1.3倍的电子迁移率。

经过金属后退火的元件会有阈值电压往负偏移的现象,阈值电压调整至零伏对低功率应用有较大的优势。优化电子束曝光光罩,缩短通道长度至40纳米,并增加通道截面积,经过摄氏500度金属后退火,在过驱电压与汲极电压等于0.5伏特时,此元件驱动电流可达48微安培(与较小通道截面积、通道长度60纳米元件相比,有3.2倍的增益),其最大电导可达136微西门子(有3.4倍的增益)。大截面积的元件相比小截面积元件需要更负的闸极电压来完整地排空通道。在锗N型晶体管中,此大通道截面积元件有最高的驱动电流且可与硅N型晶体管相比,并拥有(最大电导/次临限摆幅)=8.3之最高值。

据此结果,团队提出一种非破坏性光学方法来检测锗硅通道下是否有寄生通道的存在,在1310纳米红外线照光下,没有寄生通道的元件会有阈值电压向负偏移的现象,然而有锗寄生通道的元件则产生光电流。此种光学检测方法结果与扫描电子显微镜之显示结果一致。

在锗N型电晶体中,此元件有优良的电特性(最高的驱动电流、最大电导/次临限摆幅=8.3),高锗含量锗硅(Ge 0.98 Si 0.02 )通道即由L valleys传导与0.27%拉伸应变大幅提升驱动电流,则此元件效能可与硅通道元件相媲美。

作者简介:台湾大学 刘致为

研究领域:以优异的CVD磊晶技术,研发SiGe/GeSn元件、stacked 3D电晶体、MTJ/DRAM存储器、IGZO TFT、及光电元件。创下了硅电子迁移率世界纪录2,400,000 ((cm)^2)/Vs;将CVD GeSn通道的电洞迁移率超越MBE磊晶。制作出第一个stacked GeSi(n)/GeSn(p)channels、及Si/SiGe/SiC MIS LED/detector。发明tree晶体管,超越FinFET与stacked GAA。

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