高性能锗集成电路元件闸极与通道工程

高性能锗集成电路元件闸极与通道工程

金属-氧化层-半导体-场效,简称金氧半场效晶体管。金氧半场效晶体管(MOSFET)是集成电路(IC)中最常见的半导体元件。MOSFET的通道和闸极堆叠研究开发是实现高性能IC的关键技术。据文献报导,SiGe超晶格(SL)通道可以增强MOSFET中的载子迁移率,因此本研究探讨具有SiGe和类似SiGe SL通道的鳍式场效晶体管(FinFET)电特性,研究结果显示,SL结构增强了具有SiGe通道的n型FinFET电子迁移率,还实现了更高的导电和导通/关闭电流比。此外,通过在GeO 2界面层(IL)上进行氢电浆(H*)处理,可以在p基底Ge (pGe)金氧半(MOS)元件中同时实现低等效氧化层厚度和低闸极漏电流密度。研究发现GeO 2 IL中低氧化态的GeOx去除对pGe MOS元件的电特性有非常重要的影响。通过H*处理,具有高氧化态的GeO 2 IL改善了电特性和可靠性,因此,SiGe SL通道和经过H*处理的GeO 2 IL很有机会应用于实现高性能Ge MOS元件。


高性能锗集成电路元件闸极与通道工程

金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)是最常见的半导体元件,也是最常见的功率元件。它是第一个真正的小型晶体管,经由小型化和批量生产可以实现广泛的应用,其小型化和微小化也一直在促进集成电路(IC)技术指数增长。MOSFET中需要具有高载子迁移率的通道和具有低等效氧化层厚度(EOT)的闸极介电层,以实现高性能IC。因此,通道和闸极堆叠工程的研究与开发是实现高性能IC元件最关键制造技术。

鳍式场效晶体管(FinFET)已超越一般平面MOSFET元件而被广泛应用,以遵循摩尔定律。然而,对于Si基材的FinFET技术,载子迁移率仍然是最重要的问题。由于Ge可以提供较Si高的载子迁移率,因此使用Si / Ge异质结构通道可以实现高性能MOSFET。但是由于Si / Ge异质结构通道很难在鳍型通道表面上磊晶成长,因此很少在FinFET上使用。磊晶硅锗(Epi-SiGe)通道厚度如果大于其临界厚度,则可能会在SiGe通道中产生缺陷。文献指出,以SiGe超晶格(SL)结构用作MOSFET的元件通道,将获得具有更少缺陷和更好界面品质的通道,因为SL结构中每个Epi-Si / Ge都非常薄,且低于Epi-Si / Ge临界厚度,因此,SiGe SL通道可以提高MOSFET的载子迁移率;然而却很少文献报导SiGe在n型通道FinFET的应用。

除此之外,通过O 2后电浆氧化处理Ge金氧半(MOS)元件实现了低EOT,但是GeO 2界面层(IL)也可能限制了EOT的缩减。随着EOT值缩小到0.6 nm,闸极漏电流密度(J G )将十分高。与GeO 2相比,低氧化态的GeOx具有较小的能隙且可能使J G增加。另外,当在Ge基底表面上没有保留GeO 2 IL时,界面品质可能显著降低或表面粗糙度增加,因此,GeO 2 IL工程是实现低EOT和J G并提高Ge MOS元件界面品质的最关键制造。由于GeO 2是一种热不稳定材料,很容易分解为GeOx(12 IL中氧化态(Ge +1,Ge +2,Ge +3,Ge +4)的分布不均匀,也就是具有低氧化态的GeOx键主要位于GeO 2 IL的顶部或底部区域,而具有高氧化态的GeOx分布在GeO 2 IL的中间区域。因此使用氢电浆(H*)或氢气处理来清洁Ge表面或去除自然生成的GeOx,在低功率和低温环境下进行电浆处理,可以有效地去除自然生成的GeOx。首先将GeO 2热生长为Ge MOS元件的IL,再通过H *处理,使GeO 2 IL变薄,并且同时去除IL顶部区域中具有低氧化态的GeOx。

总而言之,具有SiGe SL通道的FinFET元件显示出更高的电子迁移率,以及导通电流和导通/关闭电流比。此外,在热生长的GeO 2 IL上进行H*处理,可以同时实现低EOT,低J G,低频率分散,低边界陷阱密度和更好的元件可靠性,也不影响磁滞和界面陷阱特性。因此,SiGe SL通道和GeOx IL上的H *处理将很有希望应用于高性能Ge MOS元件制造。

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作者简介:张廖贵术教授任职于国立清华大学工程与系统科学系,研究专长为超大型集成电路与快闪内存元件与制造。

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