论文部分内容阅读
为了使集成电路按照摩尔定律继续发展下去,新工艺、新结构与新材料等在半导体器件中得到了应用。高迁移率器件就是在新材料方面的一种探索,它使用具有更高载流子迁移率的材料作为器件沟道。与Si材料相比,Ge材料的电子与空穴迁移率分别高出3倍与4倍,且Ge基器件的制备工艺与现有成熟的平面Si工艺相兼容,被视为高迁移率器件的理想材料。除此之外,较于MOSFET而言,TFET器件利用栅极可调节“带带隧穿”这一工作机制,可实现低电压下更陡峭的亚阈值摆幅和较高的开关电流比,是实现超低工作电压和超低功耗集成电路的备选逻辑器件。而Ge材料的带隙为0.67eV,相较于Si要小很多,有利于TFET器件克服其开态电流较小的不利因素,使其成为TFET器件较为理想的可选材料之一。本文根据Ge基MOSFET和TFET现今所面临的困难与挑战,提出了具有新型器件结构的Ge基MOSFET和TFET,并进行了深入的理论研究和实验验证。包括:1.Si基Ge外延材料制备的关键工艺研究与材料表征;2.具有P型衬底的全耗尽型Ge基MOSFET与具有场板结构的全耗尽型Ge基MOSFET工作机理分析、器件结构设计和参数优化;3.具有场板结构的Ge基MOSFET的制备流程设计、关键工艺优化以及器件制备;4.具有场板结构的Ge基MOSFET的器件性能测试与结果分析;5.具有场板结构的Ge基TFET工作机理分析、器件结构设计和参数优化。本文的主要工作具有以下创新之处:1)提出了两种新型的Ge基MOSFET器件结构,有效地抑制了漏致势垒降低（DIBL）效应与栅致漏电流增强（GIDL）效应等非理想因素。对全耗尽型Ge基MOSFET器件进行了深入研究,为了有效抑制全耗尽型Ge基MOSFET器件的DIBL效应,本文提出了一种具有P型衬底结构的Ge基MOSFET器件结构,该结构可使阈值电压的漂移由0.25V降低至0.15V,并使器件的关态电流降低了两个数量级,亚阈值摆幅达到了76.8mV/dec。为了有效抑制全耗尽型Ge基MOSFET器件的GIDL效应,本文提出了一种具有场板电极的Ge基MOSFET器件结构,该结构可以将全耗尽型Ge基MOSFET器件的关态电流减小约2个数量级,其关态电流达到了2.1×10-10A·μm-1、开关电流比达到了2.57×107。2)优化了具有场板电极的Ge基MOSFET器件的工艺流程与工艺参数,制备出了器件样品,测试结果验证了场板结构具有有效的抑制Ge基MOSFET的GIDL效应的作用。针对场板电极的特点,设计优化了具有场板电极的新型Ge基MOSFET器件的制备工艺流程,对离子注入及高温退火等关键工艺及参数、以及场板电极实现方法进行了优化,基于该工艺制备出了器件样品。样品测试结果表明,场板结构可以有效地抑制Ge基MOSFET在负栅压时的栅致漏电流增强效应,并将其关态电流减小了60%,从而提高了开关电流比。通过对具有不同场板尺寸的FP MOSFET进行对比,发现场板宽度WFP的增加使FP MOSFET的电流开关比Ion/Ioff增大了超过一倍;通过对具有不同场板偏置的FP MOSFET进行对比,发现当场板电极偏置为0V时FP MOSFET具有最优的电学特性,器件开关比可达1.7×104,为器件电学特性的优化提供了有力的支撑。3)提出了具有较大开态电流与电流开关比的新型Ge基TFET器件结构。在对Ge基TFET器件进行了深入研究的基础上,提出了全耗尽型Ge基双栅TFET器件结构。与传统Ge基双栅TFET比较,该器件结构可改善沟道中的电场均匀性,有效地增加了开态时的隧穿面积。仿真结果表明,其开态电流和电流开关比Ion/Ioff较传统Ge基双栅TFET结构提升了1个数量级,亚阈值摆幅从42.2mV/dec降低至26.4mV/dec。在以上研究的基础上,提出了具有场板电极的全耗尽Ge1-xSnx N型TFET结构。仿真结果表明,器件的开态电流达到了4.6×10-5A·μm-1,关态电流为1.6×10-13A·μm-1,最大开关电流比达到了2.9×108,验证了全耗尽型Ge基TFET可通过采用场板结构有效地抑制其栅致漏电流增强效应。论文对新型Ge基MOSFET与TFET进行了深入的研究,相关成果可以为后续高迁移率器件的研究与应用提供有益的理论基础和借鉴意义。可以预见,本论文及其后续的研究,将推进Ge基MOSFET与Ge基TFET电流开关比、亚阈值摆幅、开态电流与器件可靠性等关键电学性能的进一步提升,对推动我国半导体行业的发展具有重要的意义。