Research progress in Ge-based advanced field effect transistor technology

Abstract

摘要 传统硅 (Si) 基集成电路制造工艺已经进入 7 nm 节点, 继续减小器件尺寸变得愈发困难. 半导 体材料锗 (Ge), 具有比硅更高的载流子迁移率, 能够实现器件性能的大幅提升. 本文从栅极堆垛 (gate stack)、源漏工程 (source/drain engineering) 和新器件结构 (new device structures) 3 个角度总结了 Ge 器件的最新研究成果. 研究表明, 锗沟道器件中诸多关键科学和工程问题仍未得到有效解决, 从基本的 器件制备工艺到深层次的器件物理问题都亟待深入研究与克服. 但是, Ge 器件是未来集成电路 5 nm 及以下技术节点最有希望的发展方向. 关键词 锗, 栅极堆垛, 源漏技术, 新器件结构 1 引言 金属-氧化物-半导体场效应晶体管 (metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET) 是现代集成电路的基础. 目前量产级的 Si MOSFET 技术节点已经达到 7 nm, 进一步缩短沟道长度将 导致器件出现一系列负面现象 (短沟道效应、功耗升高等) (图 1(a)) [1∼3]. 尽管 Intel 公司开发了鳍式 晶体管 (FinFET), 增强了器件栅极的静电控制能力, 一定程度上抑制了短沟道效应 (图 1(b)) [4] , 但是 随着技术节点的不断推进, 上述问题还是越来越严重, 器件性能提升面临着严峻的挑战. 为了提升器件的电学性能, 产业界和学术界从新材料和新结构两方面提出了可能的解决方案. 从 引入新沟道材料角度看, 采用更高载流子迁移率的半导体材料作为器件沟道, 能够在不改变器件结构 和尺寸的情况下获得更大的驱动电流 I D , 这一技术路线已经在 90 nm 技术节点中得到了验证 [5]. 国 际上各大半导体厂商 (Intel, IBM, TSMC 等) 和诸多科研机构 (斯坦福大学 (Stanford University)、麻