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基于高迁移率材料InGaAs与Ge的MOSFET器件设计与电学特性研究

批准号:
62104102
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
唐晓雨
依托单位:
学科分类:
集成电路器件、制造与封装
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
唐晓雨

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
集成电路发展到了纳米尺度后,传统Si基MOSFET尺寸等比例缩小很难满足进一步提高性能和降低功耗的需求。在晶体管中引入高迁移率新沟道材料InGaAs和Ge被认为是继续提高晶体管性能的解决方案之一。本项目旨在研究异质集成InGaAs和Ge MOSFET器件的工作机理和优化设计,通过新材料使用和结构创新,克服InGaAs与Ge异质集成的困难,完成CMOS反相器电路设计;并且通过采用高迁移率沟道材料提高载流子输运特性,提高输出电流,降低功耗,探索其在低功耗高性能工作领域的应用前景。将新栅极氧化层和场氧化层材料引入器件制备中,并对新材料器件电学特性做仿真分析和可靠性评价。本项目以研究高性能低功耗场效应晶体管为目的,分析绝缘层上InGaAs nMOSFET器件和Ge pMOSFET器件的工作机理和优化方法,探索新材料新结构晶体管器件性能变化情况和对器件可靠性的影响。
英文摘要
The development of integrated circuits has reached the nanometer scale. The scaling down of the conventional Si-based MOSFETs is difficult to meet the need to further improve performance and reduce power consumption. The introduction of high mobility new channel materials, InGaAs and Ge, into transistors is considered to be one of the possible solutions to furthur improve transistor performance. This project aims to explore the design scheme and working mechanism about the heterogeneous integration of InGaAs and Ge MOSFET devices for CMOS invertors. Through the use of new materials and structural innovation, the heterogeneous integration of InGaAs and Ge can reduce off-state leakage current and static power consumption. Moreover, carrier transport characteristics and output current can be improved using high mobility channel. This is important for application of InGaAs and Ge in low power or high performance areas. This project aims to introduce new gate oxide and field oxide materials into device fabrication of the integrated process and perform simulation analysis and reliability evaluation on the electrical properties of new material devices. The goal of this project is to study the working mechanism and optimization method of InGaAs nMOSFET electronic devices and Ge pMOSFET electronic devices based on the research of high-performance low-power FETs. The project will also explore the electrical characteristics and reliability changes of new material and new structure transistor devices, especially in the application of CMOS inverters.
集成电路发展到了纳米尺度后,传统Si基MOSFET尺寸等比例缩小很难满足进一步提高性能和降低功耗的需求。在晶体管中引入高迁移率新沟道材料InGaAs和Ge被认为是继续提高晶体管性能的解决方案之一。本项目旨在研究异质集成InGaAs和Ge MOSFET器件的工作机理和优化设计,通过新材料使用和结构创新,克服InGaAs与Ge异质集成的困难,提高载流子输运特性,实现高开关比、低功耗器件制备与应用。.由于InGaAs中空穴迁移率不高,更适合制备高迁移率n型沟道MOSFET(nMOFET),而Ge材料中虽然空穴迁移率高,但是其与金属间存在着较强的费米能级钉扎效应,难以同时开发高性能的Ge pMOSFET和nMOSFET器件。同时,InGaAs与Ge材料工艺开发与传统Si基工艺相兼容也是制约新沟道材料使用的难点。本项目旨在充分结合InGaAs材料高电子迁移率和Ge材料高空穴迁移率的优势,研究与Si工艺相兼容集成InGaAs和Ge MOSFET器件异质集成工艺;系统分析绝缘层上InGaAs nMOSFET器件和Ge pMOSFET器件的工作机理和优化方法,并相应探索新材料新结构晶体管器件可靠性性能。主要研究工作包括:.1. 通过对InGaAs和Ge栅极结构和源漏工程的工艺优化,发展了基于两步栅氧化物制备技术和自对准源漏制备工艺的InGaAs nMOSFET和Ge pMOSFET异质集成加工技术,所制备的InGaAs-OI nMOSFET和Ge pMOSFET具备优异的导通和关断状态特性,并实现了优异的CMOS对称输出特性。.2. 系统研究了超薄InGaAs-OI nMOSFET器件电学特性研究,揭示了超薄InGaAs沟道层中载流子迁移率的主要影响机制为沟道厚度变化带来的薄膜厚度波动散射和表面粗糙度散射,指明了发展InGaAs薄膜均匀性制备工艺和栅氧化物/InGaAs界面工程技术的重要意义。.3. 针对Ge基栅极氧化物高压强氧化的氧化锗(HPO-GeO2)和钇掺杂氧化锗(YGO),开展了系统的电学特性和可靠性研究,揭示了阳离子掺杂(钇掺杂)方法在提高成键强度、抑制成键网络变化方面的特殊优势,有效提高栅极结构在电场应力下的可靠性。.4. 开展了Ge基超薄EOT和高质量栅极氧化物优化工艺研究,结合氧基高压混合退火工艺,发展了高质量的LaLuO3/Ge MIS栅结构制备技术。
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