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《硅》之后的未知名单在增长

后硅器件的替代通道材料系列第三篇:InGaAs栅堆

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正如本系列前面所讨论的,大多数提出的替代信道方案依赖于pMOS晶体管的锗通道,而nMOS晶体管依赖于InGaAs通道。在这两种材料中,砷化镓的集成难度更大。锗在先进的硅CMOS芯片中已经存在了好几代技术,自2006年左右被引入到应变硅结构中。相比之下,InGaAs对于硅CMOS行业来说是全新的。

它不是一个新的半导体。Ingaas高电子迁移率晶体管(HEMT)用于雷达,毫米波和微波通信,以及类似的高增益,低噪声应用。然而,现有的IngaAs流程可能误导,以便为与硅CMOS集成的潜在方案提供信息。赫斯特通常使用0.53遗传算法0.47如,选择与INP的晶格兼容性。虽然该组合物得到很好的理解,并且已经是大多数潜在的IngaAs-MOSFET方案的基础,但它并不是其本质上优于其他选择。而且,INP和IN0.53遗传算法0.47与硅有8%的晶格失配。这种失配所产生的缺陷是硅集成中一个严重的潜在问题,但在InP衬底的研究中还没有得到解决。

作为以前讨论的,InGaAs的毯沉积,然后是减析晶体管形成过程,直观地吸引,但可能是不可取的。Fabs更愿意并行形成IngaAs和Ge结构,而不是必须沉积和去除厚的第一材料层,然后是另一个。干蚀刻IngaAs是难度的,并且湿或干蚀刻步骤将引入高毒性的砷的蚀刻副产物进入Fab废料流。常用于化合物半导体器件制造的分子束外延是一种缓慢,视线技术,不适用于填充沟槽和其他三维结构。相对较少的研究已经考虑了金属机会气相外延(MOVPE)作为替代方案,但在2011年IEEE电子设备会议上,来自英特尔的研究人员报道在硅上的Movpe沉积获得了与INP上的MBE IngaAs相当的迁移率。

最后,在替代通道材料进入CMOS生产时,目前尚不清楚如何将HEMT晶体管结构收缩到可能需要的10nm级设备。HEMT器件通常具有厚的氧化物电介质,并且不是自对准的。同时,在硅CMOS中,介电厚度下降到1nm(当量氧化物厚度)和自对准晶体管是标准。Ingaas MOS设备需要遵循西装。他们可能还需要集成到Finfet和其他多门结构中:作为普渡大学的研究人员指出在2010年磷化铟和相关材料上的IEEE会议上,III-V晶体管面对相同的短信道效果硅晶体管做,由其下带隙变差。

与硅和锗一样,InGaAs/栅极介电界面的表面质量对晶体管的整体性能起着重要作用。不过,与单质半导体相比,InGaAs表面极其复杂。根据沉积条件和表面处理,暴露表面可以是富铟、富镓或富砷的,自然氧化物成分有相应的变化。铟和砷的氧化物都倾向于在较低的温度下分解,产生一个由相对稳定的镓氧化物主导的表面。几组使用稳定的遗传算法2O.3.以天然氧化物为起点,掺杂创建一个遗传算法2O.3.(Gd2O.3.(GGO)介电层。表面氧化物可以有助于InGaAs /介电界面处的高密度陷阱;工艺设计人员需要仔细控制腔室环境以获得所需的表面组成。

当需要一个干净的半导体表面时,一些研究表明,报道在一个夫人公告回顾2009年,已经发现了最初的三甲基铝(TMA)脉冲在原子层沉积中的作用AL.2O.3.还原天然氧化物。事实上,与Al的合作似乎取得了积极的结果2O.3.电介质可以归因于这种表面清洁,而不是由于铝的固有优势2O.3.本身。加州大学圣巴巴拉分校和宾夕法尼亚州立大学的研究人员实现对比结果使用氮气等离子体清洗,除垢HfO2单独或一个人2O.3./ hfo.2双层介质降低到0.6 nm EOT与低界面陷阱密度。然而,到目前为止,还没有达成共识的电介质解决方案。

介电沉积也不会结束介电/半导体界面的演变。IMEC III-V/Ge研发经理Nadine Collaert观察到,铟和砷尤其是可以扩散出半导体进入介电体。氧和其他沉积后等离子体处理在稳定界面方面起着重要作用。正如应用材料前端技术人员Atif Noori解释的那样,栅堆必须被视为一个集成的过程:

  • 表面pre-clean
  • 接口钝化和功能化
  • ALD高k介电层或层
  • Post-deposition治疗

无论如何承诺对这些子进程中的一个的方法都可以隔离,只有集成到完整的晶体管流中都可以明确地表征其性能。

硅CMOS的历史提醒我们,工艺工程师最好的计划往往会搁浅在这种工艺集成的现实中。硅工业用了几十年的时间才从微米尺寸的器件扩展到25纳米以下。然而,大多数用于砷化镓工艺研究的器件仍然相当大,栅尺寸超过100纳米。进一步的扩展可能会带来额外的挑战,而InGaAs的支持者将需要满足一个非常积极的时间表,以在CMOS路线图中找到一个位置。

编者注意:该系列的研究开始于2013年IEEE电子设备会议发生之前,因此仅提到了最近通过的发展。下一个和最后的分期付款补救措施这一遗漏了,将IEDM的发展拟合到到目前为止开发的较大图片中。



3评论

蓄略的琼斯 说:

您已向后,GE为PMOS,NMOS Ingaas。

Kderbyshire. 说:

你是对的,我这样做。固定的。谢谢你的纠正。

[…]一个高质量的栅极电介质是下一步。在这方面,最近的结果提供了乐观的理由。如前所述,初始Al2O3沉积似乎不需要钝化InGaAs界面。虽然[…]

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