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硅后有什么?

后硅器件的替代通道材料系列中的第二篇。哪些是主要的候选人?为什么他们现在得到了如此多的关注?

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如在第一篇文章在这个系列中,锗是继硅之后作为先进晶体管通道材料的主要候选者之一,并且已经持续了好几年。文中详细介绍了锗集成所面临的基本挑战2007。不幸的是,了解问题的问题并不一定导致解决方案。

当MOSFET晶体管接通时,栅极电容将电场应用于通道,创建一个逆温层。这使得少数载体(PFET中的孔,NFET中的电子)流动在源和漏极之间流动。当晶体管关闭时,没有电容:源极,漏极和通道之间的能量屏障防止电流。作为晶体管收缩,产生反转层所需的电场密度增加,因此栅极电容必须增加。至多一点,这是通过减小栅极电介质的厚度来实现的。然而,由于栅极介电厚度仅落到几纳米,但是量子机械效应允许载体通过它隧道,增加栅极泄漏并最终缩短晶体管。

硅晶体管已经面对这个问题,这导致了高k栅极电介质材料的引入。当介电常数(k)增加时,用较厚的物理层实现相同的电容。设计人员可以最大限度地减少泄漏,同时获得所需的静电控制。

同样的要求也适用于锗晶体管。然而,在锗中,需要钝化锗/介电接口,这就带来了额外的复杂性。在硅晶体管中,存在少量单层的天然氧化物是给定的,无论栅极堆栈使用什么介质,都可以沉积在一个稳定的表面上,没有悬浮的硅键。

钝化的界面对于锗晶体管也很重要,其中界面状态可以降低表面载体密度,但锗的天然氧化物比SiO相当较少2。地理学2会使钝化表面,但水溶性和分解GeO 250°c .地质不稳定和使解除吸附在450°c,而这种行为是一种自动清洁锗表面相对容易实现,直接沉积金属氧化物会造成问题,,因为锗氧化扩散。此外,介电质倾向于外延生长,晶格失配导致界面位错密度高。

早期锗集成方案依赖于厚实的SiO2盖子层在厚厚的原生锗氧化物上。这些结构提供了一种稳定的表面,用于进一步介电沉积,同时防止氧化物的分解。一种2009评论文章对于夫人公告的结论是,随着这些层的厚度所做的,载流子流动增加。遗憾的是,厚盖层有助于总介电厚度,并不是对等10nm器件的选择,这是需要一个氧化等效厚度(EOT)小于1nm。

作为John Boland,Applied材料的全球产品营销总监,该行业尚未落户单一锗融合计划。然而,它确实出现,即使是它的缺陷,地理2可能是最好的表面钝化层,与金属氧化物-典型的HfO2或alo.2- 立即生长在它的顶部而不会破坏真空。例如,联合IBM-MIT项目获得了什么研究人员称第一个锗通道MOSFET是利用臭氧钝化锗表面,然后原子层沉积HfO2

如果采用这种方法,将对工厂运营产生重大影响。虽然在理论上集群工具总是能够在单个工具中执行多个步骤,但在实践中,晶圆厂发现,将所有可用的室都用于单个过程步骤可以提供更高的总体吞吐量。如果一个腔室关闭,其他腔室可以继续处理晶圆。相反,如果每个腔室专用于不同的沉积层,那么丢失一个腔室将使工具完全离线。到目前为止,增加正常运行时间的好处已经超过了层间原子干净接口的好处,但这个等式可能正在改变。

被认为将金属氧化物直接沉积在金属锗上,但随后使用后沉积处理以在锗和电介质之间的界面处形成氧化物或氮氧化物。工作中报道在2012年IEEE电子设备会议(IEDM,旧金山)Rui Zhang和东京大学的同事发现,所得界面层的厚度和粗糙度都影响了成品晶体管的载流子迁移率。增加血浆后氧化处理温度增加了锗/氧化锗界面的粗糙度,降解了迁移率。

尽管如此,Boland表示,他预计IV类材料,包括硅和锗,将一直与我们在一起,直到远远超过10nm技术节点。下一步,III-V化合物半导体通道,提出了更困难的挑战,在本系列的下一篇文章将讨论。



4评论

迈克尔E. Boyd. 说:

由于玻璃中的所有悬空粘合,SiO2对任何东西都不是一个非常好的钝化,因为玻璃是无定形的固体。这意味着许多移动离子,它从大气暴露中拾取了水蒸气。由于锗晶体是四面体[Diamond]格子,因此需要一种匹配半导体晶体的晶格的钝化,以创建不会随着电气使用而降低时间的界面。截至一个原子层厚的天然氧化物缓冲层的使用是一个好主意,因为天然氧化物倾向于恰好地匹配四面体γ格子。然后应该透露另一个钝化层,其具有相同的四面体γ晶格结构。我使用的是最好的是Si3N4,因为它具有与锗的相同的格子结构。它还具有不受辐射暴露的额外益处,这将很快导致SiOx破坏[死亡短暂]结局。

Doug Meyer. 说:

凯瑟琳,我相信更大的问题是由于GE的低带隙。一旦GE晶体管升温,GE就会进入固有的传导,不能关闭。通过将GE双极晶体管和沸水中的Si浸入其中,通过沉浸在沸水中来证明Waaaaaaaaaaay作为晶体管的益处。GE晶体管变成短路,而SI晶体管继续操作(典型的通道温度可以在今天的SI MOS设备中达到125℃,因此这是高度相关的。实际上,需要高迁移渠道材料对于未来的生成装置,但这些材料需要1EV或更好的带盖,以便在达到温度时访问“关闭状态”。

kderbyshire 说:

谢谢你的评论。

是的,Ge的低带隙绝对是个问题。不仅因为加热,还因为泄漏和其他杂散电荷源的余量更小。

SiO2钝化似乎适用于硅片......调查替代电介质的人们通常发现眼镜比晶体更好。例如,结晶HfO 2似乎允许锗扩散到电介质中,而无定形的HFO2则不是。

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