新型CMOS器件课题组

研究领域

1. 新沟道材料（锗，三五族化合物等）CMOS器件与工艺

空格CMOS器件是现代集成电路的基础，传统的CMOS器件——场效应晶体管（MOSFET）是组成集成电路最基本的器件单元。因此，MOSFET技术的发展水平决定了集成电路技术和产业的发展水平。近几十年来，硅基场效应晶体管（Si MOSFET）一直在遵循摩尔定律发展。主要采取器件微细化的方法提升Si MOSFET的性能，即缩短Si MOSFET的沟道长度（Lg）。目前应用于高性能逻辑电路的Si MOSFET的Lg已经小于25 nm 。随着器件尺寸的缩小，Si MOSFET中的短沟道效应逐渐增强，这使得传统的缩短Lg的发展模式已不能再有效地提高Si MOSFET的性能。

图1（a）Si MOSFET的结构示意图；（b）ITRS预测的MOSFET沟道长度变化

空格因此，人们提出了等效微细化方法，在不缩短L_g的情况下提升MOSFET的性能，如使用具有更高的反型层载流子迁移率的沟道材料（图2）。

图2 MOSFET等效微细化的概念

表1常见半导体材料的载流子迁移率等参数

空格迁移率是决定MOSFET特性的一个重要参数，即使在短沟道甚至弹道传输（ballistic）器件中，迁移率仍然可以很大程度上影响器件性能。最直接有效提高载流子迁移率的有效方法是使用高迁移率沟道材料。如表1所示，在传统的半导体材料中锗（Ge）和III-V族半导体分别具有最高的空穴和电子迁移率，受到了广泛的关注。其中由于III-V族半导体的空穴迁移率极低，不利于形成CMOS电路。Ge由于同时具有很高的空穴和电子迁移率，并且具有和Si类似的晶体结构和物理化学性质，易于与现有的Si工艺集成，备受产业界的瞩目。同时，与Si MOSFET类似的应变技术同样可以应用于Ge MOSFET中，使得Ge沟道中的载流子迁移率获得极大提升。因此，利用Ge作为沟道材料的器件技术正慢慢被提上日程。根据ITRS预测，2018年左右Ge MOSFET将实现量产，目前Intel、TSMC等主要的国际半导体公司均将Ge器件技术作为重要发展方向。

空格本课题组主要围绕新沟道材料CMOS器件，在超薄EOT低界面态栅极、低阻超浅高质量源漏技术等几个方面开展研究。

2. 基于新沟道材料的新结构CMOS器件与工艺

空格对于平面结构的MOSFET，随着L_g缩短栅压对沟道的静电控制能力减弱，出现严重的短沟道效应并限制器件性能的提升。为了解决这一问题，业界已经提出了两种方案，一个方案时使用3D结构的鳍型（Fin）沟道，并且目前Si FinFET已经实现量产。在FinFET中栅压对沟道的静电控制能力大大增强，可以进一步缩短MOSFET的L_g，获得更高的器件性能。另外一种方案是使用绝缘层上硅（SOI）结构器件。因此，在更先进的 CMOS工艺中，预计也将采用新沟道材料FinFET结构或者绝缘层上新沟道材料结构（图3）。

图3 国际半导体技术发展蓝图（ITRS）

空格本课题组主要在新沟道材料CMOS器件的基础上，研究在新结构下超薄高迁移率沟道材料SOI结构和3D器件的制备以及相关的器件物理现象。目前我们已经制备出超薄InGaAs-OI结构，并实现了原型器件的工作。在Ge FinFET方面，也已经实现高质量Ge Fin的制备，为进一步制备高性能Ge FinFET解决了最关键的问题。

3. 先进CMOS器件的器件物理与可靠性

空格如前所述，结合应变技术的新结构器件和新沟道材料器件将是未来CMOS集成电路工艺中的主要手段。因此，在超短沟道，超薄栅极介质的条件下，应变对新沟道材料/新结构CMOS器件应变对沟中散射机制和器件可靠性的影响，以及应变是否仍能继续有效提高器件性能等问题迫切需要得到科学解释和理解。为了解决和理解这些科学问题，单纯从工艺上去进行研究是非常困难的。我们必须从Ge和Si的基本物理特性以及能带结构出发（图4），进而其在研究器件物理本质上的差异。我们正在着力研究以下四个方面：
（1）从理论和实验上定量研究Ge基MOS器件反型层中各种散射机制，包括：库伦散射，声子散射和表面粗糙度散射。尤其在高有效电场下，各种散射机制对载流子迁移率的影响；
（2）研究在不同晶面（（110）、（100）和（111））以及不同的沟道方向下，Ge基MOS器件中反型层中的散射机理和高场迁移率的提高技术；
（3）研究如何利用应变技术来提高Ge基MOS器件中的载流子迁移率以及相对应的散射机理；
（4）研究高性能绝缘层上超薄Ge（GOI）MOS器件的制备以及其中的相关物理机理。

 图4 锗（Ge）的子能带示意图