隧穿场效应晶体管关键工艺研究

【摘要】：随着集成电路领域的日益发展,芯片集成度不断提高的同时MOSFET器件尺寸也在不断缩小。当今,尺寸缩小所带来的功耗增大问题变得越来越重要,对于传统的MOSFET器件,功耗与性能间的取舍已经成为了越来越难以解决的矛盾。在室温下,由于受到热载流子发射工作机理的限制,MOSFET的亚阈值摆幅(Subthreshold Swing)不会低于60 mV/dec,而隧穿场效应晶体管(TFET)作为一种新型低功耗器件,其工作机理为载流子的带带隧穿(BTBT),器件亚阈值摆幅可以突破60 mV/dec的限制,从而能够大幅度降低器件的静态功耗。并且TFET器件还兼顾关态电流低以及工艺兼容度高的优点,所以被认为是替代MOSFET的最有力竞争者之一。但TFET器件目前仍存在一些自身问题,例如:TFET的开态电流普遍比较小,器件平均亚阈值摆幅(SS_(avg))没有达到理想值等。目前,不少国内外专家学者都在通过研究新型结构以及应用新型材料来解决TFET所存在的问题,其中国内研究者对于TFET器件的工艺实验开展较少。为探究这些问题的解决办法,本文通过对TFET器件结构进行改进,并通过工艺制备的方法探究了关键工艺对于TFET器件性能的影响与优化。具体研究内容如下:1.本文深入探究了TFET器件的工作机理,并通过对TFET工作性能的影响因素进行分析,对TFET器件结构进行了优化。通过将栅极伸入源区完成栅-源交叠,从而增加了隧穿结的隧穿面积以及源-沟道界面的隧穿电场,仿真结果表明此种结构优化能够使器件性能得到良好改善。2.本次实验完成对了TFET器件的工艺制备,并结合仿真数据对TFET实验工艺做了初步探索,其中关键工艺流程在于离子注入,薄膜生长,以及快速热退火环节。3.本文通过测试详细分析了器件的欧姆接触,C-V特性以及界面陷阱。结合仿真数据分析了源、漏区离子注入导致的欧姆接触差异,退火对于欧姆接触的影响以及片上各区域的工艺偏差。并通过分析C-V正反向扫描出现的曲线迟滞以及频散特性的异常“突起”对栅介质-半导体界面的陷阱电荷进行了表征。4.分析了器件的栅漏电流以及转移特性,其中栅漏电流较小,在nA量级以下。器件的开关比约为10~2,最小亚阈值摆幅约为108 mV/dec,平均亚阈值摆幅超过230mV/dec。器件的开关特性和栅控能力受到接触电阻较大以及界面陷阱电荷的影响表现不够理想,并且在相隔一个月后的第二次测试时发现栅漏电流急剧增大,C-V特性完全失去规律,证明栅介质层的质量随时间退化非常明显,最终导致器件失效。5.对本次实验进行总结。实验结果表明器件展现出一定了栅控能力,虽然器件特性没有预期中理想,但本次实验为之后的研究做出了探索和尝试,并找到了一些优化方案,例如:今后可以在关键工艺中增加更多的参数对比组以及单步工艺测试来优化实验条件,并且应该对样片进行钝化处理以保证栅介质薄膜质量,防止氧化层退化致使器件失效。