对于III-V族化合物半导体,由于电子迁移率高、直接带隙等优良电学性能,不仅有多种二元化合物,还可组合具有特定晶格常数、禁带宽度等特性的三元、四元化合物,一直是发展多种电学、光学器件的源泉。人们多年来曾致力于研究GaAs 等多种化合物绝缘栅场效应器件,不断探索其在 CMOS 集成电路中的应用可能性。近年In0.53Ga0.47As材料与器件受到多方面研究。这种组分的In0.53Ga0.47As 三元化合物,具有一些独特性质,有益于研制微电子和光电子器件,其室温下禁带宽度约0.75 eV,介于硅和锗之间,适于研制低电压电子器件,也宜于制作近红外探测器等光电器件。
In0.53Ga0.47As晶体的电子迁移率接近10 000 cm2/V•s,用于制作高迁移率 n-沟 MOS晶体管,并与锗P-沟器件相结合,有可能成为研制高性能纳米CMOS集成芯片新技术的有效途径,因而受到重视与深入研究。In0.53Ga0.47As晶格常数约5.87A,与InP 相匹配,因此,有研究工作直接以 InP 晶片衬底,也有研究者采用硅衬底,以 MOCVD 或 MIBE 技术外延缓冲层后,再生长In0.53Ga0.47As半导体晶膜,用以研发n-沟 MOS 器件制造技术。外延生长优质化合物晶膜与优选栅界面材料、结构,是I-V族化合物场效应器件技术的关键。经过多年探索、研究,在平面和立体栅化合物器件工艺及性能研究中获得显著进展,晶体管性能不断改进。例如,亚阈值摆幅(S)约72mV/dec,已接近硅器件,驱动电流提高,漏电流下降,在VDs=0.5 V条件下,Ion /Ioff>106,漏致势垒降低(DIBL)可降到约26 mV/V,通过优化界面层工艺、抑制界面散射,沟道有效电子迁移率(patt)可达3100 cm/V • s。

通过异质外延技术在硅片上制作In0.53Ga0.47As场效应器件,是研发高迁移率CMOS集成技术的重要途径。TSMC公司在300mm 硅片上先后研发硅基In0.53Ga0.47As平面和立体多栅(FinFET)n-沟器件技术。图8.70 显示In0.53Ga0.47Asn -FinFET的结构剖视图。其主要制造工艺如下:以MOCVD 工艺音先异质外延GaAs、InP过渡缓冲层,再生长In0.53Ga0.47As器件层;应用干、湿法刻蚀工艺,形成高45 nm、宽15 nm 的In0.53Ga0.47As薄晶体;与硅FinFET制作相近,采用置换工艺形成晶体管结构,多晶硅假栅形成后,在薄体两端外延生长n+一In0.53Ga0.47As源漏区,把薄体包围;去除假栅与表面清洗处理后,用 ALD 技术淀积界面层、高k介质与金属,形成栅叠层;最后完成金属接触工艺。还有报道在300mm 硅片上研制纳米线环栅n一沟In0.53Ga0.47As器件,应用新材料栅叠层结构,栅长50 nm 的晶体管跨导(gm)可达到2200uS/um。虽然现有技术研制的硅基In0.53Ga0.47As立体栅n一沟 MOS 晶体管,已具有较良好器件性能,但要集成为高性能CMOS 芯片制造技术并进入生产应用,尚有一系列工艺集成技术难题有待研究解决。
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