锗及应变锗MOS器件高场迁移率的提高及相关散射机理研究

With the Si CMOS technology enters into sub-32nm nodes, the conventional device scaling could not enhance the device performance any more. Consequently, some new technology boosters have been proposed, mainly including new channel materials, the strain technology and the new device structure. Ge channel is one of the promising performance boosters for replacing Si for the sub-20nm CMOS technology nodes. Although the origin motivation for studying Ge MOS devices is mainly because of its high hole mobility, recently, there have more and more reports about the high electron mobility in Ge for the possibility of Ge-based CMOS technology(both nMOS and pMOS devices using Ge channel. In addition, most reports about Ge MOS devices so far are about the process optimization, specially the MOS interface properties improvements. There is few study about the detailed physical understanding on scattering mechanisms in the Ge MOS devices. On the other hand, although there have been some works about the high peak mobility of Ge MOS devices, the high-field mobility, which is really important in the real device application, is still with a relatively low value. Also, it has been shown that MOS interface roughness reduction is not an effective way to enhance the high-field mobility for Ge MOS devices. The physical mechanism is still unclear to us. In addition, how to utilize the strain technology and new device structure to enhance Ge MOS device performances is also not well physically understood and experimentally demonstrated. In this study, we will comprehensively study the high field mobility in Ge MOS devices by utilizing the strain technology and new device structure.

随着现代硅集成电路技术进入亚32nm时代，传统的技术发展模式已不能再有效地提高场效应晶体管器件以及电路的整体性能。一些新的技术已被提出，主要包括新沟道材料，应变技术和新器件结构。锗因其同时具有较高的电子和空穴迁移率作为新沟道材料而备受瞩目。然而，到目前为止国际上大部分锗 MOS器件的研究都集中在工艺优化上，尚未对其散射机理进行深入的研究。同时，虽然锗MOS器件的峰值迁移率已经获得较高的数值，但是在高电场下的迁移率仍然偏低。而在实际应用中，真正起作用的是高场下的迁移率。已有的研究表明，减小MOS界面粗糙度并不能很有效地提高Ge器件的高场迁移率，这其中的原因尚不清楚。此外，如何有效运用应变技术和新器件结构（GOI）提高Ge器件性能这一问题在器件物理理解上和实验验证上都尚未很好地被解决。本项目将结合应变技术和GOI新结构的应用对Ge MOS器件中高场载流子迁移率的提高和散射机理进行深入的研究。

随着现代硅集成电路技术进入10 nm 时代，传统的技术发展模式已不能再有效地提高场效应晶体管器件以及电路的整体性能。一些新的技术已被提出，主要包括新沟道材料，应变技术和新器件结构。锗因其同时具有较高的电子和空穴迁移率作为新沟道材料而备受瞩目。然而，到目前为止国际上大部分锗 MOS 器件的研究都集中在工艺优化上，尚未对其散射机理进行深入的研究。同时，虽然锗 MOS 器件的峰值迁移率已经获得较高的数值，但是在高电场下的迁移率仍然偏低。而在实际应用中，真正起作用的是高场下的迁移率。已有的研究表明，减小 MOS 界面粗糙度并不能很有效地提高 Ge 器件的高场迁移率，这其中的原因尚不清楚。在本项目中，我们结合应变技术和GOI 新结构的应用对 Ge MOS 器件中高场载流子提高和散射机理进行了深入的研究，相关研究内容主要分为以下六个部分：1）利用直接键合与抛光技术制备了超薄的高质量锗层和埋氧化层的GeOI衬底，与智能剥离技术对比发现，锗层晶体质量严重影响Ge MOS器件的载流子迁移率；2）利用后氧化（臭氧后氧化和等离子体后氧化）与栅极堆垛后退火技术获得了超薄等效氧化层厚度的Ge MOS，同时有效改善了栅氧的界面态密度，提高了载流子迁移率；3）利用新型的双层MoS2/Ge量子阱结构MOSFET提高了载流子迁移率与器件可靠性；4）从载流子有效质量的角度探讨了Ge沟道中的载流子输运机理以及Ge MOSFET的性能极限，发现Ge MOSFET器件在高电场强度下发生的载流子迁移率劣化现象不仅仅来源于MOS界面缺陷导致的散射，有效质量的增大也将导致载流子迁移率的下降；5）研究不同晶向（111）、（110）和（100）Ge nMOSFET中的散射机制发现，不同于（111）和（110），在Ge（100）nMOSFET中，高场条件下声子散射仍然是影响迁移率的主要散射机制，而非表面粗糙度散射，仅仅改善界面的粗糙度很难有效地提升Ge（100） nMOSFET的高场迁移率；6）研究sSi/Si0.5Ge0.5/sSOI量子阱结构pMOSFET中的载流子输运机制发现，合金散射对迁移率的影响主要作用于有效电场强度比较小的区域，而对于高场条件则影响不大。