無恒定偏置下實現(xiàn)晶體管的非揮發(fā)性和可重構(gòu)性

西電劉艷團隊于IEEE EDL四月刊發(fā)布了基于靜電摻雜的鐵電晶體管器件，相比化學摻雜工藝，其具有非揮發(fā)、可重構(gòu)、輕摻雜漏極、高源漏摻雜濃度、低源漏電阻等優(yōu)良特性，對于先進集成電路工藝微縮和后摩爾新型器件提供了更多的解決路徑。

研究背景

化學摻雜技術(shù)被大規(guī)模運用于半導體器件的制造，但其技術(shù)有著包括較高的摻雜活化熱預算、低于固溶極限的摻雜濃度、雜質(zhì)散射和摻雜梯度在內(nèi)各種問題。相應(yīng)地，靜電摻雜技術(shù)被認為是最具有替代化學摻雜技術(shù)的新路線。通過這種技術(shù)，摻雜可以被能帶和臨近電極費米能級的相對能量差所控制，通過功函數(shù)調(diào)控或外偏置可實現(xiàn)有效控制。

作為化學摻雜技術(shù)的替代，靜電摻雜技術(shù)因其非易失性、載流子可控的特性，基于該技術(shù)的可重構(gòu)晶體管被提出，但這需要額外偏置條件來克服易揮發(fā)性。由于非易失性和可控的極化狀態(tài)，鐵電材料在非易失性存儲器方面的應(yīng)用越來越廣，這為實現(xiàn)非易失性和可重構(gòu)性提供了技術(shù)路徑。

西電劉艷教授團隊與新加坡國立大學及印度理工學院聯(lián)合課題組在這一研究方向上取得了重要進展，以“Proposal of Ferroelectric Based Electrostatic Doping for Nanoscale Devices”為題發(fā)表于IEEE Electron Device Letters，鄭思穎為第一作者，西電劉艷教授和新加坡國立大學的Jiuren Zhou為共同通訊作者。

研究內(nèi)容

在本項研究中，團隊提出了基于鐵電材料的經(jīng)典摻雜技術(shù)，通過插入極性門的鐵電薄膜實現(xiàn)了非揮發(fā)性和可重構(gòu)性，可在不需要恒定偏置條件的情況下制備基于鐵電材料靜電摻雜技術(shù)的可重構(gòu)納米片場效應(yīng)晶體管，具有自然形成的輕摻雜漏極（LDD）*和每立方厘米超過1021的極高的源漏區(qū)摻雜濃度，可改善晶體管亞閾值擺幅*、抑制漏極感應(yīng)勢壘降低（DIBL）*、獲得超低源漏區(qū)電阻。

*輕摻雜漏極：全稱Lightly doped drain，在雙擴散漏（double diffuse drain）工藝上發(fā)展而來，在MOS側(cè)墻形成之前增加一道輕摻雜的離子注入流程，側(cè)墻形成后依然進行源漏重摻雜離子注入，漏極和溝道之間會形成一定寬度的輕摻雜區(qū)域；相比DDD工藝降低了器件漏極附近峰值電場，削弱了熱載流子注入效應(yīng)。

*亞閾值擺幅：Subthreshold swing，是衡量晶體管開啟與關(guān)斷狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換速率的性能指標，它代表源漏電流變化十倍所需要柵電壓的變化量，又稱為S因子，S越小意味著開啟關(guān)斷速率ON/OFF越快。

漏極感應(yīng)勢壘降低：Drain induction barrier lower，也稱漏極誘導勢壘降低，短溝道效應(yīng)之一，當溝道長度減小、VDS增加、使得漏結(jié)與源結(jié)的耗盡層靠近時，溝道中的電力線可以從漏區(qū)穿越到源區(qū)，并導致源極端勢壘高度降低，從而源區(qū)注入到溝道的電子數(shù)量增加，結(jié)果漏極電流增加。

晶體管參數(shù)表

圖(a)鐵電納米片晶體管示意圖

圖(b)鐵電薄膜的自極化和可控極化

圖(c)可重構(gòu)晶體管能帶圖

制備過程關(guān)鍵三步：

極性柵極-自對準控制柵-源漏接觸

VPG、VGS、VDS均為0時的載流子濃度分布

ID-VG曲線和ID-VD曲線

幾類摻雜技術(shù)的成果對比

前景展望

本文所介紹的研究成果實現(xiàn)了無恒定偏置下實現(xiàn)晶體管的非揮發(fā)性和可重構(gòu)性，并具有各種良好的性能改進，但對于超低漏源電阻的改進，還需要進一步的研究?？偠灾?，該技術(shù)為先進納米器件和和后摩爾新型器件提供了一種新的解決路徑，在forksheet*等高集成度的先進工藝中非揮發(fā)性和可控摻雜是必要的。

*forksheet：通過在nanosheet結(jié)構(gòu)中加入電介質(zhì)“墻”隔離同型溝道實現(xiàn)晶體管單元面積縮小的一種晶體管結(jié)構(gòu)。

原文標題：科研前線 | 西電靜電摻雜新成果推動新型器件研發(fā)

文章出處：【微信公眾號：芯片揭秘】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責任編輯:haq