基于柔性基體的InGaAs MOSFET的設(shè)計及關(guān)鍵工藝研究.pdf

1、摩爾定律預(yù)測硅材料CMOS器件特征尺寸按比例縮小已經(jīng)接近其物理極限，InGaAs基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)具有溝道材料電子遷移率高、電子飽和速度大、亞閾值擺幅陡峭、驅(qū)動電流大、禁帶寬度可以靈活調(diào)節(jié)以及功耗低等優(yōu)點，有望成為下一代超高速低功耗CMOS器件及電路結(jié)構(gòu)的功能單元。傳統(tǒng)的Ⅲ-Ⅴ器件制備工藝成本較高，如果可以將高性能的InGaAs基MOSFET器件與成本較低的柔性材料平臺相結(jié)合，則可以大大降低工業(yè)成本，并可

2、實現(xiàn)高性能無機器件的柔性可彎曲性，使未來的微電子器件及集成電路可以適應(yīng)非平面工作環(huán)境，具備更高的便攜性以及智能化，更適合于更寬的領(lǐng)域應(yīng)用。本文著重圍繞基于柔性基體的InGaAs MOSFET的器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計、關(guān)鍵工藝的優(yōu)化以及器件的制備等方面展開研究工作，取得的主要研究成果如下:
　　1.建立了Ⅲ-Ⅴ材料表面界面態(tài)產(chǎn)生的物理模型和相應(yīng)的Ⅲ-Ⅴ MOS電容結(jié)構(gòu)的電路模型，從理論上分析了采用高頻Terman法對高K介質(zhì)/Ⅲ-Ⅴ界面態(tài)密

3、度Dit進行提取的可行性。
　　2.對高K介質(zhì)/GaAs MOS電容的界面物理學(xué)及電學(xué)特性進行了研究。利用原子層淀積(ALD)技術(shù)生長ZnO材料作為N型GaAs襯底表面的鈍化層材料制備Al/Al2O3/ZnO/n-GaAs MOS電容，采用HRTEM、C-V以及XPS等表征手段對其界面質(zhì)量進行測定，實驗表明在高K柵介質(zhì)Al2O3淀積前采用ALD預(yù)淀積ZnO層可以有效地降低GaAs表面的低K值砷/鎵氧化物的含量，從而提高了界面質(zhì)量。

4、
　　3.ALD淀積以及介質(zhì)退火溫度對HfO2/p-GaAs MOS電容界面及電學(xué)特性影響的研究。采用ALD技術(shù)分別在200、250及300℃三個不同溫度下在P型GaAs襯底上淀積HfO2介質(zhì)。結(jié)果表明，隨著ALD溫度的上升，HfO2/p-GaAs界面處的砷/鎵低K值氧化物含量明顯降低，得到的C-V曲線“stretch-out”效應(yīng)減弱，平帶電壓的漂移量減少，回滯電壓值減小，高頻Terman法提取的界面態(tài)密度降低;I-V測試表明不

5、同的ALD生長溫度下相應(yīng)的MOS電容的柵漏電流輸運的主要機制不同，在低于250℃時，F(xiàn)renkel-Poole發(fā)射是介質(zhì)層中電流輸運的主導(dǎo)機制，然而當(dāng)溫度為300℃時，載流子的Schottky發(fā)射成為柵漏電流產(chǎn)生的主要因素，隨著ALD溫度的上升，柵極漏電流呈下降的趨勢。通過對ALD溫度為300℃淀積的HfO2介質(zhì)在不同溫度下退火后制備而成的MOS電容的I-V特性的分析可知，采用500℃的介質(zhì)淀積后退火可以獲得最低柵漏電流。根據(jù)XPS測試

6、結(jié)果，退火后高K介質(zhì)/GaAs界面處的砷氧化物含量顯著下降，而相應(yīng)的Ga2O3的含量明顯上升，表明在退火的過程中，砷氧化物與GaAs襯底發(fā)生反應(yīng)，砷氧化物被消耗而轉(zhuǎn)化為Ga2O3。對高K介質(zhì)/GaAs MOS系統(tǒng)界面特性的表征和優(yōu)化，是制備高性能的低In組分的InxGa1-xAs表面溝道MOSFET器件的重要先決條件。
　　4.采用COMSOL仿真平臺對納米級GaAs材料功能薄膜層的柔性可彎曲機械性能進行模擬計算，數(shù)值模擬的模型是

7、根據(jù)實際的MOSFET器件的功能層結(jié)構(gòu)設(shè)計的。對于GaAs功能薄膜層/PET柔性基體系統(tǒng)，當(dāng)PET材料的彎曲量超過其自身厚度的3倍時，GaAs薄膜層區(qū)域的First、Second以及Third Principle應(yīng)力均低于GaAs材料的斷裂強度值2.7Gpa，證實了足夠薄的GaAs功能薄膜材料制備而成的無機電子器件理論上可以實現(xiàn)柔性化。根據(jù)借助于柔性圖章的薄膜層轉(zhuǎn)印技術(shù)設(shè)計了旨在實現(xiàn)柔性InGaAs MOSFET的外延材料及結(jié)構(gòu)，并通過

8、犧牲層濕法刻蝕“undercut”工藝的優(yōu)化以及濕法反應(yīng)生成的固態(tài)難溶物清除工藝方法的研究，從原硬質(zhì)GaAs襯底表面剝離出結(jié)構(gòu)完整、無破損且表面光滑的InGaAs(12nm)/GaAs(285nm)/InGaAs(12nm)的功能薄膜層。
　　5.基于柔性PET襯底的In0.2Ga0.8AsMOSFET器件制備的工藝流程設(shè)計及關(guān)鍵工藝研究。采用AutoCAD軟件設(shè)計了柔性可彎曲的In0.2Ga0.8As MOSFET器件的版圖結(jié)構(gòu)

9、和工藝流程。設(shè)計了非合金化的歐姆接觸金屬體系Ti(20nm)/Pd(40nm)/Au(200nm)，與Ⅲ-Ⅴ MOSFET研究國際權(quán)威專家普渡大學(xué)的YePeide團隊制備的類似結(jié)構(gòu)的InGaAs MOSFET采用退火工藝實現(xiàn)的歐姆接觸特性相當(dāng)。通過優(yōu)化實現(xiàn)刻蝕孔(etching hole)的干法刻蝕工藝，使?fàn)奚鼘覣lGaAs材料可以充分暴露在后續(xù)的濕法刻蝕溶劑中。采用切向應(yīng)力主導(dǎo)的薄膜層轉(zhuǎn)印技術(shù)實現(xiàn)InGaAs/GaAs/InGaAs功