提升砷化铟镓金氧半场效晶体管之金半界面与源汲极欧姆接触

I提升砷化铟镓金氧半场效晶体管之金半界面与源/汲极欧姆接触Improving the Quality of Al2O3/In0.53Ga0.47As Interface and Source/Drain Ohmic contact in MOSFETsII中文摘要本篇论文着重在砷化铟镓量子井金氧半场效晶体管的制作以及其电性效能的提升，特别着重在氧化层与半导体的界面及源/汲极的阻值。内容主要可分为两大部分，第一部分为在氧化层与半导体的界面嵌入磷化铟成为潜通道元件；第二部分则是利用不同材料之合金来降低接触电阻。随着硅基元件逐渐面临了其发展的瓶颈，三五族化合物半导体因此被视为是下一个世代 N 型晶体管通道的替代材料。其原因主要是因为三五族化合物拥有较高的电子迁移率以及较低的等效电子质量。然而不像硅基元件的成熟发展，欲使用三五族半导体作为晶体管仍有许多困难需要克服，其中两项就是氧化层/半导体界面缺陷及源/汲极的接触阻值。首先我们制作了 1 微米闸极长度之砷化铟镓量子井金氧半场效晶体管，此制程特点包含了非离子布植的源/汲极、高源/汲极掺杂浓度、低制程热预算，因此非常适合未来 10 奈米节点以下的制程。接着将磷化铟嵌入氧化层与通道层的界面，藉由此结构来使通道远离氧化层/半导体界面，进而减少通道载子的散射使载子迁移率上升，另一方面也可降低氧化层/半导体的界面态密度，由电压电容量测中可以得到频散（frequency dispersion）从原本的 5.8%降低至 5%，迟滞（hystersis）也从原本的 300mV 降低至 160mV，这些都显现出氧化层与半导体界面的改善。而为了降低源/汲极的阻值，源/汲极的接触电阻必须要再降低，故我们测试许多源汲极之接触金属。在此我们测试了单层金属镍和多层金属钯/锗/钛/金 、 锗/镍等接触金属，利用传输线模型法画出接触电阻值与间距关系图，由图形中计算出特征电阻值在不同温度及退火时间之变化。经由多种比较后得到钯锗钛金的接触金属在 400oC/60 秒退火条件下可以得到最低特征电阻率（ c）III4.610-7-cm2，这个结果有助于我们应用在金氧半场效晶体管上。我们将磷化铟的嵌入以及超低特征电阻值的结果实际应用在砷化铟镓量子井金氧半场效晶体管的源/汲极上。由 1 微米闸极长度的元件电性可看出，随着 4 奈米磷化铟的嵌入及源汲极接触阻值得降低，达到元件饱和电流（Ion）提升至 253 A/m、转移电导提升至 172 S/m 及次临界摆幅下降至 121 mV/dec。最后我们将此实验结果与其他研究团队的成果做比较，经比较可发现在相近闸极长度的范围内，我们元件有较好的效能。而我们也预期，随着元件闸极长度的缩减，元件的效能可以再更进一步的提升。关键字 ：砷化铟镓、量子井金氧半场效晶体管、潜通道元件、源/汲极阻值、抬升式源/汲极、欧姆接触、接触电阻率。IVAbstractIn this thesis, we focus on the investigation and demonstration of the indium gallium arsenide (In0.53Ga0.47As) quantum-well metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (QW-MOSFETs); especially on the source/drain (S/D) and oxide/semiconductor interface regime. There are two main parts an InP insertion layer between oxide and semiconductor interface to improve the channel mobility and source/drain contact resistance.In the first part, we demonstrate the 1-m-gate-length (Lg) implant-free In0.53Ga0.47As QW-MOSFETs without InP layer. Then we insert an InP layer between the oxide/semiconductor interface. An optimized structure was proposed obtained. The optimized structure can improve the interface quality and electrical characteristics.Source/drain resistance (RSD) becomes dominant which is mainly attributed to the size scaling and mobility enhancement. In order to further reduce the RSD, a ultra-low resistivity of Ohmic contact material is implemented to reduce contact resistance. We apply this technology on the 1-m-Lg implant-free In0.53Ga0.47As QW-MOSFETs with optimized S/D. ID,sat and peak Gm is 0.253 mA/m and 0.172 mS/m, respectively. The S/D contact restivity is down to 4.610-7 -cm2. This reduction is attributed to the Rc decreasing through the better Ohmic contact. In addition, off-state characteristics such Vas SS (121 mV/dec) is still kept at similar level.Key words Indium gallium arsenide (In0.53Ga0.47As), quantum-well metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (QW-MOSFETs), buried channel, source/drain resistance, ultra-low resistivity, Ohmic contact.VI目录口试委员审定书 .I致谢 .II中文摘要 .IIIAbstract .V目录 .VII图目录 .IX表目录 .XI第一章 绪论 .11.1. 平面硅场效晶体管之微缩极限 .11.2. 通道材料改用三五族化合物之原因 .2第二章 金氧半场效晶体管（MOSFET）之原理及文献回顾 .62.1. 金氧半场效晶体管的基本操作原理 .62.2. 金氧半场效晶体管的元件特性 .9第三章 设备介绍及反转式金氧半场效晶体管之研究 .13VII3.1. 设备介绍 .133.1.1. 原子层沉积系统(ALD) .133.1.2. 真空溅镀机(sputter) .143.1.3. 电子束蒸镀机(E-Beam Evaporator) .153.1.4. 电感耦合式干蚀刻系统(ICP-RIE) .163.2. 展示抬升式源汲极量子井金氧半场效晶体管制程 .173.2.1. 晶圆结构介绍 .173.2.2. 制程步骤及制程参数 .193.3. 结果与讨论 .233.4. 结论 .26第四章 展示欧姆接触之超低特征电阻值 .274.1. 引言 .274.2. 欧姆接触 .274.3. 传输线模型(Transmission line model, TLM)原理与制程 .294.3.1. 传输线模型之原理 .294.3.2. 传输线模型结构之制作 .304.4. 金属与 n 型砷化铟镓欧姆接触之研究 .31VIII4.4.1. 镍、钯/锗/钛/金、锗/金之接触电阻研究 .314.5. 结果与讨论 .354.6. 结论 .36第五章 结论与未来规划 .375.1. 结论 .37参考文献 .39IX图目录图 1.1 近几年来 CPU 的功率密度几乎是水平成长，这也意味着摩尔定律已经越来越难遵循1 .1图 1.2 晶体管密度增加时 VDD 已经走到 1V 的底线2 .2图 1.3 各材料能隙与载子迁移率关系图 6 .4图 1.4 三五族材料拥有较高的饱和电流因为来自于较高的载子迁移率 .4图 1.5 三五族与硅之 Vinj 比较图5 .5图 2.1 典型 n 型金氧半场效晶体管之结构，闸极长度（L g）和介电层厚度（t ox）为尺寸微缩之重点 .7图 2.2 金氧半场效晶体管运作之能带示意图 .7图 2.3 （a）汲极电压对电流作图，不同条线对应到不同的闸极电压； （b）闸极电压对汲极电流作图，不同条线对应到不同源汲电压 .8图 2.4 汲极电流（左）和转移电导（右）对闸极电压作图 .9图 2.5 MOSFET 元件中理想的开关切换及理论极限 .10图 2.6 MOSFET 能带示意图 .11图 2.7 汲极电流对闸极电压作图（a）长通道和（b）短通道 .11图 3.1 原子层气相沉积成长三氧化二铝薄膜机制示意图 .14图 3.2 溅镀机腔体及操作面板图 .15图 3.3 电子束蒸镀机示意图 .16X图 3.4 电感耦合式干蚀刻系统（左）及腔体内反应示意图（右） .17图 3.5 免离子布植抬升式 In0.53Ga0.47As QW-MOSFET 基板结构图 .18图 3.6 基板之颇面 TEM 图 .18图 3.7 元件上视图 .19图 3.8 元件制程流程图 .19图 3.9 BCl3/Ar 对 InGaAs 之蚀刻率 .21图 3.10 PN junction 量测示意图 .23图 3.11 PN junction 在正负 1.5 伏时相差 104 以上 .24图 3.12 有无磷化铟嵌入之金氧半电容特性 .24图 3.13 有无磷化铟嵌入之金氧半电容迟滞特性 .26图 3.14 有无磷化铟嵌入之 MOSFET IdVd 比较图 .25图 3.15 有无磷化铟嵌