肖特基源漏垂直沟道环栅硅纳米线场效应晶体管及衍生器件研究

In recent years, gate-all-around transistors (GAA) have attracted muck attention among the possible applicable structures for the future nano-scale electron devices. GAA with vertical channel and Schottky source/drain (GAA-V) is studied for its best ability of gate modulation, highest integrated density, and compatibility with high-k/metal gate and Ge-based applications. In this proposal, the top-down solution of GAA-V fabrication has been proposed for the first time. Three other derivative structures, including GAA with vertical channel and asymmetric Schottky source/drain (GAA-VA), GAA with vertical channel and dopant segregation Schottky source/drain (GAA-VS), and steep-slope GAA tunneling transistor with vertical channel and dopant segregation Schottky source/drain (GAA-VT) have also been proposed and studied. According to the previous numerical studies, the better ability of leakage current immunization and steep sub-threshold slope can be expected with the three derivative structures. And the fabrication of the derivative structures can be feasibly achieved by integrated individual procedures in the fabrication processing for GAA-V. GAA-VA, GAA-VS and GAA-VT are novel design of nano-scale electron device structure, and the fabrication solutions for GAA-VA, GAA-VS and GAA-VT are proposed for the first time.

在未来电子器件所可能采用的FET结构中，环栅结构(GAA)最受关注，同时研发难度也最大，具有肖特基源漏的GAA是一种非常有潜力的器件设计，目前已有水平沟道GAA器件的实验报道，但是垂直沟道肖特基源漏环栅器件(GAA-V)的实验解决方案仍未见突破。本课题提出以研发GAA-V为主线，提出面向可集成硅工艺的GAA-V解决方案，同时提出三种衍生结构包括：非对称Schottky源漏环栅结构(GAA-VA)，杂质分凝Schottky源漏环栅器件(GAA-VS)，垂直环栅隧穿晶体管(GAA-VT)。课题计划以研发GAA-V为牵引，研究内容涵盖研发GAA-VA，GAA-VS，GAA-VT三种新型垂直沟道GAA器件的总体方案设计。GAA-V可集成解决方案的提出，为相关领域的研究做出了前瞻性的工作，由GAA-V衍生出GAA-VA，GAA-VS，GAA-VT是全新的结构概念，类似的实验设计方案为首次提出。

集成电路在1956年发明后，目前已进入7nm技术代，由于量子效应的影响日益显著，CMOS加工的难度也接近极限，因此新材料、新结构、新工艺的研发和应用变得日益迫切。.本课题中，比较系统地研究了针对低功耗应用的肖特基结构器件，先后引入了平面型、三维型（FinFET）和环栅型三类特征结构。研究工作以环栅器件为聚焦点，针对环栅器件，Ge基器件和新型平面器件的结构、材料和电特性开展研究工作。.从环栅肖特基器件入手，分析了环栅肖特基器件的电特性机制，完成了环栅肖特基器件的普遍建模，分析了构成环栅的纳米线形貌的影响，重点研究了肖特基三角环栅晶体管。.对于陡峭I-V增益斜率（steep-slope）的低功耗应用，研究了杂质分凝的肖特基隧穿晶体管，分析了分凝宽度等关键参数对特性的影响，比较了环栅结构下，肖特基隧穿晶体管的优势。.研究了平面型复势垒器件的结构、工艺和材料属性，重点分析了材料功函数与器件特性的匹配关系，检验了异质硅化物材料的界面形貌，验证了方案的合理性。.针对宽禁带材料Ge基的应用，研究了Ge基隧穿环栅晶体管和Ge基杂质分凝肖特基隧穿晶体管。对Ge基肖特基器件进行了建模，验证了Ge基隧穿晶体管的低功耗应用特点，金属源漏的存在对整体特性的提升有着相当显著的效果。.上述工作将为新型半导体器件的研究做出有益的探索。