基于柔性基体的InGaAs MOSFET的设计及关键工艺研究

发布时间：2018-03-11 08:05

  本文选题：InGaAs基MOSFET　切入点：柔性材料　出处：《西安电子科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：摩尔定律预测硅材料CMOS器件特征尺寸按比例缩小已经接近其物理极限,InGaAs基金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)具有沟道材料电子迁移率高、电子饱和速度大、亚阈值摆幅陡峭、驱动电流大、禁带宽度可以灵活调节以及功耗低等优点,有望成为下一代超高速低功耗CMOS器件及电路结构的功能单元。传统的III-V器件制备工艺成本较高,如果可以将高性能的InGaAs基MOSFET器件与成本较低的柔性材料平台相结合,则可以大大降低工业成本,并可实现高性能无机器件的柔性可弯曲性,使未来的微电子器件及集成电路可以适应非平面工作环境,具备更高的便携性以及智能化,更适合于更宽的领域应用。本文着重围绕基于柔性基体的InGaAs MOSFET的器件结构的设计、关键工艺的优化以及器件的制备等方面展开研究工作,取得的主要研究成果如下：1.建立了Ⅲ-Ⅴ材料表面界面态产生的物理模型和相应的Ⅲ-Ⅴ MOS电容结构的电路模型,从理论上分析了采用高频Terman法对高K介质/Ⅲ-Ⅴ界面态密度Dit进行提取的可行性。2.对高K介质/GaAs MOS电容的界面物理学及电学特性进行了研究。利用原子层淀积(ALD)技术生长ZnO材料作为N型GaAs衬底表面的钝化层材料制备Al/Al2O3/ZnO/n-GaAs MOS电容,采用HRTEM、C-V以及XPS等表征手段对其界面质量进行测定,实验表明在高K栅介质A1203淀积前采用ALD预淀积ZnO层可以有效地降低GaAs表面的低K值砷/镓氧化物的含量,从而提高了界面质量。3.ALD淀积以及介质退火温度对HfO2/p-GaAs MOS电容界面及电学特性影响的研究。采用ALD技术分别在200、250及300零三个不同温度下在P型GaAs衬底上淀积Hf02介质。结果表明,随着ALD温度的上升,HfO2/p-GaAs界面处的砷/镓低K值氧化物含量明显降低,得到的C-V曲线"stretch-out"效应减弱,平带电压的漂移量减少,回滞电压值减小,高频Terman法提取的界面态密度降低；I-V测试表明不同的ALD生长温度下相应的MOS电容的栅漏电流输运的主要机制不同,在低于250℃时,Frenkel-Poole发射是介质层中电流输运的主导机制,然而当温度为300℃时,载流子的Schottky发射成为栅漏电流产生的主要因素,随着ALD温度的上升,栅极漏电流呈下降的趋势。通过对ALD温度为300℃淀积的HfO2介质在不同温度下退火后制备而成的MOS电容的I-V特性的分析可知,采用500℃的介质淀积后退火可以获得最低栅漏电流。根据XPS测试结果,退火后高K介质/GaAs界面处的砷氧化物含量显著下降,而相应的Ga203的含量明显上升,表明在退火的过程中,砷氧化物与GaAs衬底发生反应,砷氧化物被消耗而转化为Ga203。对高K介质/GaAs MOS系统界面特性的表征和优化,是制备高性能的低In组分的InxGa1-xAs表面沟道MOSFET器件的重要先决条件。4.采用COMSOL仿真平台对纳米级GaAs材料功能薄膜层的柔性可弯曲机械性能进行模拟计算,数值模拟的模型是根据实际的MOSFET器件的功能层结构设计的。对于GaAs功能薄膜层/PET柔性基体系统,当PET材料的弯曲量超过其自身厚度的3倍时,GaAs薄膜层区域的First、Second以及Third Principle应力均低于GaAs材料的断裂强度值2.7Gpa,证实了足够薄的GaAs功能薄膜材料制备而成的无机电子器件理论上可以实现柔性化。根据借助于柔性图章的薄膜层转印技术设计了旨在实现柔性InGaAs MOSFET的外延材料及结构,并通过牺牲层湿法刻蚀“undercut"工艺的优化以及湿法反应生成的固态难溶物清除工艺方法的研究,从原硬质GaAs衬底表面剥离出结构完整、无破损且表面光滑的InGaAs(12nm)/GaAs(285nm)/InGaAs(12nm)的功能薄膜层。5.基于柔性PET衬底的In0.2Ga0.8As MOSFET器件制备的工艺流程设计及关键工艺研究。采用AutoCAD软件设计了柔性可弯曲的In0.2Ga0.8As MOSFET器件的版图结构和工艺流程。设计了非合金化的欧姆接触金属体系Ti(20nm)/Pd(40nm)/Au(200nm),与III-V MOSFET研究国际权威专家普渡大学的YePeide团队制备的类似结构的InGaAs MOSFET采用退火工艺实现的欧姆接触特性相当。通过优化实现刻蚀孔(etching hole)的干法刻蚀工艺,使牺牲层AlGaAs材料可以充分暴露在后续的湿法刻蚀溶剂中。采用切向应力主导的薄膜层转印技术实现InGaAs/GaAs/InGaAs功能薄膜层与柔性基体材料PET的集成。6.实验研制出目前业界第一只基于柔性PET材料的可弯曲的InGaAs表面沟道增强型MOSFET,器件为栅长为2μm,栅宽为10μm,栅介质为10 nm Al2O3的柔性可弯曲InGaAs MOSFET。电学测试结果表明：最大沟道电流为1μA/mm,栅漏电流仅为10-12A量级,表明采用ALD方法淀积的介质层A1203具有优越的栅绝缘性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386

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本文编号：1597289