赵毅教授课题组近日在高性能锗器件领域取得进展，通过优化器件的源漏工程和栅极工程获得了高质量的锗沟道场效应晶体管（Ge MOSFET）器件。相关成果发表在电子器件领域的顶级期刊IEEE Transactions on Electron Devices (10.1109/TED.2016.2564996)和IEEE Electron Device Letters (http://ieeexplore.ieee.org/xpl/abstractAuthors.jsp?arnumber=7478564&filter%3DAND%28p_IS_Number%3A4357973%29%26pageNumber%3D2) 上。两篇文章的第一作者均为张睿博士。
传统的MOSFET器件采用Si作为沟道材料，并利用缩短器件沟道的长度获得更高的性能，但同时将导致剧烈的短沟道效应。因此，为了突破当前量产化的14 nm节点技术，人们提出了三维沟道、新材料、新传输机理等多种方法。其中，利用高迁移率半导体材料（如Ge）替代Si沟道，可以在不缩短沟道长度的前提下提升器件的性能，被认为是下一代高性能MOSFET器件最有可能采用的技术方案。
在Ge MOSFET中，实现具有低寄生电阻、高开关比的源漏是获得高性能器件的关键问题之一。由于锗材料中掺杂离子的固溶度相比硅更低，同时掺杂离子的热扩散系数较大，很难形成寄生电阻低、整流特性好的p-n结源漏。利用金属源漏（如NiGe）可以有效降低源漏寄生电阻，但存在金属-半导体肖特基结势垒高度难以调节，结漏电较大的问题。本研究中利用微波退火法实现了具有NiGe/Ge肖特基结，在利用NiGe金属低电阻率优势的同时有效抑制了结漏电，实现了国际上开关比最大的金属源漏Ge pMOSFET（图1）。
图1 （a）利用微波退火法（MWA）实现的NiGe/Ge肖特基结的I-V特性；
（b）NiGe金属源漏Ge pMOSFET的转移特性；
通过利用该NiGe/Ge肖特基结作为源漏，获得了性能优异的NiGe金属源漏Ge pMOSFET器件。器件的源漏寄生电阻仅为传统离子注入器件的1/5，并通过调节微波参数实现了NiGe/Ge肖特基势垒的可控调节，相比热退火器件实现了3倍的电流提升（图2）。
图2 （a）NiGe金属源漏Ge pMOSFET器件中的寄生电阻；
（b）微波退火Ge pMOSFET器件与传统热退火器件的输出特性对比。
对于提高Ge MOSFET的性能，除了通过源漏工程减小寄生电阻，还需要提高反型层载流子的迁移率实现。Ge MOSFET性能比Si MOSFET性能更高的物理机制在于Ge具有很高的理论电子和空穴迁移率，并在厚度很大的热氧化GeO2/Ge栅极结构中得到证实。但是，针对量产化的Ge MOSFET必须充分减小栅极厚度以提升器件电流，如何获得同时具有超薄厚度和高迁移率的锗基栅极，一直是制约Ge MOSFET产业化的瓶颈。本研究利用臭氧穿透高介电常数HfO2/AlOx栅氧层生成极薄氧化锗进行界面钝化的方法，在保持超薄厚度的情况下，获得了具有优异电学性能的HfO2/AlOx/GeOx锗基栅极。同时利用微量Ge掺杂的方法，诱导HfO2薄膜晶化，减小栅极的整体等效厚度（图3）。
图3 利用臭氧后氧化法制备的HfO2/AlOx/GeOx/Ge栅极结构的透射电镜结果（a）及其晶化情况（b）。
利用这一超薄锗基栅极，获得了国际上栅极厚度最薄的高性能Ge pMOSFET器件，栅氧等效氧化层厚度（EOT）仅为0.6 nm。并在这些Ge pMOSFET器件中，实现了国际上最高的空穴迁移率，达到文献报道值的4.1倍（图4）。
图4 臭氧后氧化法（OPO）制备的HfO2/AlOx/GeOx/Ge pMOSFET器件的转移特性（a），以及空穴迁移率与其他栅极结构器件的对比（b）。
以上研究工作得到了国家自然科学基金，浙江省杰出青年基金以及硅材料国家重点实验室的资助。
