采用新型沟道释放与钝化技术的四层堆叠Si0.7Ge0.3沟道栅极全环绕晶体管

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Four-Level Stacked Si0.7Ge0.3 Channel Gate-All-Around Transistor Using Novel Channel Release and Passivation Technology

SiGe纳米片GAAFET通过S-TMAH溶液和O3/Al2O3复合钝化技术实现优异性能，通道选择比达23.5:1，界面态密度降低49%，亚阈值摆幅71mV/dec，载流子迁移率221cm2/(V·s)，开关比4.7×10^6。

　　

摘要：

采用新型的通道释放和钝化技术，成功制备了四层结构的Si0.7Ge0.3纳米片（NS）栅极全环绕场效应晶体管（GAAFET）。首先，开发了一种新型的S-TMAH溶液，在四甲基氨氢氧化物（TMAH）中添加了表面活性剂，将Si对Si0.7Ge0.3的选择性提高到23.5:F1，并获得了优异的Si0.7Ge0.3纳米片形态。此外，与传统的仅使用O3的钝化方法相比，还采用了O3+Al2O3钝化技术，将漏电流（Dit）降低了49%。采用上述新技术后，堆叠的Si0.7Ge0.3 NS GAAFET表现出优异的电学性能：亚阈值摆幅（SS）为71 mV/dec，开启漏电流（DIBL）为14 mV/V，峰值空穴迁移率为221 cm2/V，导通/关断电流比为4.7×10?。这证明了S-TMAH释放工艺结合O3+Al2O3钝化技术是应用于SiGe高迁移率通道GAAFET的有前景的候选方案。

引言

硅锗（SiGe）因其优异的空穴迁移率和与栅极全环绕场效应晶体管（GAAFET）的兼容性，被认为是3纳米节点及以下技术中最有前途的通道材料替代品[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。然而，SiGe通道GAAFET仍面临两个主要技术挑战：SiGe通道的制备和界面钝化问题。目前已提出了三种制备SiGe通道的方法：第一种方法是直接选择性地蚀刻Si牺牲层以保留SiGe通道[4]、[6]、[7]、[8]、[9]；第二种方法是先使用Si纳米片（NS）进行修整，然后外延生长SiGe层[2]、[10]、[11]；第三种方法是选择性地去除高浓度SiGe牺牲层以保留低浓度SiGe通道[12]。与前两种方法相比，第一种方法具有成本较低、外延难度较小以及与Si栅极全环绕（GAA）工艺兼容的优点，但通道释放过程的选择性相对较低。目前，通常使用碱性溶液（如四甲基氨氢氧化物（TMAH）来选择性地蚀刻Si到SiGe。例如，Chu等人[8]和Cheng等人[13]分别使用2.38%的TMAH和25%的TMAH成功制备了双层SiGe通道GAAFET。然而，上述两种释放方法的选择性较低，导致SiGe通道损失较大，从而限制了GAAFET驱动能力的提升。因此，提高Si对SiGe的选择性已成为SiGe NS GAAFET发展的关键因素。此外，在SiGe通道中，界面层（IL）上不希望形成的GeO会增加界面陷阱（D）的密度[14]。较高的Dit会影响有效载流子迁移率以及亚阈值摆幅（SS）[15]。为了解决这个问题，已经探索了许多IL形成的钝化方法，如臭氧钝化、Al2O3钝化[16]、O2钝化[17]或氮等离子体处理[18]等。然而，据我们所知，目前还没有关于采用实用且有效钝化技术的SiGe通道NS GAAFET的详细研究。