西電劉艷團(tuán)隊(duì)于IEEE EDL四月刊發(fā)布了基于靜電摻雜的鐵電晶體管器件，相比化學(xué)摻雜工藝，其具有非揮發(fā)、可重構(gòu)、輕摻雜漏極、高源漏摻雜濃度、低源漏電阻等優(yōu)良特性，對(duì)于先進(jìn)集成電路工藝微縮和后摩爾新型器件提供了更多的解決路徑。

研究背景

化學(xué)摻雜技術(shù)被大規(guī)模運(yùn)用于半導(dǎo)體器件的制造，但其技術(shù)有著包括較高的摻雜活化熱預(yù)算、低于固溶極限的摻雜濃度、雜質(zhì)散射和摻雜梯度在內(nèi)各種問(wèn)題。相應(yīng)地，靜電摻雜技術(shù)被認(rèn)為是最具有替代化學(xué)摻雜技術(shù)的新路線。通過(guò)這種技術(shù)，摻雜可以被能帶和臨近電極費(fèi)米能級(jí)的相對(duì)能量差所控制，通過(guò)功函數(shù)調(diào)控或外偏置可實(shí)現(xiàn)有效控制。

作為化學(xué)摻雜技術(shù)的替代，靜電摻雜技術(shù)因其非易失性、載流子可控的特性，基于該技術(shù)的可重構(gòu)晶體管被提出，但這需要額外偏置條件來(lái)克服易揮發(fā)性。由于非易失性和可控的極化狀態(tài)，鐵電材料在非易失性存儲(chǔ)器方面的應(yīng)用越來(lái)越廣，這為實(shí)現(xiàn)非易失性和可重構(gòu)性提供了技術(shù)路徑。

西電劉艷教授團(tuán)隊(duì)與新加坡國(guó)立大學(xué)及印度理工學(xué)院聯(lián)合課題組在這一研究方向上取得了重要進(jìn)展，以“Proposal of Ferroelectric Based Electrostatic Doping for Nanoscale Devices”為題發(fā)表于IEEE Electron Device Letters，鄭思穎為第一作者，西電劉艷教授和新加坡國(guó)立大學(xué)的Jiuren Zhou為共同通訊作者。

研究?jī)?nèi)容

在本項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)提出了基于鐵電材料的經(jīng)典摻雜技術(shù)，通過(guò)插入極性門的鐵電薄膜實(shí)現(xiàn)了非揮發(fā)性和可重構(gòu)性，可在不需要恒定偏置條件的情況下制備基于鐵電材料靜電摻雜技術(shù)的可重構(gòu)納米片場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具有自然形成的輕摻雜漏極（LDD）*和每立方厘米超過(guò)1021的極高的源漏區(qū)摻雜濃度，可改善晶體管亞閾值擺幅*、抑制漏極感應(yīng)勢(shì)壘降低（DIBL）*、獲得超低源漏區(qū)電阻。

*輕摻雜漏極：全稱Lightly doped drain，在雙擴(kuò)散漏（double diffuse drain）工藝上發(fā)展而來(lái)，在MOS側(cè)墻形成之前增加一道輕摻雜的離子注入流程，側(cè)墻形成后依然進(jìn)行源漏重?fù)诫s離子注入，漏極和溝道之間會(huì)形成一定寬度的輕摻雜區(qū)域；相比DDD工藝降低了器件漏極附近峰值電場(chǎng)，削弱了熱載流子注入效應(yīng)。

*亞閾值擺幅：Subthreshold swing，是衡量晶體管開(kāi)啟與關(guān)斷狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換速率的性能指標(biāo)，它代表源漏電流變化十倍所需要柵電壓的變化量，又稱為S因子，S越小意味著開(kāi)啟關(guān)斷速率ON/OFF越快。

漏極感應(yīng)勢(shì)壘降低：Drain induction barrier lower，也稱漏極誘導(dǎo)勢(shì)壘降低，短溝道效應(yīng)之一，當(dāng)溝道長(zhǎng)度減小、VDS增加、使得漏結(jié)與源結(jié)的耗盡層靠近時(shí)，溝道中的電力線可以從漏區(qū)穿越到源區(qū)，并導(dǎo)致源極端勢(shì)壘高度降低，從而源區(qū)注入到溝道的電子數(shù)量增加，結(jié)果漏極電流增加。

晶體管參數(shù)表

圖(a)鐵電納米片晶體管示意圖

圖(b)鐵電薄膜的自極化和可控極化

圖(c)可重構(gòu)晶體管能帶圖

制備過(guò)程關(guān)鍵三步：

極性柵極-自對(duì)準(zhǔn)控制柵-源漏接觸

VPG、VGS、VDS均為0時(shí)的載流子濃度分布

ID-VG曲線和ID-VD曲線

幾類摻雜技術(shù)的成果對(duì)比

前景展望

本文所介紹的研究成果實(shí)現(xiàn)了無(wú)恒定偏置下實(shí)現(xiàn)晶體管的非揮發(fā)性和可重構(gòu)性，并具有各種良好的性能改進(jìn)，但對(duì)于超低漏源電阻的改進(jìn)，還需要進(jìn)一步的研究?？偠灾?，該技術(shù)為先進(jìn)納米器件和和后摩爾新型器件提供了一種新的解決路徑，在forksheet*等高集成度的先進(jìn)工藝中非揮發(fā)性和可控?fù)诫s是必要的。

*forksheet：通過(guò)在nanosheet結(jié)構(gòu)中加入電介質(zhì)“墻”隔離同型溝道實(shí)現(xiàn)晶體管單元面積縮小的一種晶體管結(jié)構(gòu)。

原文標(biāo)題：科研前線 | 西電靜電摻雜新成果推動(dòng)新型器件研發(fā)

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