论文部分内容阅读
近几十年以来,随着微电子技术的发展,包括微电子材料、设备等进步,金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)按照摩尔定律不断推进。随着晶体管特征尺寸的不断减小,晶体管出现了许多新的亟待解决的科学问题,比如短沟道效应、功耗增加等。由此,衍生出了许多新型技术来提高晶体管的电学特性,如应变硅技术、金属栅极/高k栅极氧化物技术、绝缘层上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)技术、鳍式栅极(FinFET)技术、高迁移率沟道材料技术、新机理晶体管技术等。半导体Ge材料拥有远比Si更高的迁移率,是非常有应用前景的晶体管沟道材料。超薄绝缘层上半导体材料结构能够很好地抑制短沟道效应,是一种较理想的结构。结合以上两点优势,超薄绝缘层上Ge(GeOI)MOSFET是一种很好的能提升晶体管性能的选择。另外,微电子行业的发展也为其他领域带来了极大的便利,其中包括医学检测。离子敏感场效应晶体管(Ion Sensitive Field Effect Transistor,ISFET)和聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)数字芯片是其中两个重要的研究方向。本论文以实现高性能超薄GeOIMOSFET及交叉结合微电子与医学检测为目的,进行了以下几个方面的研究:高质量超薄GeOI衬底的实现;高性能超薄GeOIMOSFET的实现;超薄GeOI晶体管的背栅压调控作用;超薄GeOIISFET的实现与调控;高通量数字PCR芯片的实现与表征。具体研究内容如下:首先,通过氧化物直接键合体Ge/体Si与研磨抛光技术得到了高晶体质量的超薄GeOI衬底。在该研究中,为了得到平整的氧化物表面,我们用原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition,ALD)生长了A12O3薄膜。键合后,通过机械研磨、化学机械抛光和刻蚀氧化减薄技术艺得到了超薄GeOI衬底。之后,我们用多种半导体表征技术对得到的超薄GeOI衬底进行验证。第一步,我们验证了Ge薄膜厚度为9nm,符合超薄结构,且Ge薄膜中无明显的缺陷或者位错存在。第二步,表面粗糙度得到了表征,数值约为0.2 nm,且均匀性很好。第三步,Ge膜的晶体质量通过拉曼光谱和X射线衍射仪测试,结果显示其Ge膜的晶体质量得到了保持。第四步,Ge膜的载流子霍尔迁移率也得到了表征,其中在Ge膜为537nm时,空穴的霍尔迁移率达到了1330cm2/Vs。接着,我们实现了 GeOI背栅nMOSFET的基本特性,证明新方法得到的GeOI衬底适合做晶体管。但是晶体管性能还有待提高,因此我们通过后氧化技术提升了A1203与Ge之间的界面,降低了界面态密度,优化了超薄GeOI衬底。基于此条件,我们实现了不同厚度的高性能GeOIpMOSFETs,研究了晶体管特性对Ge薄膜厚度的依存性。研究发现,随着Ge薄膜厚度的降低,沟道反型层载流子受到的散射加强,迁移率降低,晶体管驱动电流随之减小。另外,我们比较了新方法得到的GeOI与智能剥离GeOI晶体管的电学特性,发现高晶体质量与良好的界面质量使得抛光GeOI晶体管的性能要优于智能剥离晶体管。最后,我们研究了 GeOI晶体管在低温下的载流子特性。然后,我们通过施加背栅压(VBG)研究了GeOI pMOSFETs中沟道载流子的输运特性。研究发现,VBG能够明显地调控沟道载流子的分布情况。当VBG为正电压时,载流子分布更加靠近上界面,增大了由界面态引起的库伦散射(Coulomb Scattering)和表面粗糙度引起的表面粗糙度散射(Surface Scattering)。因此,正的VBG降低了整体的载流子有效迁移率。当VBG为负电压时,情况则相反,载流子分布往Ge膜中心移动,降低了散射概率,提升了迁移率。此外,我们还研究了前栅晶体管的迁移率对于Ge膜厚度的依存性,发现随着Ge膜厚度的降低,Ge膜中电场加强,沟道载流子受到的散射也加剧,空穴的迁移率也降低。最后,本论文交叉半导体技术与医学检测技术,得到了高灵敏度的GeOI ISFET和高通量数字PCR芯片。基于GeOI衬底,我们首次实现了 GeOI ISFET,并且研究了VBG对ISFET的离子灵敏度响应,实现了灵敏度的提升。另外,我们通过调整工艺得到精确的刻蚀技术,实现陡直度很好的数字PCR微反应室。之后,通过氧化技术实现了微反应室的表面钝化。最后,通过PCR扩增反应结果看到,我们实现微反应室数字PCR芯片能够有效地分型,且有效孔数达到了 12000个以上。