[論文レビュー] 20-80nm Channel Length InGaAs Gate-all-around Nanowire MOSFETs with EOT=1.2nm and Lowest SS=63mV/dec

Jiangjiang Gu, X. W. Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2012

Semiconductor materials and devices参考文献 5被引用数 32

ひとこと要約

本稿では、チャネル長20–80 nmのInGaAsゲートアラウンドナノワイヤMOSFETを実証し、1.2 nmの超薄い等価酸化膜厚さ(EOT)と記録的な低さ63 mV/decのサブスレッショルドスイング(SS)を達成した。ナノワイヤ幅とEOTをスケーリングすることで、0.5 Vで高いオン電流(0.63 mA/μm)とトランスコンダクタンス(1.74 mS/μm)を実現し、10 nm以下の低消費電力・高速論理応用への強力な可能性を示した。

ABSTRACT

In this paper, 20nm - 80nm channel length (Lch) InGaAs gate- all-around (GAA) nanowire MOSFETs with record high on- state and off-state performance have been demonstrated by equivalent oxide thickness (EOT) and nanowire width (WNW) scaling down to 1.2nm and 20nm, respectively. SS and DIBL as low as 63mV/dec and 7mV/V have been demonstrated, indicating excellent interface quality and scalability. Highest ION = 0.63mA/μm and gm = 1.74mS/μm have also been achieved at VDD=0.5V, showing great promise of InGaAs GAA technology for 10nm and beyond high-speed low- power logic applications.

研究の動機と目的

• 10 nm未満ノード向けの高性能InGaAsゲートアラウンド(GAA)ナノワイヤMOSFETの開発を目的とする。
• Siベースのトランジスタを10 nmを越えてスケーリングする挑戦に応えるために、優れた電子移動度を示すIII-V半導体の探索を目的とする。
• ナノワイヤ形状と超薄い高κ酸化膜を用いて、優れた静電的制御と低リーク率を実現することを目的とする。
• EOTとナノワイヤ幅をそれぞれ1.2 nmおよび20 nmにまで低減することで、スケーラビリティと高性能を実証することを目的とする。
• InGaAs GAAナノワイヤFETが、低消費電力・高速デジタル回路に与える可能性を検証することを目的とする。

提案手法

• トップダウン式ナノワイヤ移行プロセスを用いて、直径と結晶方位を制御したInGaAsナノワイヤを形成した。
• 高κ HfSiO酸化膜を用いたゲートアラウンド(GAA)構造を実装し、1.2 nmという超薄い等価酸化膜厚さ(EOT)を達成した。
• 静電的制御の強化とショートチャネル効果の低減を目的に、ナノワイヤ幅(WNW)を20 nmまでスケーリングした。
• 酸化膜/半導体界面の品質を向上させ、界面準位密度を低減するために、急速熱アニールを実施した。
• スケーラビリティを評価するために、VDD = 0.5 Vで20–80 nmのさまざまなチャネル長にわたりデバイス特性を測定した。
• 標準的なMOSFET特性評価手法を用いた：トランスファーカーブおよび出力カーブ、サブスレッショルドスイング(SS)、DIBL、ION、gm。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EOT ≤ 1.2 nmの条件下で、20–80 nmのチャネル長において、InGaAs GAAナノワイヤMOSFETが65 mV/dec未満のサブスレッショルドスイングを達成できるか？
• RQ2 ナノワイヤ幅のスケーリング（20 nmまで）とEOT低減が、デバイス特性および静電的制御に与える影響は何か？
• RQ3 超薄い酸化膜を用いた場合に、低電源電圧（VDD = 0.5 V）でも高いオン電流（ION）とトランスコンダクタンス（gm）を維持できるか？
• RQ4 高κ酸化膜とInGaAsチャネルの界面品質が、サブスレッショルドスイングおよびDIBLに与える影響は何か？
• RQ5 10 nmノード以降において、InGaAs GAAナノワイヤFETは、従来のSi MOSFETに比べて、パワー・ディレイ・プロダクトの面でどの程度優れているか？

主な発見

• 記録的な低さ63 mV/decのサブスレッショルドスイングを達成し、優れたゲート制御と高品質な界面を示した。
• ドレイン誘導障害低下（DIBL）がわずか7 mV/Vにとどまり、強い静電的完全性と最小限のショートチャネル効果を確認した。
• VDD = 0.5 Vで最高のオン電流（ION）0.63 mA/μmとトランスコンダクタンス（gm）1.74 mS/μmを達成し、低消費電力論理に適した。
• EOTを1.2 nmまで低減するとともに、ナノワイヤ幅も20 nmまで縮小し、高性能とスケーラビリティを実現した。
• 20–80 nmの広い範囲のチャネル長にわたり、性能が一貫して維持されたことから、強固なスケーラビリティを示した。
• 結果から、InGaAs GAAナノワイヤFETが10 nm以降のCMOS技術ノードにとって強力な候補であることが確認された。