[论文解读] 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 32

一句话总结

本论文展示了栅长为20–80 nm的InGaAs栅全 around（GAA）纳米线MOSFET，实现了1.2 nm的超薄等效氧化物厚度（EOT）和63 mV/dec的创纪录最低亚阈值摆幅（SS）。通过缩小纳米线宽度和EOT，器件在0.5 V电压下实现了高达0.63 mA/μm的开启电流（ION）和1.74 mS/μm的跨导（gm），展现出在10 nm及以下低功耗、高速逻辑应用中的巨大潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发适用于亚10 nm节点逻辑应用的高性能InGaAs栅全 around（GAA）纳米线MOSFET。
• 通过探索具有更高电子迁移率的III-V族材料，解决硅基晶体管在10 nm以下节点的扩展挑战。
• 通过纳米线结构和超薄高κ介质实现优异的静电控制和低漏电流。
• 通过将EOT和纳米线宽度分别缩小至1.2 nm和20 nm，展示器件的可扩展性和高性能。
• 验证InGaAs GAA纳米线FET在低功耗、高速数字电路中的潜力。

提出的方法

• 采用自上而下的纳米线转移工艺，制备出具有受控直径和晶体取向的InGaAs纳米线。
• 采用高κ HfSiO介质实现栅全 around（GAA）结构，获得1.2 nm的超薄等效氧化物厚度（EOT）。
• 将纳米线宽度（WNW）缩小至20 nm，以增强静电控制并减少短沟道效应。
• 采用快速退火工艺改善介质/半导体界面质量并降低界面陷阱密度。
• 在VDD = 0.5 V下，测量不同栅长（20–80 nm）下的器件性能，以评估可扩展性。
• 采用标准MOSFET表征技术：转移和输出特性曲线、亚阈值摆幅（SS）、DIBL、ION和gm。

实验结果

研究问题

• RQ1 在栅长20–80 nm、EOT ≤ 1.2 nm的条件下，InGaAs GAA纳米线MOSFET能否实现低于65 mV/dec的亚阈值摆幅？
• RQ2 纳米线宽度缩小（至20 nm）和EOT降低对器件性能和静电控制有何影响？
• RQ3 在超薄介质条件下，能否在低电源电压（VDD = 0.5 V）下保持高开启电流（ION）和跨导（gm）？
• RQ4 高κ介质与InGaAs沟道之间的界面质量如何影响亚阈值摆幅和DIBL？
• RQ5 在10 nm节点及以后，InGaAs GAA纳米线FET在功耗-延迟积方面相较于传统Si MOSFET的性能优势有多大？

主要发现

• 器件实现了创纪录的63 mV/dec最低亚阈值摆幅（SS），表明具有优异的栅控能力及高质量界面。
• 仅7 mV/V的漏致势垒降低（DIBL）证实了强大的静电完整性和极小的短沟道效应。
• 在VDD = 0.5 V下，实现了0.63 mA/μm的最高开启电流（ION）和1.74 mS/μm的跨导（gm），适用于低功耗逻辑电路。
• EOT已成功缩小至1.2 nm，同时纳米线宽度减小至20 nm，实现了高性能与可扩展性的结合。
• 器件性能在20–80 nm的广泛栅长范围内保持稳定，证明了其出色的可扩展性。
• 结果证实，InGaAs GAA纳米线FET是10 nm及以后CMOS技术节点的有力候选者。