[论文解读] Realizing lateral wrap-gated nanowire FETs: Controlling gate length with chemistry rather than lithography

Kristian Storm, Gustav Nylund+2 more|Figshare|Jan 18, 2012

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于化学的新型方法，通过单次湿法刻蚀精确控制栅极长度，实现横向环绕栅极纳米线场效应晶体管的制造，无需额外光刻工艺。该技术实现了强而对称的栅极调控，4 K下亚阈值斜率低至32 mV/decade，显著提升电学性能，并推动一维量子输运与传感的先进研究。

ABSTRACT

An important consideration in miniaturizing transistors is maximizing the coupling between the gate and the semiconductor channel. A nanowire with a coaxial metal gate provides optimal gate-channel coupling, but has only been realized for vertically oriented nanowire transistors. We report a method for producing laterally oriented wrap-gated nanowire field-effect transistors that provides exquisite control over the gate length via a single wet etch step, eliminating the need for additional lithography beyond that required to define the source/drain contacts and gate lead. It allows the contacts and nanowire segments extending beyond the wrap-gate to be controlled independently by biasing the doped substrate, significantly improving the sub-threshold electrical characteristics. Our devices provide stronger, more symmetric gating of the nanowire, operate at temperatures between 300 to 4 Kelvin, and offer new opportunities in applications ranging from studies of one-dimensional quantum transport through to chemical and biological sensing.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、低光刻工艺的横向环绕栅极纳米线场效应晶体管制造方法，实现优异的栅极-沟道耦合。
• 克服传统横向栅极方法导致的电荷分布不均与亚阈值特性差的局限性。
• 通过基底偏置实现对接触与纳米线段的独立控制，超出栅极范围。
• 实现强而对称的栅极调控，提升低温量子输运与传感应用的性能。
• 展示一种与高性能电子器件及功能化传感平台均兼容的制造工艺。

提出的方法

• 该方法采用自组装的InAs纳米线，其包含75 nm的InAs0.95P0.05段，依次通过原子层沉积（ALD）和溅射法覆盖12 nm Al2O3、16.5 nm W、11.5 nm Au及另一层12 nm Al2O3。
• 将纳米线转移至掺杂浓度较高的Si基底上，该基底表面具有30 nm SiO2与10 nm HfO2双层结构，以在刻蚀过程中保护基底。
• 利用电子束光刻在PMMA抗蚀层上定义源极与漏极接触，同时保持环绕栅极与外层氧化物完整。
• 通过三步湿法刻蚀控制栅极长度：BHF去除外层Al2O3，碘基金蚀刻液定义栅极长度，H2O2去除暴露的W层。
• HfO2层在BHF与H2O2步骤中选择性刻蚀速率较慢，有效保护SiO2基底。
• 通过热蒸发与剥离工艺形成栅极电极与Ni/Au接触，实现基底与环绕栅极的独立控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过单次湿法刻蚀步骤，在不增加额外光刻工艺的前提下，精确控制横向环绕栅极纳米线场效应晶体管的栅极长度？
• RQ2 基底独立偏置是否能降低接触电阻，同时保持环绕栅极带来的强而对称的栅极调控？
• RQ3 在低温下，横向环绕栅极纳米线场效应晶体管的亚阈值性能如何？与传统栅极结构相比有何差异？
• RQ4 该器件结构是否能同时支持高灵敏度电子测量与通过暴露的Au栅极表面直接进行生物化学功能化？
• RQ5 通过刻蚀浓度与时间调节栅极长度，对器件性能与可重复性有何影响？

主要发现

• 在室温下，环绕栅极的反向亚阈值斜率为196 mV/decade，显著优于基底栅极的1480 mV/decade。
• 在4 K下，环绕栅极的反向亚阈值斜率进一步优化至32 mV/decade，开启-关闭电流比超过10^6，关断电流低于1 pA。
• 在Chip A上17个器件的平均亚阈值斜率为198 ± 38 mV/decade，表明具有高可重复性与一致性。
• 基底栅极在低电流区域表现出更嘈杂的响应，归因于其对接触的不利影响；而环绕栅极则提供更清晰、更对称的调控。
• 该方法通过单次湿法刻蚀即可实现栅极长度调节，无需在源/漏接触定义之外增加额外光刻工艺。
• 暴露的Au栅极表面可通过巯基键合实现与抗体的直接功能化，为生物传感应用提供可能。