后硅器件的替代通道材料系列中的第三篇:InGaAs栅极堆
正如本系列前面所讨论的，大多数提议的替代通道方案依赖于pMOS晶体管的锗通道和nMOS晶体管的InGaAs通道。在这两种材料中，InGaAs面临的集成挑战要大得多。锗已经出现在先进的硅CMOS晶圆厂几代技术中，自2006年左右被引入用于应变硅结构。相比之下，InGaAs对于硅CMOS行业来说是全新的产品。
这不是一种新的半导体。InGaAs高电子迁移率晶体管(hemt)用于雷达、毫米波和微波通信，以及类似的高增益、低噪声应用。然而，现有的InGaAs工艺流程很可能会误导与硅CMOS集成的潜在方案。hemt通常使用在0.53遗传算法0.47As，选择与InP晶格相容性。虽然这种结构很好理解，并且已经成为大多数潜在的InGaAs-MOSFET方案研究的基础，但它并不本质上优于其他选择。此外，InP和In0.53遗传算法0.47与硅的晶格失配率为8%。这种不匹配引起的缺陷是硅集成的一个严重的潜在问题，但在InP衬底的研究中还不需要解决。
作为以前讨论的，毯状沉积InGaAs，然后是一个减法晶体管形成过程，直观上是吸引人的，但可能不是理想的。晶圆厂更喜欢平行形成InGaAs和Ge结构，而不是必须先沉积和去除一层厚厚的材料，然后再去除另一层。干蚀刻InGaAs是困难的，无论是湿蚀刻步骤还是干蚀刻步骤都会将剧毒的砷基蚀刻副产物引入fab废料流。分子束外延通常用于化合物半导体器件制造，是一种速度慢、视线较近的技术，不适合填充沟槽等三维结构。相对较少的研究将金属有机气相外延(MOVPE)作为替代品，但在2011年IEEE电子器件会议上，来自英特尔的研究人员报道用MOVPE沉积在硅上获得了与MBE InGaAs在InP上的迁移率相当的迁移率。
最后，目前还不清楚当替代通道材料进入CMOS生产时，如何将HEMT晶体管结构缩小到可能需要的10nm级器件。HEMT器件通常具有较厚的氧化物介质，并且不能自对准。与此同时，在硅CMOS中，介电厚度下降到1nm以下(等效氧化物厚度)，自对准晶体管是常态。InGaAs MOS设备也需要效仿。它们可能还需要集成到FinFET和其他多门结构中:来自普渡大学的研究人员指出在2010年的IEEE磷化铟及相关材料会议上，III-V晶体管面临着与硅晶体管相同的短通道效应，更糟糕的是它们的带隙更小。
与硅一样，与锗一样，InGaAs/栅极介电界面的表面质量在晶体管的整体性能中起着重要作用。然而，与元素半导体相比，InGaAs表面极其复杂。根据沉积条件和表面处理的不同，暴露的表面可能富含In-、Ga-或as，其天然氧化物成分也有相应的变化。铟氧化物和砷氧化物都倾向于在相对较低的温度下分解，产生一个由相对稳定的镓氧化物主导的表面。几组使用稳定的遗传算法2O3.以天然氧化物为起始点，掺入钆要创建遗传算法2O3.(Gd2O3.）(GGO)介电层。表面氧化物有助于在InGaAs/介电界面产生高密度的陷阱;工艺设计人员需要仔细控制腔室环境，以获得他们想要的表面成分。
当需要清洁的半导体表面时，几项研究表明，报道在一个夫人公告在2009年的综述中，已经发现了初始三甲基铝(TMA)脉冲在原子层中的沉积艾尔2O3.减少天然氧化物。事实上，阿尔的研究取得了积极的成果2O3.电介质可以归因于这种表面清洁，而不是铝的固有优势2O3.本身。加州大学圣巴巴拉分校和宾夕法尼亚州立大学的研究人员实现使用氮等离子清洗，结垢或HfO的结果相当2单独或单独2O3./高频振荡器2双分子层介电降低到0.6 nm EOT，界面陷阱密度低。然而，到目前为止，还没有一致的电介质解决方案出现。
介电沉积也不会结束介电/半导体界面的演化。IMEC III-V/Ge研发经理Nadine Collaert观察到，铟和砷尤其能够从半导体扩散到电介质中。氧和其他沉积后等离子体处理可以在稳定界面方面发挥重要作用。正如应用材料前端技术专家Atif Noori所解释的那样，门堆栈必须被视为一个集成的过程:
无论这些子过程中的一种方法是多么有前途，只有集成到完整的晶体管流中才能明确地表征其性能。
硅CMOS的历史提醒我们，工艺工程师最好的计划往往会搁浅在工艺集成的现实中。硅工业花了几十年的时间才从微米级器件扩展到25纳米以下。然而，大多数用于InGaAs工艺研究的器件仍然相当大，栅极尺寸超过100纳米。进一步的扩展可能会带来更多的挑战，InGaAs的支持者将需要满足一个非常激进的时间表，以在CMOS路线图上找到一席之地。
编者注:本系列的研究开始于2013年IEEE电子设备会议召开之前，因此只是顺便提到了最近的发展。下一部分也是最后一部分将弥补这一遗漏，将IEDM的发展纳入到迄今为止发展的更大的图景中。
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Ge代表PMOS, InGaAs代表NMOS。
你说得对，我有。固定的。谢谢你的指正。
[…]高质量的栅极电介质是下一步。在这方面，最近的结果提供了乐观的理由。如前所述，初始Al2O3沉积似乎不需要钝化InGaAs界面。虽然[…]