后硅器件的替代通道材料系列文章的第二篇。谁是主要的候选人，为什么他们现在受到如此多的关注?
如在第一篇文章在这个系列中，锗是接替硅作为先进晶体管通道材料的主要候选者之一，并且已经存在了好几年。中详细介绍了锗集成的基本挑战2007．不幸的是，知道问题是什么并不一定能找到解决方案。
当MOSFET晶体管打开时，栅极电容器在通道上施加电场，从而产生电流逆温层．这使得少数载流子(pfet中的空穴，nfet中的电子)在源极和漏极之间流动。当晶体管关闭时，就没有电容了:源极、漏极和通道之间的能量屏障阻止了电流的流动。随着晶体管的收缩，产生反转层所需的电场密度增加，因此栅极电容必须增加。在某种程度上，这是通过减小栅极电介质的厚度来实现的。然而，当栅极介电厚度下降到只有几纳米时，量子力学效应允许载流子隧穿它，增加栅极泄漏，最终使晶体管短路。
硅晶体管已经遇到了这个问题，这导致了高k门介电材料的引入。随着介电常数(k)的增加，较厚的物理层可以获得相同的电容。设计师可以最小化泄漏，同时获得他们需要的静电控制。
同样的要求也适用于锗晶体管。然而，在锗中，钝化锗/介电界面的需要引入了额外的复杂性。在硅晶体管中，存在一些天然氧化物单层是给定的，无论栅极层使用什么电介质，都可以沉积在稳定的表面上，不存在悬浮的硅键。
钝化界面对锗晶体管也很重要，界面状态可以降低表面载流子密度，但锗的原生氧化物远不如SiO合作2．地理2会钝化表面，但是水溶性的，在250℃左右分解为GeO, GeO是不稳定的，在450℃左右解吸。虽然这种行为使原子清洁的锗表面相对容易实现，但直接沉积金属氧化物也会引起问题，因为锗会扩散到氧化物中。此外，介质倾向于外延生长，晶格失配导致界面处位错密度高。
早期的锗集成方案依赖于厚硅2盖层在厚厚的原生锗氧化物上。这些结构为进一步的介电沉积提供了一个稳定的表面，同时防止氧化物击穿。一个2009年评论文章因为MRS公报的结论是载流子迁移率随着这些层的厚度而增加。不幸的是，厚帽层会增加电介质的总厚度，对于10纳米以下的器件来说并不是一个合适的选择等效氧化层厚度(EOT)小于1nm。
正如应用材料公司全球产品营销总监John Boland所解释的那样，该行业还没有确定单一的锗集成方案。然而，尽管存在缺陷，GeO2可能是最好的表面钝化层可用，金属氧化物-典型的HfO2或氧化铝2-在不打破真空的情况下立即生长在上面。例如，ibm和麻省理工学院的一个联合项目获得了研究人员称是第一个采用臭氧钝化锗表面，然后在原子层沉积HfO的锗通道MOSFET的1nm以下EOT2．
如果采用这种方法，将对晶圆厂运营产生重大影响。虽然在理论上，集群工具总是能够在一个工具中执行多个步骤，但在实践中，晶圆厂发现，将所有可用的腔室用于单个工艺步骤可以提供更高的总体吞吐量。如果一个腔室关闭，其他腔室可以继续加工晶圆。相反，如果每个腔室都用于不同的沉积层，则一个腔室的丢失将使工具完全离线。到目前为止，增加正常运行时间的好处已经超过了层之间原子清洁接口的好处，但这个等式可能正在改变。
正在考虑的其他集成方案是将金属氧化物直接沉积到金属锗上，然后在锗和电介质之间的界面处使用沉积后处理形成氧化物或氮化氧。在工作报道在2012年的IEEE电子器件会议(IEDM，旧金山)上，东京大学的张锐和他的同事发现，界面层的厚度和粗糙度都会影响最终晶体管的载流子迁移率。随着等离子体氧化后处理温度的升高，锗/氧化锗界面粗糙度增大，迁移率降低。
尽管如此，博兰表示，他预计第四组材料，包括硅和锗，将与我们一起直到远远超过10nm技术节点。下一步，即III-V型化合物半导体通道，将提出更加困难的挑战，本系列的下一篇文章将对此进行讨论。
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SiO2对任何东西都不是很好的钝化剂，因为玻璃中有所有的悬浮键，因为玻璃是无定形固体。这意味着大量的移动离子，它从大气中吸收水蒸气。由于锗晶体是四面体(金刚石)晶格，因此需要与半导体晶体晶格相匹配的钝化处理，以创建一个不会随时间使用而退化的界面。使用大约一层原子层厚的原生氧化物缓冲层是一个好主意，因为原生氧化物倾向于完全匹配四面体[金刚石]晶格。然后再沉积另一层具有相同的四面体[金刚石]晶格结构的钝化层。我使用的效果最好的是Si3N4，因为它与锗具有相同的晶格结构。它还有一个额外的好处是不受辐射的影响，这将很快导致SiOx击穿[死短]结。
Katherine，我认为更大的问题是由于Ge的低带隙。一旦锗晶体管加热，锗将进入本征传导，不能关闭。哇，回到60年代，硅作为晶体管的好处是通过将一个锗双极晶体管和一个硅晶体管浸入沸水中来证明的。Ge晶体管变成了短路，而Si晶体管继续工作(典型的通道温度可以达到125C在今天的Si MOS器件，所以这是高度相关的)。事实上，未来一代器件需要高迁移率通道材料，但这些材料需要1eV或更好的带隙，以便在达到温度后进入“关闭状态”。
谢谢你的意见。
是的，低带隙绝对是一个问题。不仅因为加热，还因为泄漏和其他杂散电荷源的余地更小。
二氧化硅钝化似乎对硅很有效……研究替代介质的人们普遍发现，玻璃比晶体更好。例如，晶体HfO2似乎允许锗扩散到电介质中，而非晶态HfO2则不能。
[…]锗通道及其栅极堆[…]