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          微電子所在n型垂直納米器件方向取得重要進展

          稿件來源:先導中心 李晨 張永奎 朱慧瓏 崔冬萌 發布時間:2021-09-06

            垂直納米環柵晶體管因其在減小標準單元面積、提升性能和改善寄生效應等方面具有天然優勢,能滿足功耗、性能、面積和成本等設計要求,已成為2nm及以下技術節點芯片的重點研發方向。 

            微電子所先導中心朱慧瓏研究員團隊于2019年首次成功研發出p型具有自對準柵極的疊層垂直納米環柵晶體管(見IEEE Electron Device Letters,DOI: 10.1109/LED.2019.2954537),并對n型器件進行了研究。與p型器件制備工藝不同,n型器件在外延原位摻雜時,溝道和源漏界面處存在嚴重的雜質分凝與自摻雜問題。為此,團隊開發出了適用于垂直器件的替代柵工藝,利用假柵做掩模通過離子注入實現源漏的摻雜,既解決了上述外延原位摻雜難題,又突破了原位摻雜的固溶度極限,更利于對晶體管內部結構的優化和不同類型晶體管之間的集成。 

            為獲得可精確控制溝道和柵極尺寸的垂直環柵器件,選擇性和各向同性的原子層刻蝕方法是不可或缺的關鍵工藝。團隊對此方法進行了深入分析和研究,提出了相應的氧化—刻蝕模型,應用于實驗設計,改進和優化了橫向刻蝕工藝;用該刻蝕工藝與假柵工藝結合,首次制備出了具有自對準柵的n型疊層垂直納米環柵晶體管,器件柵長為48納米,具有優異的短溝道控制能力和較高的電流開關比(Ion/Ioff),其中納米線器件的亞閾值擺幅(SS)、漏致勢壘降低(DIBL)和開關比為67 mV/dec、14 mV3×105;納米片器件的SS、DIBL和開關比為68 mV/dec、38 mV1.3×106。相關研究成果發表于期刊Nano LettersDOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01033)和ACS Applied Materials & InterfacesDOI: 10.1021/acsami.0c14018)上,先導中心博士生李晨為文章第一作者,朱慧瓏研究員與張永奎高級工程師為共同通訊作者。 

            該研究得到中科院戰略先導專項(先導預研項目“3-1納米集成電路新器件與先導工藝”)、青年創新促進會和國家自然科學基金等項目資助。 

             圖 (a) 替代柵結構TEM截面,(b) 垂直環柵納米器件TEM截面的EDX元素分布圖,(c)氧化-刻蝕模型,(d) n型垂直環柵納米線器件的Id-Vg特性及TEM俯視插圖,(e) n型垂直環柵納米片器件的Id-Vg特性與TEM俯視插圖 

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