Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4139
Trellenkamp, Stefan
Entwicklung und Charakterisierung vertikaler Double-Gate-MOS-Feldeffekttransistoren
IV, 98 S., 2004

Entwicklung und Charakterisierung vertikaler Double-Gate-MOS-Feldeffekttransistoren

Kurzfassung. Planare MOS-Feldeffekttransistoren sind derzeit übliche Bauelemente in den meisten Produkten der Computerindustrie. Können diese Bauelemente nicht weiter verkleinert werden, sind neue Konzepte für alternative Transistorentwürfe vonnöten. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung vertikaler Double-Gate-Feldeffekttransistoren vorgestellt, ein Transistortyp, bei dem der p-n-p- (bzw. n-p-n-)Übergang vertikal angeordnet ist und somit der Source-Drain-Strom senkrecht zur Waferoberfläche fließt. Double-Gate-Feldeffekttransistoren zeichnen sich dadurch aus, daß ein sehr dünnes Kanalgebiet auf beiden Seiten von Gateelektroden flankiert wird, die parallel geschaltet sind. Die Symmetrie und das verminderte Bulkvolumen dieses Bauelementes versprechen ein verbessertes Skalierpotential sowie eine bessere Gatekontrolle des Kanalgebietes und damit die Unterdrückung von Kurzkanaleffekten.
Die Nanostrukturierung des aktiven Bereichs eines vertikalen Double-Gate-Transistors ist höchst anspruchsvoll, da ca. 300nm hohe und bis zu 30 nm schmale Siliziumstege reproduzierbar hergestellt werden müssen. Der Einsatz von Hydrogensilsesquioxan (HSQ) als hochauflösender anorga nischer Elektronenstrahlresist bildet die Grundlage dieser Nanostrukturierung. In HSQ definierte Strukturen werden mittels ICP-RIE (reaktives Ionenätzen mit induktiv gekoppeltem Plasma) sehr anisotrop und mit hoher Selektivität in Silizium übertragen. 25 nm breite und 330nm hohe Siliziumstege können so hergestellt werden.
Realisiert werden verschiedene Transistorausführungen, deren Kanallängen vor der Nanostrukturierung durch epitaktisches Wachstum dotierter Siliziumschichten oder nach der Nanostrukturierung mittels Ionenimplantation eingestellt sind.
Die realisierten Transistoren weisen Source-Drain-Ströme bis zu 380 μA/μm und Steilheiten bis zu 480μS/μm auf. Es wird gezeigt, daß sich bei Abnahme der Siliziumstegbreite das Kurzkanalverhalten verbessert.

Development and characterization of vertical Double-Gate-MOS-field-effect transistors

Abstract. Planar MOS-field-effect transistors are common devices today used by the computer industry. When their miniaturization reaches its limit, alternate transistor concepts become necessary. In this thesis the development of vertical Double-Gate-MOS-field-effect transistors is presented. These types of transistors have a vertically aligned p-n-p junction (or n-p-n junction, respectively). Consequently, the source-drain current flows perpendicular with respect to the surface of the wafer. A Double-Gate-field-effect transistor is characterized by a very thin channel region framed by two parallel gates. Due to the symmetry of the structure and less bulk volume better gate control and hence better short channel behavior is expected, as well as an improved scaling potential.
Nanostructuring of the transistor's active region is very challenging. Approximately 300 nm high and down to 30 nm wide silicon ridges are requisite. They can be realized using hydrogen silsesquioxane (HSQ) as inorganic high resolution resist for electron beam lithography. Structures defined in HSQ are then transferred with high anisotropy and selectivity into silicon using ICP-RIE (reactive ion etching with inductive coupled plasma). 25 nm wide and 330 nm high silicon ridges are achieved.
Different transistor layouts are realized . The channel length is defined by epitaxial growth of doped silicon layers before or by ion implantation after nanostructuring, respectively.
The transistors show source-drain currents up to 380 μA/μm and transconductances up to 480 μS/μm. Improved short channel behavior for decreasing width of the silicon ridges is demonstrated.

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