“后22nm”时代,CMOS技术将从新型器件结构和新型沟道材料两方面来解决传统硅CMOS面临的问题。根据国际半导体技术发展路线图(ITRS),沟道材料将在15纳米的节点后逐步由应变硅材料过渡到新型高迁移率Ge/III-V半导体材料。绝缘体上锗(GOI)作为一种新型高迁移率衬底材料,结合了Ge材料高迁移率和SOI衬底CMOS兼容的优势,有望逐步成为主要的沟道材料。除应用于高速CMOS器件,GOI还在III-V基高速光电探测器、太阳能电池等方面具有更佳表现。锗浓缩技术是最常用也是最有望实现大规模生产超薄GOI的制备方法之一。然而由于传统锗浓缩过程中,SiGe/SOI界面的失配位错会逐步向上穿透,形成很高的缺陷密度(TDD>107cm-2),影响最终器件性能。本论文正是在上述背景下,结合“极大规模集成电路制造设备及成套工艺”国家科技重大专项“新型混晶SOI与GOI高迁移率器件工艺开发”课题,开展了深入细致的探索和研究工作,本文的主要内容如下:1、提出改进的锗浓缩技术,并成功制备了8英寸高迁移率GOI衬底晶圆片。由传统的对SiGe/SOI进行浓缩改为直接对SGOI进行浓缩,得到高质量的GOI衬底材料。测试结果表明,所得GOI衬底具有低的表面粗糙度(<1nm)和良好的结晶质量;缺陷密度相较于传统浓缩方法降低了近两个数量级(由1×107cm-2降低至7×105cm-2)。研究了浓缩过程中缺陷产生的机制,经测试分析,认为层间失配位错密度降低和应力释放是缺陷密度降低的主要原因。浓缩制备方法、材料表征以及性能分析详见第二章。2、在制备的GOI衬底上成功制备了Pseudo-MOSFET和源/漏肖特基器件,研究GOI材料的高迁移率特性及其在MOSFET器件中的应用。将改进型的30nm超薄GOI材料作为衬底制备了背栅结构的Pseudo-MOSFET器件,利用CMOS工艺制备了器件,所获器件的驱动电流相较于传统GOI材料提高了一倍。利用“Y值法”分析得出空穴迁移率为280cm2/Vs,相较于传统工艺GOI材料提高了56%。利用低温CMOS工艺、Al2O3和HfO2作为栅介质,制备了正栅结构的肖特基源/漏结GOI pMOS器件,研究了器件的高迁移率特性,所获器件的驱动电流相较于相同结构的SOI器件提高了约100倍。器件制备过程和器件特性分析详见第三章。3、利用锗浓缩技术与CMOS工艺,制备出了高质量、长度直径可控的Ge-SiO2“核-壳”结构纳米线阵列,设计制作了可实时检测、高灵敏度的生物传感器件。通过对纳米线表面功能化修饰,器件可以有效地分辨不同的pH值。将此器件进一步用于DNA杂交检测,发现其具有极高的灵敏度,理论响应极限达到5fM;对DNA杂交过程进行特异性检测,可以有效分辨碱基完全匹配、一个错配及完全错配等不同情况,具有极高的检测特异性。对DNA目标物浓度、溶液离子浓度以及DNA探针浓度等参数进行优化,检测极限提高到了0.5fM。纳米线制备、生物传感器制备、检测方法及传感特性详见第四章。