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一種用于制造晶體管的單原子厚度材料

深圳市賽姆烯金科技有限公司 ? 來源:悅智網(wǎng) ? 作者:Iuliana Radu ? 2022-10-27 10:25 ? 次閱讀
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如果摩爾定律有什么是能夠讓人真切感受到的,那就是隨著時間的推移,晶體管變得越來越小。在過去10年間,科學家和工程師們將這種趨勢發(fā)展到了近乎荒謬的地步,他們創(chuàng)造出由單原子厚度材料制成的器件。

這些材料中最著名的當然是石墨烯,它是一種六邊形的蜂窩狀碳片,具有出色的導熱性、電導率、奇特的光學性能和難以置信的機械強度。但作為一種用于制造晶體管的物質(zhì),石墨烯并沒有真正發(fā)揮作用。由于沒有自然的能帶隙(使半導體具有半導體的特性),它并不適合用于制造晶體管。

相反,科學家和工程師們一直在探索過渡金屬二硫化物的相關(guān)領(lǐng)域,這類物質(zhì)的化學分子式都為MX2。它們是由十幾種過渡金屬(M)中的一種和三種硫?qū)倩衔铮╔,即硫、硒或碲)中的一種組成。二硫化鎢、二烯化鉬和其他一些材料可以在單原子層中制成(與石墨烯不同)天然半導體。這些材料具有廣闊的應(yīng)用前景,即使如今的硅技術(shù)已經(jīng)基本接近發(fā)展的盡頭,我們也能將晶體管縮小為原子厚度的組件。

這種想法令人感到興奮,我和我在比利時微電子研究中心(Imec)的同事們相信,盡管硅材料仍是該領(lǐng)域的主導者,但2D材料會很快出現(xiàn)。我們一直在研究并開發(fā)一項技術(shù),將2D半導體應(yīng)用于硅芯片,增強硅片性能和簡化設(shè)計。

2D材料制成的器件是值得我們和其他研究人員投入的科學工程,因為這種技術(shù)將能夠消除當今晶體管所面臨的一個最大的問題,即短溝道效應(yīng),這是幾十年來晶體管持續(xù)縮小所帶來的結(jié)果。

金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)是數(shù)字器件中的一種,它由5個基本部分組成:源極和漏極;連接它們的溝道區(qū)域;覆蓋溝道的一個或多個側(cè)面的柵極介電層;以及與電介質(zhì)接觸的柵極。在柵極處施加相對于源極的電壓,在溝道區(qū)域生成一層移動電荷載體,在源極和漏極之間形成導電橋,允許電流流動。

但是隨著溝道變得越來越小,即使柵極上沒有電壓,漏電流也會不斷增加,浪費電能。20世紀的二維設(shè)計發(fā)展成為如今最先進的處理器中使用的鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)結(jié)構(gòu),就是為了使溝道區(qū)域變薄,并使柵極從更多的側(cè)面圍繞溝道區(qū)域,來對抗這種短溝道效應(yīng)。由此產(chǎn)生的鰭狀結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)更好的靜電控制。

我們認為,通過替換器件溝道中的硅,某些2D半導體可以規(guī)避短溝道效應(yīng)。2D半導體提供了一個非常薄的2D區(qū)域——如果僅用一層半導體,它就和單原子一樣薄。由于限制了電流的路徑,當器件處于關(guān)閉狀態(tài)時,電荷載流子幾乎沒有機會偷偷通過。這意味著晶體管可以繼續(xù)縮小,減少對短溝道效應(yīng)后果的擔憂。

這些2D材料不僅可用作半導體。某些材料,如六方氮化硼,也可以作為柵極介電層,其介電常數(shù)與二氧化硅的介電常數(shù)相似,直到十幾年前二氧化硅才廣泛應(yīng)用于這一領(lǐng)域。用石墨烯代替晶體管的金屬部件,可組成完整的晶體管2D材料。事實上,早在2014年,就有不同的研究小組制造出這樣的器件。雖然這些原型尺寸很大,但你可以想象我們可以將它們的尺寸縮小到幾納米。

讓人感到不可思議的不僅在于全2D晶體管的尺寸可比如今器件的尺寸還小,而且在于電子電路不會是2D材料的首個應(yīng)用。2D材料可能將會應(yīng)用在性能要求和面積限制比較寬松的低功耗電路中。

我們在Imec研究的目標是所謂的后端工序制造的電路。芯片的制造分為兩部分:前端工序需要許多高溫工藝,改變硅自身的屬性,例如用摻雜來定義晶體管;后端工序是構(gòu)建多層互連線,這些互連線將晶體管連接起來,形成電路和提供電源

隨著傳統(tǒng)晶體管縮小變得越來越困難,工程師們一直在尋找提升互連層性能的方法。我們無法簡單地通過使用常規(guī)硅工藝來做到這一點,因為產(chǎn)生的熱量會損壞器件和器件下方的互連。因此,許多方案都依賴于能夠在相對較低溫度下制成器件的材料。

使用2D半導體而非其他候選材料的一個特殊優(yōu)勢是可以同時制造p型(攜帶正電荷)和n型(攜帶電子)器件,這是互補金屬氧化物半導體(CMOS)邏輯電路的必要條件。CMOS電路是當今邏輯電路的支柱,因為理想情況下,電路只在從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)時才消耗能量。在我們首選的2D半導體中,我們已經(jīng)演示了n型晶體管,但還沒有演示p型晶體管。但是,這些材料背后的物理學原理清晰地表明,我們制作中可以通過與半導體接觸的介質(zhì)和金屬來實現(xiàn)。

如果能同時制造p型和n型器件,就能開發(fā)出緊湊的后端邏輯電路,如中繼器。中繼器對必須在芯片上進行相對遠距離傳遞的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。涉及的晶體管通常位于硅層,信號必須先爬上互連層,在互聯(lián)層向目的地傳輸一部分距離,然后回到硅層,進行中繼后再回到長距離互連層。這有點像汽車駛離高速公路,開到一個擁擠的城市中心去買汽油,然后再回到高速公路上。

長距離互連層附近的中繼器更類似于高速公路加油站。它節(jié)省了信號垂直雙向傳輸?shù)臅r間,也避免了垂直互連電阻造成的功率損失。更重要的是,將中繼器移到互連層可以節(jié)省硅片上的空間來實現(xiàn)更多的邏輯。

中繼器并不是2D材料唯一的潛在用途。2D材料也可以用于構(gòu)建其他電路,如片上電源管理系統(tǒng)、信號緩沖器和存儲器選擇器。這些電路的一個共同點是,它們不需要器件驅(qū)動大電流,因此一層2D材料就可滿足。

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如果沒有與工業(yè)標準300毫米硅片相兼容的制造工藝,未來的超小型2D器件和低需求的后端工序電路都無法實現(xiàn)。因此,我們Imec的團隊正致力于此,希望開發(fā)一種適合所有應(yīng)用的制造工藝。

第一步是確定最具應(yīng)用前景的2D材料和器件結(jié)構(gòu)。因此,我們參照先進的鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)器件,對各種2D半導體材料和2D場效應(yīng)晶體管(FET)架構(gòu)進行基準測試。

由于研究人員對二硫化鉬(MoS2)的研究經(jīng)驗最為豐富,因此使用MoS2制作的實驗器件取得了最大的進展。實際在去年12月的IEEE國際電子器件會議上,Imec發(fā)布了一種MoS2晶體管,其溝道長度只有30納米,源極和漏極觸點只有13納米。但是經(jīng)過可用性檢驗,我們認為MoS2不是最終結(jié)果。相反,我們得出結(jié)論,在與300毫米硅片技術(shù)兼容的所有材料中,用二硫化鎢(WS2)制成的堆疊納米器件具有最大的性能潛力,它可以驅(qū)動最多的電流。對于需求較低的后端工序線路應(yīng)用,我們也得出結(jié)論,在半導體溝道區(qū)域上下都有柵極的FET結(jié)構(gòu)比只有一個柵極的FET結(jié)構(gòu)性能更加出色。

在得出這個結(jié)論之前,我們已經(jīng)非常了解WS2:我們可以在一個300毫米的硅片上做出一個高質(zhì)量版本。我們在2018年首次演示了利用金屬-有機化學氣相沉積(MOCVD)在硅片上生長材料,這是一種通過化學反應(yīng)在晶片表面生長晶體的常見工藝。我們采用的方法可在整個300毫米晶片上將可控厚度降低到單分子層,即單層厚度。然而,MOCVD生長是以高溫為代價的,而在后端工藝中是禁止高溫的,因為高溫會損壞下方的硅器件。

為解決這一問題,我們先在一個單獨的晶片上生長WS2,然后將其轉(zhuǎn)移到已經(jīng)部分制成的硅片上。Imec團隊開發(fā)了一種獨特的轉(zhuǎn)移工藝,能夠?qū)⒁粚又挥?.7納米薄的WS2轉(zhuǎn)移到靶硅晶片上,幾乎不會損害2D材料的電性能。

在此工藝中,首先在氧化覆蓋的硅片上生長WS2,然后將其放在特殊處理的晶片上。這種晶片上有一層材料,在激光照射下會發(fā)生熔化。此外,還有一層粘合劑。將粘合劑側(cè)壓在覆蓋WS2的晶片上,2D材料從生長晶片上剝離并粘附在粘合劑上。之后,帶有2D材料的粘合晶片翻轉(zhuǎn)到靶硅晶片上,靶晶片在實際的芯片制造中已經(jīng)有了晶體管和幾層互連。接下來,通過一束激光照射晶片,將其大部分熔化,只留下靶晶片上的粘合劑和WS2。用化學藥品和等離子體除去粘合劑。剩下的就是處理過的硅和附著的WS2,通過范德華力加以固定。

這種工藝雖然復雜,但卻十分有效。當然,還有很大的改進空間,最重要的是減少晶片表面不必要的顆粒造成的缺陷,同時消除邊緣的一些缺陷。

2D半導體材料制成后,就可以開始制造器件了。我們在這方面已經(jīng)取得了勝利,但仍存在一些重大挑戰(zhàn)。

也許最關(guān)鍵的問題是如何處理WS2中形成的缺陷。這種缺陷嚴重降低了2D器件的性能。在一般的硅器件中,電荷會在柵極電介質(zhì)和溝道區(qū)域之間的接口缺陷中被捕獲。當電荷試圖穿過器件會在接口附近散射電子或空穴,造成速度減慢。在二維半導體中,由于接口是溝道,散射問題更加明顯。
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硫空位是影響器件溝道區(qū)域的最常見缺陷。Imec正在研究不同的等離子體處理如何減小這些空位化學反應(yīng),從而減小晶體管性能改變的傾向。我們還需要防止單層生長后出現(xiàn)缺陷增加。如果WS2和其他2D材料存在缺陷,則會迅速老化并進一步退化。氧攻擊硫空位會造成附近出現(xiàn)更多空位,使缺陷面積變得越來越大。但我們發(fā)現(xiàn),將樣本儲存在惰性環(huán)境中,可以有效防止空位增多。

半導體的缺陷并不是我們在制造2D器件時遇到的唯一問題。在2D表面上沉積絕緣材料形成柵極電介質(zhì)才是一項真正的挑戰(zhàn)。WS2和類似的材料缺乏懸空鍵,不利于將電介質(zhì)固定在表面上。

我們的團隊目前正在探索兩種可能的有效途徑:

一種是降低生長溫度的原子層沉積(ALD)。在ALD中,一種氣體分子吸附在半導體的暴露表面,形成單層。然后加入第二種氣體,與吸附的第一種氣體發(fā)生反應(yīng),形成精確的原子物質(zhì)層,如介電二氧化鉿。即使沒有化學鍵,在低溫下采用這種工藝也能夠提升氣體分子粘附在WS2表面的能力。

另一種方案是使用非常薄的氧化層(如氧化硅)來增強ALD,以幫助ALD層的成核生長。采用物理沉積方法(如濺射或蒸發(fā))沉積極薄的硅層;然后再進行氧化,完成一個常規(guī)氧化柵的ALD沉積。我們使用蒸發(fā)法取得了良好的成果。

制造優(yōu)質(zhì)2D器件的另一項挑戰(zhàn)是選擇合適的金屬作為源極和漏極觸點。金屬的性能可改變器件的特性。從金屬中提取電子所需的最低能量這一參數(shù),表示注入觸點電子及空穴的差異。因此,Imec小組篩選了多種金屬,與WS2納米片接觸。我們發(fā)現(xiàn),在n型器件中,使用鎂觸點可以獲得最高的通流,而鎳或鎢等其他金屬也不錯。我們將為未來的p型器件尋找多種金屬。

盡管存在這些挑戰(zhàn),但是我們已經(jīng)能夠判斷器件性能的上限,以及規(guī)劃實現(xiàn)這一目標的路徑與方法。

作為一個基準測試,Imec團隊使用了與之前描述類似的雙柵極器件。我們用小的、自然剝離的WS2薄片制造器件,這種薄片的缺陷比晶片大小的半導體要小。對于這些實驗器件,我們測量的電子遷移率高達每伏特秒幾百平方厘米,幾乎與晶體硅相持平,而且接近理論預測的2D材料的最大值。由于在自然材料中發(fā)現(xiàn)這種優(yōu)異的遷移率,因此我們有信心在300毫米晶片上的合成材料也可以達到這一目標(目前這種材料只能達到每伏特秒幾平方厘米)。

對于未來二維半導體發(fā)展的主要挑戰(zhàn),我們的團隊已有一個明確的解決方案。例如,我們知道材料如何生長并轉(zhuǎn)移到300毫米的靶晶片上;我們知道如何整合關(guān)鍵的柵極電介質(zhì);我們正致力于將器件電荷載流子的遷移率提高到與硅相當?shù)乃健?/p>

但是,正如我們所指出的,目前的技術(shù)中仍然存在一些重大問題。這需要加強工程努力,以及在本質(zhì)上增加對這類新型2D材料的了解。解決這些挑戰(zhàn)將有助于把高性能器件縮小到原子層,不過,在我們繼續(xù)縮小硅片的過程中,這些器件也可能首先實現(xiàn)一些指標需求不高的新功能。





審核編輯:劉清

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原文標題:原子厚度的晶體管

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