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研究背景

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體（CMOS）電路已成為現(xiàn)代科技進(jìn)步的推動(dòng)力。通過不斷縮小MOSFET的物理尺寸，人們期望提高整體效率，包括性能、功耗、面積和成本等。然而，隨著尺寸的減小，面臨著短溝道效應(yīng)等挑戰(zhàn)，使得硅基器件的進(jìn)一步縮放變得困難。

為解決這一問題，科學(xué)家們轉(zhuǎn)向了二維材料（2DMs）的研究，這些材料具有原子尺度的厚度和非懸掛鍵的界面，有望實(shí)現(xiàn)更小尺寸的晶體管。然而，將2DMs從實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中依然面臨諸多挑戰(zhàn)。這包括大規(guī)模轉(zhuǎn)移技術(shù)、高質(zhì)量材料合成和與現(xiàn)有生產(chǎn)線的兼容性等方面。

成果簡介

近日，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院周鵬教授以及劉春森研究員等人對此問題進(jìn)行了深入研究，相關(guān)成果在“Nature Reviews Electrical Engineering”期刊上發(fā)表了題為“Transistor engineering based on 2D materials in the post-silicon era”的最新論文。本研究側(cè)重于比較硅基MOSFET和2DMs基MOSFET技術(shù)，并分析了通道工程、接觸工程和介質(zhì)工程等方面的關(guān)鍵科學(xué)問題。通過對比和分析，作者提出了針對2DMs的性能優(yōu)化路徑，并探討了解決不同工程問題的有希望方案。

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圖文導(dǎo)讀

圖1展示了針對2DMs和硅技術(shù)的器件工程策略。左側(cè)展示了對2DMs的絕緣體、接觸、通道和集成工程趨勢，右側(cè)展示了對硅技術(shù)的相應(yīng)工程趨勢。這些工程策略旨在解決不同材料系統(tǒng)下的器件工程挑戰(zhàn)，并推動(dòng)集成電路技術(shù)的進(jìn)步。

圖1：二維材料（2DMs）和硅技術(shù)的器件工程策略。

圖2主要討論了通道工程的問題。圖中a部分展示了基于硅的晶體管尺度路徑，從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新轉(zhuǎn)向材料創(chuàng)新。隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的縮小，通道厚度、柵長和技術(shù)節(jié)點(diǎn)之間的不匹配程度變得更加嚴(yán)重。而b部分展示了不同二維材料的遷移率與帶隙之間的關(guān)系，表明了2DMs在通道工程中的潛力。c和d部分通過雷達(dá)圖比較了N型和P型金屬-氧化物-半導(dǎo)體（NMOS和PMOS）的性能，突出了2DMs在物理柵長方面的優(yōu)勢。

圖2. 2DM晶體管的通道工程。

圖3重點(diǎn)討論了接觸工程的問題。a部分展示了基于硅技術(shù)路線下活性區(qū)結(jié)合深度與柵長之間的關(guān)系，b部分則展示了2DMs中接觸電阻與接觸長度之間的關(guān)系。圖中c部分呈現(xiàn)了金屬功函數(shù)和熔點(diǎn)的關(guān)系，以及金屬與P型和N型接觸的適應(yīng)性。這些結(jié)果有助于優(yōu)化2DMs晶體管的接觸工程，提高器件性能。

圖3. 2D材料晶體管的接觸工程。

圖4著重討論了介質(zhì)工程的問題。a部分展示了典型的硅氧化物塊狀絕緣體集成方式，b部分則說明了使用傳統(tǒng)原子層沉積方法直接在2D材料表面生長絕緣層時(shí)的缺陷。c部分提出了有效的絕緣體集成策略，如范德華堆疊絕緣體和種子層誘導(dǎo)策略。d和e部分通過質(zhì)量和介電常數(shù)與帶隙值之間的關(guān)系圖，比較了不同介質(zhì)集成策略的效果。

圖4. 2DMs晶體管的介質(zhì)工程。

圖5主要介紹了硅和2DMs晶體管的制造流程。a部分展示了基于硅的器件集成過程，包括通道的離子注入、柵的定義和金屬化等步驟；而b部分則展示了基于2DMs的器件集成過程，其中重點(diǎn)是大尺度2DM通道材料的生長和金屬化。

圖5：硅和2DMs晶體管的制造流程。

圖6總結(jié)了2DMs的大面積生長方法。a部分展示了晶圓級2D材料合成和轉(zhuǎn)移的示意圖，b部分統(tǒng)計(jì)了通過合成獲得的2DMs的遷移率及相應(yīng)面積的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)有助于了解2DMs的生長特性和應(yīng)用潛力。通過對2DMs和硅技術(shù)的器件工程進(jìn)行深入研究，可以為下一代集成電路技術(shù)的發(fā)展提供重要的指導(dǎo)和支持。優(yōu)化通道、接觸和介質(zhì)工程，以及改進(jìn)制造流程，將有助于實(shí)現(xiàn)器件的進(jìn)一步縮放和性能提升，推動(dòng)集成電路技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。

圖6：2DMs大面積生長的總結(jié)。

總結(jié)展望

本文通過借鑒硅MOSFET技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)，并通過對通道、接觸和介質(zhì)工程方法的優(yōu)化和進(jìn)一步發(fā)展，我們可以期待在2DMs領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)器件性能的突破。本文關(guān)鍵在于將優(yōu)化2D晶體管的方法全面考慮，采取綜合性的器件工程措施。在前端工藝方面，必須實(shí)現(xiàn)自對準(zhǔn)集成工藝、高質(zhì)量的晶片級2DMs合成和轉(zhuǎn)移。這一科學(xué)啟迪為未來集成電路技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和可能性，為作者邁向超越傳統(tǒng)極限的微型化器件鋪平了道路。

文獻(xiàn)信息

Zeng, S., Liu, C. & Zhou, P. Transistor engineering based on 2D materials in the post-silicon era. Nat Rev Electr Eng (2024). https://doi.org/10.1038/s44287-024-00045-6

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