硅的替代材料，新突破

二維半導(dǎo)體有機(jī)會激發(fā)電子設(shè)備功能的重大進(jìn)步，取代硅基芯片。然而，許多問題繼續(xù)阻礙這些設(shè)備的發(fā)展。一個主要問題是載流子遷移率，即電子在半導(dǎo)體中的移動速度。這些 2D 半導(dǎo)體在這一領(lǐng)域的速度非常慢，限制了改進(jìn)和實際應(yīng)用的能力。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員發(fā)現(xiàn)了十多種不同的二維半導(dǎo)體材料，這些材料可以讓電子快速四處移動，從而為電子產(chǎn)品的能力飛躍打開了大門。

“如果你能用二維半導(dǎo)體代替硅，這將導(dǎo)致更快的設(shè)備消耗更少的能量，”領(lǐng)導(dǎo)該項目的科克雷爾工程學(xué)院沃克機(jī)械工程系和德克薩斯材料研究所助理教授 Yuanyue Liu 說。

傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體和二維半導(dǎo)體之間的最大區(qū)別在于它們的幾何形狀。二維半導(dǎo)體要薄得多，只有幾個原子層厚。這在許多方面都是有利的，因為使半導(dǎo)體更小的推動力不斷增強。

2D 半導(dǎo)體的緊湊性也會產(chǎn)生問題。電子被緊緊地包裹著，沒有太多的自由移動。在這些較小的空間中，散射源更容易使它們偏離軌道，這就是為什么二維半導(dǎo)體中的載流子遷移率通常較低，從而阻礙了功率和效率的提高。

研究人員發(fā)現(xiàn)的 14 種載流子遷移率高的材料是這個問題的一個例外。這些材料的獨特特性使電子更加透明，使它們基本上不可見于散射，并使電子保持在軌道上。為了找到這些材料，研究人員使用了現(xiàn)有的材料數(shù)據(jù)庫和他們假設(shè)會提高機(jī)動性的特征清單。然后他們使用量子力學(xué)方法準(zhǔn)確計算材料中的載流子遷移率。

“我們在數(shù)千種材料中只發(fā)現(xiàn)了 14 種具有潛在高載流子遷移率的材料，這一事實并不與傳統(tǒng)智慧相矛盾，”劉說?！斑@表明找到具有高載流子遷移率的二維半導(dǎo)體是多么困難?！盠iu說，下一步是與實驗研究人員合作，并致力于制造材料以測試和驗證他們的發(fā)現(xiàn)。盡管 Liu 對這些發(fā)現(xiàn)充滿信心，但他警告說，它們?nèi)匀皇抢碚撋系?，需要通過現(xiàn)實世界的測試來證實。

該項目的其他團(tuán)隊成員包括來自沃克機(jī)械工程系和德州材料研究所的 Chenmu Zhang、Ruoyu Wang 和 Himani Mishra。

硅的時代終于要結(jié)束了，這會是最優(yōu)繼任者？

將二維材料集成到傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝中可能是芯片行業(yè)歷史上更激進(jìn)的變化之一。

雖然在半導(dǎo)體制造中引入任何新材料都會帶來痛苦和痛苦，但過渡金屬二硫化物 (TMD：transition metal dichalcogenides) 支持各種新的器件概念，包括BEOL晶體管和單晶體管邏輯柵極。新的背柵(back-gate）和分柵（split-gate）晶體管已經(jīng)顯示出二維設(shè)計的前景。

一段時間以來，人們已經(jīng)了解了諸如 MoS 2和 WS 2等 TMD 對晶體管溝道的優(yōu)勢。隨著器件的縮小，溝道厚度也需要縮小，以最大限度地減少短溝道效應(yīng)。然而，在硅中，非常薄的層會受到載流子遷移率降低的影響。陷阱和其他界面缺陷的影響壓倒了體積特性。

相比之下，二維材料沒有平面外懸掛鍵（out-of-plane dangling bonds），從而減少或消除了界面效應(yīng)。雖然業(yè)界一致認(rèn)為 3nm 是硅溝道的實際厚度限制，但 MoS 2單層的厚度小于 1nm。

直到最近，接觸電阻還是采用 TMD 的最大障礙。然而，在過去一年左右的時間里，銻和鉍等半金屬（semimetals）已成為潛在的解決方案。半金屬往往不會在半導(dǎo)體帶隙中產(chǎn)生電子態(tài)，因為它們本身沒有帶隙，而且它們在費米能級上的態(tài)密度很低。

盡管如此，將 TMD 與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)設(shè)施集成仍然具有挑戰(zhàn)性。所涉及的許多材料——鉬、硫、銻和鉍等——對行業(yè)來說都是新的，可能對現(xiàn)有工藝造成損害。

制造 TMD 單層

最好的 TMD 單層是通過從塊狀材料上剝離或在藍(lán)寶石上進(jìn)行分子束外延制造的，這兩種方法都需要隨后轉(zhuǎn)移到傳統(tǒng)晶圓上。雖然它是一種對制造更友好的工藝，但金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積需要非常高的沉積溫度，并且可以將碳副產(chǎn)物摻入沉積膜中。

在早前的 VLSI 技術(shù)研討會上，英特爾的組件研究工程師 Kirby Maxey 和他的同事指出，實際上 TMD 晶體管有兩種不同的用例。一種是在生產(chǎn)線前端，它使用 TMD 代替高性能 finFET 或硅納米片晶體管。該應(yīng)用依賴于高質(zhì)量的單晶單層，此時需要在 1,000°C 附近的沉積溫度。英特爾小組表明，金屬有機(jī)前體物質(zhì)的熱解會導(dǎo)致碳沉積以及 TMD，但替代前體和優(yōu)化的工藝條件可以提高薄膜質(zhì)量。

第二個潛在用例將 TMD 放置在第二（或第三）有源層中，與中間金屬和接觸層垂直堆疊。一旦金屬層在晶圓上，沉積溫度就會受到更多限制。但是這些后端晶體管可能更大，并且能夠使用更厚的多晶溝道。成功的沉積工藝需要與沉積發(fā)生時晶圓上的任何材料兼容。

高度縮放的 FEOL 設(shè)備尋求最小化溝道厚度，僅使用單層 TMD 材料。在第二層開始生長之前，第一個成核位點應(yīng)該合并成一個連續(xù)的薄膜。在今年的材料研究學(xué)會春季會議上，亞琛工業(yè)大學(xué)的研究員 Songyao Tang 及其同事分析了 WS 2單分子層的生長和聚結(jié)。隨著初始的nucleation islands變大，他們發(fā)現(xiàn)中心到邊緣的距離超過了吸附原子的遷移距離。當(dāng)吸附原子無法到達(dá)微晶的邊緣時，就會形成雙層。通常，過早的雙層可以覆蓋薄膜總表面積的 30%。

亞琛工業(yè)大學(xué)小組確定了幾種減少雙層形成的方法。如果每個單獨的微晶都更小，那么吸附原子就不需要走那么遠(yuǎn)就能到達(dá)邊緣。因此，一種可能的解決方案是減小晶粒尺寸，同時增加成核位置的數(shù)量。英特爾小組將這一想法更進(jìn)一步，使用過渡金屬氧化物模式作為與硫?qū)僭厍绑w反應(yīng)的模板。使用模板，工藝工程師可以控制 TMD 晶粒相對于預(yù)期電路圖案的位置和方向。

較高的沉積溫度通過增加吸附原子在結(jié)合到生長膜中之前可以遷移的距離來減少雙層形成。不過，TMD 沉積溫度已經(jīng)相當(dāng)高，制造商希望降低它們。最后，降低生長速率使每個吸附原子有更多時間在被隨后的生長掩埋之前找到一個能量有利的位置。

新器件設(shè)計支持新邏輯概念

隨著提議的器件設(shè)計走向制造，工藝工程師必須確定是否存在合理的集成方案。例如，許多提議的設(shè)計依賴于back gate，要么應(yīng)用一般的反向偏置，要么形成單獨控制的局部柵極。雖然這樣的設(shè)計相對容易通過層轉(zhuǎn)移技術(shù)制造，但直接在預(yù)先存在的柵極電介質(zhì)上生長高質(zhì)量的 TMD 材料并不那么簡單。

圖 1：具有可以強烈累積的厚而均勻的 EOT，全背柵配置產(chǎn)生最高的離子 (a)；頂柵+FBG有不同的EOT，單獨掃過；本地背柵 (c) 和連接的雙柵 (d) 提供了 EOT 擴(kuò)展的好處。資料來源：IMEC

在 12 月的 IEEE 電子設(shè)備會議上展示的工作中，Imec 的研究員 Quentin Smets 及其同事提出了四種不同的設(shè)計——僅全背柵、頂柵加全背柵設(shè)計、僅局部背柵和頂柵加局部背柵設(shè)計柵極“連接雙柵極”設(shè)計。其中，連接的雙柵極設(shè)計提供了最好的溝道控制，但結(jié)果不太一致。局部背柵處理導(dǎo)致溝道中的形貌。在最短的柵極長度處，頂部柵極電極和電介質(zhì)之間存在間隙，這可能是由于蝕刻不完全。這些不太理想的結(jié)果增加了可變性并為工藝改進(jìn)提供了機(jī)會，但 CDG 設(shè)計仍然提供始終如一的更好性能。

在硅柵環(huán)設(shè)計中，整個柵極在電氣上是一個單一的單元。只有一個偏置旋鈕。使用雙獨立柵極，有兩個。具有兩個輸入信號和一個輸出信號的器件可能定義一個單晶體管邏輯柵極。傳統(tǒng)的柵極需要至少兩個晶體管。相比之下，單晶體管柵極在更小的電路占位面積內(nèi)提供相同的功能。臺積電的 Yun-Yan Chung 及其同事于 2020 年首次提出了基于獨立控制的頂柵和底柵的單晶體管柵極。最近，韓國仁荷大學(xué)的 Minjong Lee 及其同事展示了帶有分離頂柵的設(shè)備。在他們的 AND-FET 晶體管/柵極中，柵極的兩半垂直于溝道。僅當(dāng)柵極的兩半都“開啟”時，晶體管才“開啟”?；蛘?，在 OR-FET 晶體管/柵極中，柵極的一半與溝道平行。如果柵極的任何一半“開啟”，則晶體管“開啟”。

縱向和橫向Split-Gate 模型

圖 2：AND-FET（a、b、c）和 OR-FET（d、e、f）的圖像、電路圖和 3D 示意俯視圖。資料來源：知識共享

結(jié)論

現(xiàn)在說基于過渡金屬二硫化物溝道的單晶體管柵極是否是數(shù)字邏輯的未來，或者晶體管最終是否會進(jìn)入 BEOL 堆棧還為時過早。但隨著硅的終結(jié)——這一次可能是真的——這些材料提供了一種對后硅未來的看法。