一、【研究背景】
鉴于集成电路技术的不断发展和应用范围的扩大，金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）和互补金属-氧化物-半导体（CMOS）电路已经成为现代科技进步的关键驱动力。随着时间的推移，人们对MOSFET的尺寸不断进行缩小，以提高整体效率，但是随之而来的问题也变得愈加明显。尤其是在缩小到亚10纳米尺度以下时，由于短沟道效应的影响，硅基MOSFET面临着栅长难以继续缩小的挑战。这一问题不仅限制了器件的性能提升，还影响了集成电路的进一步发展。
针对这一问题，科学家们开始关注二维材料（2DMs）作为潜在的解决方案。二维材料是由单个或少量原子层组成的分层材料，具有原子尺度厚度和非悬挂键界面的特性，因此在超薄通道FETs中具有潜在的优异性能。然而，尽管在实验室水平上，单个二维材料器件的性能已经表现出色，但将这些材料从实验室应用到工业生产中仍然面临着诸多挑战。
针对这一挑战，复旦大学杰青获得者周鹏教授以及刘春森研究员携手在“Nature Reviews Electrical Engineering”期刊上发表了题为“Transistor engineering based on 2D materials in the post-silicon era”的最新综述。本研究旨在比较硅基MOSFET和基于二维材料的MOSFET技术之间的差异，并探索如何解决二维材料在大规模集成电路中的应用难题。通过从通道工程、接触工程和介质工程三个角度对器件工程进行分析，研究团队致力于找到适用于二维材料的性能优化途径，并提出了相应的解决方案。这些方案不仅可以克服硅基器件在超过亚10纳米尺度时面临的限制，还为二维材料在未来先进技术节点上的应用提供了可能性。
二、【科学亮点】
1. 论文详细介绍了二维材料（2DMs）作为下一代半导体材料的潜力，其原子尺度厚度和无悬挂键界面使其成为克服硅基器件尺寸限制的候选材料。
2. 本文通过比较分析2DMs和硅材料在集成电路工程中的异同，揭示了2DMs在尺寸缩放、性能优化和工程问题上的优势和挑战。
3. 论文从通道工程、接触工程和介质工程三个方面深入探讨了2DMs在晶体管制造中的应用，提出了针对性的解决方案，并分析了2DMs在终极缩放下的优势。
4. 作者不仅概述了将2DMs从实验室推广到工业应用的挑战，还提出了解决这些挑战的潜在解决方案，包括制造技术、大规模转移和高质量材料合成等方面。
5. 论文强调了对2DMs技术的关注和投资的重要性，指出了将2DMs技术转化为工业化产品的潜在价值，以及通过与硅技术经验的结合来加速2DMs技术的商业化进程。
图1：二维材料（2DMs）和硅技术的器件工程策略。2D材料中的绝缘体、接触、通道和集成工程趋势（左）。硅技术中的绝缘体、接触、通道和集成工程趋势（右）。CVD，化学气相沉积；vdW，范德华。
图2. 2DM晶体管的通道工程。a，基于硅的晶体管尺度路径。器件缩放从结构创新转向材料创新。从约22纳米节点开始，通道厚度、栅长和技术节点之间的不匹配程度变得越来越严重。从3纳米节点开始，通道厚度限制了物理栅长的缩放。b，不同二维材料（2DMs）中迁移率与带隙之间的关系。c，N型金属-氧化物-半导体（NMOS）性能在2DM趋势和硅趋势之间的雷达图比较。每条边所代表的参数分别是迁移率、Vdd、漏电流、栅长和Ion。2DM的最大优势在于其最终的物理栅长。d，P型金属-氧化物-半导体（PMOS）性能在2DM趋势和硅趋势之间的雷达图比较。IRDS，国际器件和系统路线图。
图3. 2D材料晶体管的接触工程。a，基于硅技术路线下活性区结合深度与栅长之间关系的图示。红色区域表示结合深度范围，蓝色球表示硅化物层的深度。b，二维材料接触电阻与其接触长度之间的关系。粉色区域代表P型场效应晶体管（P-FET）接触。蓝色区域代表N型场效应晶体管（N-FET）接触。绿色区域代表边缘接触。黑色球代表先进的鳍型场效应晶体管（FinFET）中的接触。c，金属功函数的示意图。红色区域中的金属适用于P型接触，蓝色区域中的金属适用于N型接触（顶部）。金属的熔点和与相应金属接触的晶体管的测试退火温度（底部）。CNT，碳纳米管；IRDS，国际器件和系统路线图。
图4. 2DMs晶体管的介质工程。a，典型的硅氧化物块状绝缘体集成。硅和氧化物由共价键连接。b，当使用传统的原子层沉积方法直接在2D材料表面生长绝缘层时出现的两种缺陷：界面缺陷和介电缺陷。c，对2DMs上绝缘体集成的有效策略的示意图，包括范德华堆叠绝缘体、种子层诱导策略和原位氧化。d，总结了几种不同策略下介质的质量，球代表界面态的密度，柱代表栅泄漏电流。e，不同介质的介电常数与带隙值之间的关系图。黑色色块代表传统的块状材料氧化物绝缘体，而彩色色块是已验证与2DMs集成的介质。hBN，六方氮化硼；PTCDA，3,4,9,10-苝四羧酸二酐。
图5：硅和2DMs晶体管的制造流程。a，典型基于硅的器件集成过程的示意图。通过离子注入对通道进行掺杂，然后通过原子层沉积和多晶硅掩膜蚀刻定义栅，最后实现自对准接触区掺杂和金属化。b，基于2D材料（2DM）的器件集成过程的示意图。大尺度2DM通道材料生长，然后通过蚀刻和金属化定义通道，生长栅绝缘体，最后沉积栅电极。
图6：2DMs大面积生长的总结。a，晶圆级2D材料合成和转移的示意图。b，通过合成获得的2DMs的迁移率及相应面积的统计数据。BP，硼磷化物；IRDS，国际器件和系统路线图。
三、【科学启迪】
2DMs的高性能在原子厚度下打开了超越传统体材料限制的晶体管微型化可能性。本文通过借鉴硅MOSFET技术的持续创新经验，结合对通道、接触和介质工程方法的优化和进一步发展，我们可以朝着终极尺度的设备性能突破迈进。在这一过程中，2D晶体管的优化需要全面考虑不同类型的器件工程。尤其是在整体前端工艺方面，实现自对准集成工艺、高质量晶片级2DMs合成和转移是至关重要的。重要的是，本综述激发了我们在新材料领域的探索，为突破性的集成电路技术发展开辟了新的道路。通过跨学科合作和系统性研究，我们可以迈向2DMs在大规模集成中的成功应用，为未来的技术创新和产业发展做出贡献。
原文详情：
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
来源：半导体技术情报
热门跟贴