这种材料有望替代硅，成为芯片的选择|智·技术

技术垂直的智优沃

技术成果转移+智能产业对接，关注“智优沃”

近年来，诸如石墨烯和过渡金属二硫族化合物（MX2）之类的2D晶体受到了广泛的关注。对这些材料的特殊兴趣可以归因于其非凡的性能。与传统的3D晶体相比，2D晶体提供了非常有趣的形状因数。在其优雅的2D形式下，电子结构，机械柔韧性，缺陷形成以及电子和光学灵敏度都变得截然不同。最著名的2D材料是石墨烯，即碳原子以六边形蜂窝晶格架构排列的晶体单分子层。石墨烯是柔性的，透明的并且非常坚固。它是一种出色的导热和电子导体。但是2D材料的探索已经远远超出了石墨烯。例如，MX2类具有与石墨烯互补的通用特性。例如，与不存在带隙的石墨烯相反，它们具有宽范围的带隙。对2D材料的兴趣不仅限于半导体材料，还包括对绝缘体和金属的探索。

这些材料的机会已经出现在多个领域，包括（生物）传感，能量存储，光伏，光电和晶体管缩放。例如，石墨烯是光电应用的理想材料。它同时具有电吸收和电折射特性，使其适合于光调制，检测和切换。最近的研究表明，基于石墨烯的集成光子技术具有实现下一代数据和电信应用的潜力。

新的硅？

在MOSFET器件的沟道中，一些2D材料甚至可以取代Si。当硅在导电沟道中时，栅极长度缩放会导致短沟道效应，从而降低晶体管的性能。用2D代替硅有望抵消负面的短沟道效应。由于原子的精确性，传导沟道也可以变得非常薄，甚至可以达到单个原子的水平。此外，一些2D材料的介电常数较低，可与氧化硅相媲美。这为使用具有不同功能（即传导沟道、电介质）的各种2D材料构建堆栈打开了机会，并将使栅极长度缩小到几纳米。通过这种方式，2D材料可以提供一条通向极端设备尺寸缩放的进化道路，目标是3nm及以下技术世代。

然而，电子电路中2D材料的第一次可能不会在最终的缩放设备中实现，而是应用在性能要求较低（即导通电流更低）的低功率电路中。例子包括可以在芯片后端实现的晶体管和小型电路。在这里，它们可以缓解一些路由拥塞，并在线路前端节省一些区域。为了构建后端兼容的晶体管，目前正在研究各种材料，包括半导体铟镓锌氧化物（IGZO）和各种2D材料。使用2D材料的一个特殊优势是能够制造互补的MOS器件，即nMOS和pMOS。这允许开发紧凑的后端逻辑电路，如中继器。这些后端晶体管和电路的一个共同要求是温度预算，它应该与后端线处理兼容。2D材料也可用于构建其他电路，如片上电源管理系统、信号缓冲器和可伸缩存储器选择器。对于所有这些电路，电流要求（离子方面）相对较低，与高比例器件相比，一层2D材料可能足以制造这些器件。

面向基于2D材料的设备的300mm平台

对于最终可缩放的设备以及要求较低的电路，imec试图了解2D材料的材料属性和工艺限制。更具体地说，imec专注于材料勘探（包括2D半导体、2D（半）金属和2D电介质）、过程集成勘探和设备勘探。该团队正在建立一个通用的集成流程，该流程考虑了所有应用的通用需求，例如允许的温度预算和2D材料的化学稳定性。集成流程以300mm晶圆为目标，以充分利用大批量制造技术的优势。一个重要的挑战是在300mm集成过程中保持2D材料的单晶片状质量。

为高性能逻辑解锁基于2D材料的FET

双栅WS2 FET架构：最终规模化、高性能器件的开发首先要确定最有前途的2D材料和设备架构。因此，Imec已根据先进的Si FinFET平台对不同的2D材料和2D FET体系架构进行了基准测试。根据这些研究，imec团队得出结论，在300mm技术兼容材料中，堆叠纳米片架构的二硫化钨（WS2）具有最高的性能潜力（即最高的导通电流）（图1）。他们还得出结论，双栅极FET架构（图2）比单栅极FET更可取，尤其是当设备架构遭受与触点和间隔物区域有关的非理想性时。

图1 在技术兼容材料中，WS2具有最高的高性能逻辑应用潜力

图2。双栅WS2 FET架构的TEM图。

在300mm晶圆上生长和随后的层转移——世界首创:作为设备制造的关键工艺步骤，在imec使用改进的金属-有机化学气相沉积(MOCVD)工具首次证明了WS2在300mm晶圆上的高质量生长。该方法的结果是厚度控制的单层精度超过整个300mm的晶圆。然而，MOCVD生长的好处是以材料生长时的高温为代价的。为了建立一个与后端生产线要求兼容的设备集成流程，随后将沟道材料从生长基板转移到目标设备晶圆是至关重要的。imec团队开发了一个独特的传输过程,使得WS2单层（厚度仅为7埃）成功地转移到目标晶圆上（图3）。转移过程是基于临时键合和解键合技术,对2D材料的电特性没有影响。该技术甚至已经成功地应用于具有特定形貌的目标基板。未来的发展将着重于进一步改进转移过程，以减少诸如不需要的颗粒、正面的标记和边缘碎屑等缺陷。

图3.单层（7埃）WS2层的300mm生长和转移。

器件方面的挑战:在器件方面，已经确定了与栅极电介质、金属触点和沟道材料的缺陷和存储有关的主要挑战。

首先，在2D表面上沉积介电材料是一个真正的挑战，因为在(范德华终止)2D材料上缺少悬空键。imec团队目前正在探索两种介质生长的途径:(1)直接原子层沉积(ALD)在较低的生长温度下生长，(2)通过使用非常薄的氧化层(如氧化硅)作为成核层来增强ALD的成核。对于后一种技术，在双栅极架构的初步测量表明，在2D维材料的前面和后面都有良好的按比例缩放的介质电容。

imec团队还筛选了多种金属以接触WS2纳米片。他们发现，使用Mg触点可获得最高的导通电流（图4）。

图4.通过与WS2的Mg接触获得最高的离子电流（对于nMOS器件）。

最后，缺陷在2D材料的化学行为中起着至关重要的作用，从而深刻地影响了器件的性能。因此，了解缺陷形成的基本原理及其对设备性能的影响是至关重要的。通道材料最常见的缺陷之一是硫空位。Imec目前正在研究如何使用不同的等离子体处理来钝化这些缺陷。此外，还应考虑材料的稳定性和反应活性。众所周知，像WS2这样的2D材料会迅速老化和降解。根据研究小组的结果，一种很有前途的防止衰老的方法是将样本储存在惰性环境中。

设备性能:基准和展望

最后，团队估算了设备性能的上限，以及达到该目标应该走的路。

作为一个基准，imec团队使用了双栅设备，这些设备是用小的、自然脱落的WS2薄片构建的。对于这些实验室规模的设备，可以测量大于100cm2/Vs的迁移率值，这与理论上预测的WS2迁移率值非常接近。我们的期望是，如果用天然材料可以做到这一点，那么用合成材料也应该可以做到——目前合成材料的体积大约只有几平方厘米/Vs。Imec正在努力改进基本的过程步骤，以期进一步提高性能。

对于未来的一些主要挑战，团队对如何解决它们有着清晰的观点。例如，他们知道如何在300mm的目标衬底上生长和转移材料，并且有一个清晰的集成道路。他们也在学习如何缩放栅极电介质，以及如何改善沟道中的固有迁移率。

但是在集成路径上，仍然存在一些挑战，需要进一步研究和更好的基础了解。其中之一与2D材料对器件晶圆的不良附着力有关，另一原因与阈值电压的控制有关。解决这些挑战将使2D材料的许多电子应用成为可能，最终将是大规模的高性能设备，以及对规格要求较低的应用。

用于极端晶体管缩放的2D材料：其潜力的证明

正如在2019年IEDM会议上所显示的，imec已经对基于MoS2的晶体管进行了深入的研究，以证明基于2D材料的器件在极端晶体管缩放方面的真正潜力。研究小组合成了厚度为0.6nm的MoS2材料，并制备了接触尺寸和沟道长度分别为13nm和30nm的器件（图5）。这些按比例缩放的尺寸，加上栅氧化层的厚度和高K电常数，已经证明了一些迄今为止最好的器件性能。最重要的是，这些晶体管能够全面研究器件的基本特性和TCAD模型的校准。利用校准后的TCAD模型，提出了一种切实可行的性能改进途径。

图5. TEM照片显示（a）3个单层MoS2沟道，接触长度为13nm，沟道长度为29nm。传输特性改善了亚阈值震荡(SS)与稀薄的HfO₂。

这些结果证实了2D材料在极端晶体管缩放方面的潜力-既有利于高性能逻辑，又有利于存储器应用。从这项研究中获得的见解正被转移到imec的300mm晶圆平台，用于使用2D材料的晶体管。

致谢

这项工作是imec探索设备团队和imec纳米应用材料工程团队共同努力的结果。

这项研究的一部分是在石墨烯旗舰计划的框架内进行的。石墨烯旗舰计划是一项欧洲未来和新兴技术旗舰计划，旨在将石墨烯和相关层状材料从学术实验室转移到日常使用中。

来源：半导体行业观察（本文内容立场与智优沃(公众号：智优沃)无关、仅作交流之用）

如果你的牛X项目是以下领域：人工智能、大数据、云计算、金融科技、IOT、工业4.0、智能硬件、VR／AR等。

欢迎参加极智成长营！

“极智成长营”是智优沃产业加速器针对科技创新类初创公司推出的为期三个月的创新成长计划。经筛选后成功入驻成长营的创业项目可以获得办公空间、创意实现、技术服务、金融投资、市场推广、产业对接等全方位孵化加速服务。

北京智优沃产业加速器
地址：北京市海淀区中关村东路8号东升大厦A座4层
联系人：秦先生（电话: 15011190943）、苟女士（电话: 15010081131）
成都智优沃产业加速器
地址：成都市郫都区红展东路147号2层
联系人：冯女士（电话: 19934303008）、张先生（电话: 13808080053）
南京智优沃产业加速器
地址：南京市江宁区未来网络小镇
联系人：尹先生（电话: 15120012562）、卜先生（电话: 13645171375）
西安智优沃产业加速器
地址：西安浐灞生态区欧亚大道3639号丝路国际创意梦工场1号楼5、7层
联系人：赵先生（电话: 15600222525）、祁先生（电话：18234930373）
绍兴智优沃产业加速器
地址：绍兴市越城区中关村水木湾区科学园
联系人：赵先生（电话: 15600222525）
赶紧约起来～

继续滑动看下一个