新型材料将有望替代硅而成为芯片的首选

（文章来源：EDA365网）

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。

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。

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。

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。

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具有最高的性能潜力。他们还得出结论，双栅极FET架构比单栅极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。

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单层成功地转移到目标晶圆上。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。

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。

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。

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。
（责任编辑：fqj）