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單原子層溝道的鰭式場效應晶體管問世

中國新聞網·遼寧 2020年03月09日 17:16

  中新網遼寧新聞3月9日電 20世紀40年代以來,以微電子技術為主導的信息技術革命極大推動了科學技術的發展和社會的變革。過去幾十年來,微電子技術產業沿摩爾定律取得了突飛猛進的發展,按照摩爾定律的預測,集成電路可容納晶體管數目大約每兩年增加一倍。目前集成電路中可實現的最小加工尺寸為3-5納米。當前,隨著集成電路特征尺寸逼近工藝和物理極限,進一步縮小晶體管器件特征尺寸極具挑戰。

   圖1:單原子層溝道的鰭式場效應晶體管。a)硅工藝FinFET的溝道材料、垂直二維原子晶體與單根碳納米管尺寸對比示意圖。b) 器件結構示意圖。插圖為截面示意圖。c) 臺階共形生長的單層二維過渡族金屬硫化合物示意圖。d-e) 臺階模板掃描電鏡照片,其中標尺分別為100 納米(左)和1微米(右)

  相對于傳統的體硅半導體材料,近年來具有原子尺度的低維材料得到了快速發展,碳納米管、二維原子晶體等新材料不斷被嘗試用于構建晶體管的溝道材料或電極材料。近日,中科院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心科研人員與國內外多家單位合作,首次演示了可陣列化、垂直單原子層溝道的鰭式場效應晶體管(FinFET)(圖1),在《自然-通訊》(Nature Communications) 在線發表題為“單原子層溝道的鰭式場效應晶體管”(A FinFET with one atomic layer channel)的研究論文。

圖2: 器件工藝流程及掃描電鏡照片

圖3: 可陣列化的單原子層鰭式晶體管形貌圖(陣列最小間距為50納米)

  研究人員設計了高~300nm的硅晶體臺階模板,通過濕法噴涂化學氣相沉積(CVD)方法,實現了與臺階側壁共形生長的過渡族金屬硫化物單原子層晶體(MoS2、WS2等)。通過采用多重刻蝕等微納加工工藝(圖2),制備出以單層極限二維材料作為半導體溝道的鰭式場效應晶體管,同時成功制備出鰭式場效應晶體管陣列(圖3)。除此之外,嘗試了引入碳納米管替代傳統金屬作為柵極材料,結果顯示該材料比傳統金屬柵具有更好的包覆性,可以有效提高器件性能。通過對數百個晶體管器件統計測量,測得電流開關比達107,亞閾值擺幅達300mV/dec(圖4a-d)。理論計算表明,所提出的鰭式場效應晶體管能夠實現優異的抗短溝道效應,如漏端引入的勢壘降低(DIBL)可以低至5mV/V(圖4e-f)。

圖4: a)-d) 單原子層鰭式場效應晶體管的電學性能;e)-f) 有限元計算模擬

  該項工作將FinFET的溝道材料寬度減小至單原子層極限的亞納米尺度(0.6 nm)(圖5),同時,獲得了最小間距為50 nm的單原子層溝道鰭陣列,該研究工作為后摩爾時代的場效應晶體管器件的發展提供了新方案。

圖5: a) MOSFET場效應晶體管的幾種構型;b) FinFE器件鰭寬的發展歷程

  該工作由中科院金屬研究所與湖南大學、山西大學、中科院蘇州納米所、合肥強磁場科學中心、法國原子能總署等單位合作完成。金屬所韓拯、孫東明課題組主導了該研究項目工作,承擔器件制備與表征;湖南大學劉松課題組負責CVD生長;山西大學董寶娟博士承擔有限元模擬工作;蘇州納米所邱松課題組提供了制備柵極材料的碳納米管溶液;強磁場中心杜海峰課題組主導了相關透射電鏡樣品的制備與表征。陳茂林博士、孫興丹博士、劉航碩士(湖南大學)為共同第一作者,韓拯、孫東明、劉松、董寶娟為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、中國科學院、沈陽材料科學國家研究中心、國家重點研發計劃青年項目、青年千人計劃等項目支持。

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