推动2D材料取代硅

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2021-09-17 09:47

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来源:内容编译自「 semiengineering 」,谢谢。


虽然二维半导体已经成为硅的潜在继任者,但尚不清楚何时甚至是否会发生。正如 Imec 的量子和探索性计算主管 Iuliana Radu 所观察到的那样,硅的“终结”以前曾多次被预测过。目前尚不清楚何时需要准备好二维半导体。

事实上,将最近的 VLSI 研讨会上展示的 2D 半导体结果与最新的硅纳米片发展进行比较,强调了 2D 材料必须走多远。

迄今为止最好的 2D 半导体器件依赖于层转移技术。在单独的衬底上生长过渡金属二硫属化物 (TMD) 层允许使用比预制底栅所能承受的温度高得多的温度。作为讨论之前,虽然TMD电影往往从多个成核点增加,可能与不同的方向。当初始岛合并时会形成缺陷和晶界。

在这个早期阶段,很难说哪种方法,甚至哪种材料最终会占上风。EMD Electronics 的技术研究员 Ravi Kanjolia 指出,最常用的两种沉积技术MOCVD和ALD各有优缺点。MOCVD 往往需要更高的沉积温度,但也可以生产更高纯度的材料。另一方面,ALD 薄膜的逐层生长可以在较低的温度下沉积,并且可以提供更好的保形性。

在任何一种情况下,制造中采用的材料都不仅仅取决于基本的材料特性。拟议材料的前体是否可以大规模制造?它们是否足够稳定以安全处理和运输?

在硫属元素中,管理 EMD Electronics 2D 材料项目的技术人员迈克尔米勒说,硫的反应性最低,其次是硒,然后是碲。硫也比碲或硒丰富几个数量级。

与硅纳米片一样,2D 纳米片预计需要多个通道层来承载足够的电流。直接沉积和层转移方法都将涉及每一层的多个工艺步骤,每个步骤都会增加晶圆成本。WS 2很有吸引力,Radu 说,部分原因是它似乎能够比 MoS 2承载更多的电流,以更少的器件层提供相同的总电流。

英特尔的 Chelsey Dorow 及其同事展示了 WS 2 的选择性 CVD 生长,使用图案化的 WO x种子提供模板。与尝试在 300 毫米晶圆的整个表面上沉积连续薄膜相比,选择性生长可以提供一种更简单的获得器件质量材料的途径。

根据台湾地区阳明交通大学的 Chih-Pin Lin 及其同事的说法,固相外延可能提供一种替代气相沉积方法的方法。在多层堆叠中,需要在沉积下一层时保护一层,增加了复杂性并减少了可用的工艺空间。该小组通过共溅射金属和硫属元素,然后是盖层,消除了这个问题。根据需要放置尽可能多的这些“三明治”后,他们立即对整个堆栈进行退火。

会议上提出的工作重点是 MoTe 2材料,这很有吸引力,因为第二晶体层的形成在能量上不如其他 TMD。他们希望这种方法也适用于其他材料。

成功材料沉积后的下一步是掺杂。虽然注入电流的极性可用于控制 2D 器件的极性,但实际电路需要使用掺杂、接触金属或两者的组合。Intel 集团采用相同的工艺生产 NMOS 和 PMOS WSe 器件,使用 Al 2 O 3作为 NMOS 的栅极电介质,使用 HfO 2作为 PMOS的栅极电介质。

最后,触点是实用晶体管的第三个关键要求。正是因为 2D 材料没有悬空的表面键,所以无法使用标准接触方法,例如在半导体和金属之间创建导电合金(例如金属硅化物)。相反,正如麻省理工学院的 Pin-Chun Shen 及其同事最近的一份报告所解释的那样,金属的功函数扰乱了半导体能带结构。这些金属诱导的间隙态 (MIGS) 会导致费米能级钉扎并在金属和半导体之间引入能量势垒。

这个小组——麻省理工学院、台积电和其他几所大学的合作——在界面上沉积了铋,一种半金属。通过占据界面的价带态,铋阻止了 MIGS 的形成,从而导致低电阻接触。虽然拉杜说这是一个重要的结果,但铋的熔化温度仅为 271ºC。一个可制造的过程可能需要使用铋合金来代替。

从长远来看,二维半导体还有很长的路要走。虽然硅纳米片正在优化潜在的制造工艺,但 TMD 半导体研究人员仍在回答有关薄膜制造和接触形成的基本问题。然而,随着晶体管缩小需要越来越薄的通道,二维材料的机会最终会到来。

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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