近年來，諸如二硫化鎢（WS2）之類的2D材料在未來邏輯芯片的制造中可以發揮至關重要的作用。由于其卓越的性能，它們有望實現最終的柵極長度縮放，并因此可以擴展邏輯晶體管的縮放路線圖。他們還可以通過啟用緊湊的后端兼容晶體管，徹底改變我們對芯片架構的看法，從而模糊前端和后端之間的界限。

近年來，基于實驗室的2D晶體管已經相當成熟，并且正在為其工業應用開發一條路線。同時，正在解決提高設備性能的剩余挑戰。

在本文中，imec的項目總監Iuliana Radu解釋了全球對這些材料的興趣，尤其是它們對進一步擴展邏輯技術路線圖的承諾。

2D材料具有卓越的性能

2D材料是形成二維晶體的一類材料。在這種優雅的2D尺寸中，它們具有令人著迷的電，熱，化學和光學特性。這些材料中最著名的是石墨烯，一種六角形的蜂窩狀碳原子片。石墨烯具有出色的機械強度，高的熱電傳導性和奇特的光學性能。

但是，二維材料的探索已經遠遠超出了石墨烯。化學式為MX 2的一類過渡金屬二鹵化物具有多用途的性質，可與石墨烯互補。

與石墨烯不同，二硫化鎢（WS2），二硫化鉬（MoS2）和其他一些具有廣泛的帶隙，使其成為天然半導體。根據其化學組成和結構配置，原子上薄的2D材料也可以歸類為金屬或絕緣材料。由于其卓越的性能，二維材料的機會已經出現在多個應用領域，包括（生物）傳感，能量存儲，光伏，光電和晶體管縮放。

基于2D的晶體管有望實現最終的柵極長度縮放

在芯片制造中，諸如WS2和MoS2之類的2D半導體已成為替代晶體管導電通道中“Si”的候選材料，他們擁有巨大的優勢？與Si相比，基于2D的場效應晶體管（2D-FET）有望更不受短溝道效應的影響-短溝道效應已成為進一步擴大Si晶體管尺寸的主要障礙。

確實，隨著基于Si的晶體管溝道越來越小，即使柵極上沒有電壓，電流也開始在其上泄漏。隨著每一代技術的發展，這種效應被稱為短溝道效應，情況也變得越來越糟，危害了進一步的柵極長度定標。當今的主流晶體管技術FinFET在某種程度上抵消了這種影響。在這種晶體管架構中，鰭狀溝道區可以做得更薄，并且柵極在不止一側上包圍溝道。這使得柵極電壓更容易控制基于Si的溝道內載流子的流動。即將到來的向納米片晶體管的過渡-柵極現在四面八方圍繞著通道-進一步建立在這個想法的基礎上，提供了更好的靜電控制。但是，當縮放到3nm以上時，問題再次出現。這就是高機動性WS2和MoS2可以支持的地方。它們可以被構造成幾個甚至單個原子層，從而提供了提供非常薄的溝道區域的可能性。這極大地限制了電流流動的路徑，從而在關閉設備時使電荷載流子更難泄漏。因此，它們有望實現最終的柵極長度縮放（10nm以下），而無需擔心短溝道效應。

為了支持這些承諾，我們在imec的團隊最近進行了一項設計技術協同優化（DTCO）研究。我們展示了2D-FET如何以堆疊的納米片晶體管體系結構為最可能的插入點來進一步擴展邏輯器件技術的擴展路線圖。

2D材料可用于構建緊湊的back-end-of-line switches

2D半導體的應用可能會超出高性能晶體管的范圍。另一個潛在的應用領域包括性能和面積限制較小的低功率電路。例如片上電源管理系統，信號緩沖器和存儲器選擇器。最重要的是，通過啟用小型后端兼容開關，可以使用2D材料徹底改變芯片的后端（BEOL）。

芯片制造大致可分為兩部分：在其中構建晶體管的前端（FEOL），以及通過多層互連連接晶體管以形成功能電路并傳輸功率的BEOL。隨著傳統晶體管的縮放變得越來越具有挑戰性，科學家一直在尋找在BEOL中添加晶體管和小型電路的方法，從而在FEOL中節省了一些面積。但是，這樣做只能使用可以在相對較低的溫度下集成的材料，以免損壞設備及其下方的互連。使用2D半導體應該可以做到這一點。使用基于2D的晶體管而不是其他一些“ BEOL”候選材料的另一個優點是具有建立n型和p型器件的潛在能力，這是CMOS邏輯的必要條件。

基于實驗室實現的超大規模2D晶體管表現出出色的性能

但是，我們是否可以通過實驗來構建這些超大規模2D-FET，并且它們是否能夠履行其在性能方面的承諾？近年來，科學家探索了各種MX2材料。最初，基于MoS2的設備被證明是最成熟的，實驗報告的最高遷移率值接近理論值200cm2/Vs。最近，基于WS2的FET也可能顯示出競爭性結果。從理論上講，它們具有更高的性能潛力。在改善接觸電阻和增強器件性能方面取得了進展。

例如，在imec，我們的團隊可以演示功能齊全的2D-FET，其溝道厚度僅為1-2個單層，長度為30nm。我們還顯示了通過使用雙門控設備結構改善的靜電控制。傳統的FET頂部只有一個柵極，而雙柵極晶體管同時具有頂部和底部柵極，當連接時，可以改善對溝道的靜電控制。

正在開發一條向工業規模生產2D-FET的前進途徑

如果我們能夠大量生產2D-FET，那么它們就能在邏輯技術路線圖中找到它們的位置。這將是采用工業技術的關鍵。這意味著我們需要能夠將這些設備帶出實驗室，并使用行業標準的生產工具將它們集成在300mm晶圓上。

Imec為在300mm集成流程中采用這些2D材料奠定了基礎。此流程用于研究各種處理條件的影響并努力提高性能。例如，可以使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）演示2D材料在300mm晶圓上的高質量生長，該過程是通過化學反應在表面沉積晶體的過程。使用該工具，可以在整個300mm晶圓上以單層精度控制厚度。實驗表明，較高的沉積溫度（即950°C）對鍍層的結晶度和缺陷率有有益的影響。

圖：使用300mm工藝制造的2D器件的TEM圖像。

但是，更復雜的晶體管體系結構（例如堆疊的納米片，或者更深層的路線是互補FET（CFET））可能需要替代性的沉積技術。對于處理熱預算有限的后端電路也是如此。因此，Imec研究了其他沉積技術，并探討了使用轉移工藝的可行性–允許將2D通道移動到已經部分制造的300mm Si襯底上。

正在解決三個主要挑戰

目前，單個設備的性能要比報告的實驗室設備低一個數量級，而300mm的集成流程則用于了解工藝影響并確定集成障礙。溝道材料的質量和缺陷率的控制仍然是提高器件性能的最大挑戰。第二個障礙是源極/漏極觸點的接觸電阻，需要降低到可接受的水平。第三，需要開發綜合模型以實現上述設備架構設計，并具有內置的實際流程假設。

編輯：jq