后硅时代即将到来:碳纳米管最新进展

2021-01-04 10:38:58 来源:EETOP编译
60多年来,硅基器件一直是我们行业的基础,这是相当令人惊讶的,因为很明显,最初的锗基器件很难大规模集成。(注:GaAs砷化镓器件也发展了一个独特的微电子市场领域) 。 近年来,通过引入FinFET等拓扑结构以及即将到来的纳米片,硅场效应器件获得了新生其中nMOS和pMOS器件是垂直制造的从而消除了当前单元设计中的横向n-p间距。。

另外材料工程学的进步已经将拉伸和压缩应力纳入硅通道晶体结构中以增强自由载流子迁移率

但是硅器件收益节点正在逐渐递减

  • 由于高电场下的速度饱和无硅载流子迁移率接近最大值
  • 尺寸的持续缩小降低了硅半导体的导带和价带边缘的自由载流子态密度DoS–填充更大范围的载流子态需要更多的能量
  • 与Fin patterning 相关的统计过程变化很大
  • 散热片的热传导导致局部自热温度升高从而影响了几种可靠性机制HCI电迁移

为解决以上问题目前业界正在进行大量研究以评估与硅完全不同的场效应晶体管材料的潜力但这也与当前的大批量制造操作相一致一种选择是探索器件通道的单层二维半导体材料例如二硫化钼MoS2

另一个有希望的选择是从碳纳米管CNT构造设备沟道。最近台积电分析了后硅时代,碳纳米管器件的新进展。

下图提供了碳键独特性质的简单图示我对化学反应有些不熟悉但我记得 sp2键是指原子核周围亚轨道 p壳中相邻碳原子的电子配对没有悬挂键并且碳材料是惰性的

请注意石墨石墨烯和CNT的化学结构相似-使用石墨进行的实验材料分析更加容易并且最终可以扩展到CNT处理

在最近的IEDM会议上台积电提供了有关CNT器件制造进展的有趣更新本文总结了该演讲的重点

CNT设备具有一些引人注目的功能

  • 极高的载流子迁移率>3,000cm²在/V-sec散射最小

  • 非常薄的CNT主体尺寸例如直径?1nm

  • 低寄生电容

  • 优良的导热性低温

最后一个功能特别有趣因为它还为基于硅的高温制造与后续的CNT处理集成提供了潜力

门电介质Gate Dielectric

台积电开发了独特的工艺流程来为CNT器件提供高K电介质等效栅极氧化物类似于当前硅FET的HKMG处理

上面的TEM图说明了CNT的横截面为了与独特的碳表面兼容需要沉积初始界面电介质Al2O3–即需要在碳上对该薄层进行适当的成核和整合

随后添加高K HfO2膜的原子级沉积ALD如前所述这些关于材料性能的介电实验是在石墨基底上完成的

这些栅极电介质层的最小厚度受到非常低的栅极泄漏电流例如栅极长度为10nm的)

实验得出的最佳尺寸为t_Al2O3=0.35nm和t_HfO2=2.5nm由于这些极薄的层Cgate_ox非常高从而改善了静电控制请注意这些层厚于CNT的直径其影响将在稍后讨论

门方向Gate Orientation

台积电评估的CNT器件采用了独特的顶栅加背栅拓扑

顶栅提供常规的半导体场效应器件输入较大的背栅提供对S/D扩展区域中载流子的静电控制以有效降低寄生电阻Rs和Rd而且背栅会影响CNT与钯金属之间的源极和漏极接触电势从而降低肖特基二极管势垒以及在该半导体-金属界面处的相关电流行为

设备电流

CNT pFET的IV曲线线性和对数Ids用于亚阈值斜率测量如下所示对于此实验Lg=100nmS/D间距为200nmCNT直径=1nmt_Al2O3= 1.25nmt_HfO2=2.5nm

对于此测试制造在石英基板上单个CNT支持超过10uA的Ids接近上述目标尺寸的更薄电介质将实现进一步的改进

最终将在生产制造中使用平行CNT-相关的制造指标将是每微米CNT的数量例如4nm的CNT间距将被引用为 250CNTs/um

挑战

规划CNT生产时肯定要解决一些挑战仅举几例

规则/均匀的CNT沉积具有非常干净的表面用于介电成核需要最小化栅极电介质堆栈中的载流子陷阱密度最佳S / D接触电位材料工程设备建模设计

上面的最后一个挑战尤其值得注意因为当前用于场效应晶体管的紧凑型器件模型肯定不够用CNT栅氧化层拓扑与平面或FinFET硅通道完全不同由于栅极到沟道的电场本质上是径向的因此与平面器件一样有效栅极氧化物并不存在简单的关系

此外S/D扩展需要唯一的Rs和Rd模型而且CNT栅氧化层的厚度比CNT的直径厚从而导致从栅到S/D延伸以及到小间距分隔平行CNT的大量边缘场为基于CNT的设计开发合适的紧凑模型是一项持续的工作

顺便说一句CNT环绕栅极氧化物类似于纳米片周围的所有栅极将比沉积的顶部栅极氧化物有所改进但难以制造

台积电显然正在投入大量研发资源不可避免的后硅器件技术的引入做准备CNT的制造和电学表征结果证明了该器件替代产品的巨大潜力。

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