鑽石舞台

將二維材料集成到傳統的半導體製造工藝中可能是芯片行業歷史上更激進的變化之一。

雖然在半導體製造中引入任何新材料都會帶來痛苦和痛苦，但過渡金屬二硫化物 (TMD：transition metal dichalcogenides) 支持各種新的器件概念，包括BEOL晶體管和單晶體管邏輯柵極。新的背柵(back-gate）和分柵（split-gate）晶體管已經顯示出二維設計的前景。

一段時間以來，人們已經了解了諸如 MoS 2和 WS 2等 TMD 對晶體管溝道的優勢。隨着器件的縮小，溝道厚度也需要縮小，以最大限度地減少短溝道效應。然而，在硅中，非常薄的層會受到載流子遷移率降低的影響。陷阱和其他界面缺陷的影響壓倒了體積特性。

相比之下，二維材料沒有平面外懸掛鍵（out-of-plane dangling bonds），從而減少或消除了界面效應。雖然業界一致認為 3nm 是硅溝道的實際厚度限制，但 MoS 2單層的厚度小於 1nm。

直到最近，接觸電阻還是採用 TMD 的最大障礙。然而，在過去一年左右的時間裡，銻和鉍等半金屬（semimetals）已成為潛在的解決方案。半金屬往往不會在半導體帶隙中產生電子態，因為它們本身沒有帶隙，而且它們在費米能級上的態密度很低。

儘管如此，將 TMD 與現有的半導體製造基礎設施集成仍然具有挑戰性。所涉及的許多材料——鉬、硫、銻和鉍等——對行業來說都是新的，可能對現有工藝造成損害。

最好的 TMD 單層是通過從塊狀材料上剝離或在藍寶石上進行分子束外延製造的，這兩種方法都需要隨後轉移到傳統晶圓上。雖然它是一種對製造更友好的工藝，但金屬有機化學氣相沉積需要非常高的沉積溫度，並且可以將碳副產物摻入沉積膜中。

在早前的 VLSI 技術研討會上，英特爾的組件研究工程師 Kirby Maxey 和他的同事指出，實際上 TMD 晶體管有兩種不同的用例。一種是在生產線前端，它使用 TMD 代替高性能 finFET 或硅納米片晶體管。該應用依賴於高質量的單晶單層，此時需要在 1,000°C 附近的沉積溫度。英特爾小組表明，金屬有機前體物質的熱解會導致碳沉積以及 TMD，但替代前體和優化的工藝條件可以提高薄膜質量。

第二個潛在用例將 TMD 放置在第二（或第三）有源層中，與中間金屬和接觸層垂直堆疊。一旦金屬層在晶圓上，沉積溫度就會受到更多限制。但是這些後端晶體管可能更大，並且能夠使用更厚的多晶溝道。成功的沉積工藝需要與沉積發生時晶圓上的任何材料兼容。

高度縮放的 FEOL 設備尋求最小化溝道厚度，僅使用單層 TMD 材料。在第二層開始生長之前，第一個成核位點應該合併成一個連續的薄膜。在今年的材料研究學會春季會議上，亞琛工業大學的研究員 Songyao Tang 及其同事分析了 WS 2單分子層的生長和聚結。隨着初始的nucleation islands變大，他們發現中心到邊緣的距離超過了吸附原子的遷移距離。當吸附原子無法到達微晶的邊緣時，就會形成雙層。通常，過早的雙層可以覆蓋薄膜總表面積的 30%。

亞琛工業大學小組確定了幾種減少雙層形成的方法。如果每個單獨的微晶都更小，那麼吸附原子就不需要走那麼遠就能到達邊緣。因此，一種可能的解決方案是減小晶粒尺寸，同時增加成核位置的數量。英特爾小組將這一想法更進一步，使用過渡金屬氧化物模式作為與硫屬元素前體反應的模板。使用模板，工藝工程師可以控制 TMD 晶粒相對於預期電路圖案的位置和方向。

較高的沉積溫度通過增加吸附原子在結合到生長膜中之前可以遷移的距離來減少雙層形成。不過，TMD 沉積溫度已經相當高，製造商希望降低它們。最後，降低生長速率使每個吸附原子有更多時間在被隨後的生長掩埋之前找到一個能量有利的位置。

隨着提議的器件設計走向製造，工藝工程師必須確定是否存在合理的集成方案。例如，許多提議的設計依賴於back gate，要麼應用一般的反向偏置，要麼形成單獨控制的局部柵極。雖然這樣的設計相對容易通過層轉移技術製造，但直接在預先存在的柵極電介質上生長高質量的 TMD 材料並不那麼簡單。

圖 1：具有可以強烈累積的厚而均勻的 EOT，全背柵配置產生最高的離子 (a)；頂柵+FBG有不同的EOT，單獨掃過；本地背柵 (c) 和連接的雙柵 (d) 提供了 EOT 擴展的好處。資料來源：IMEC

在 12 月的 IEEE 電子設備會議上展示的工作中，Imec 的研究員 Quentin Smets 及其同事提出了四種不同的設計——僅全背柵、頂柵加全背柵設計、僅局部背柵和頂柵加局部背柵設計柵極「連接雙柵極」設計。其中，連接的雙柵極設計提供了最好的溝道控制，但結果不太一致。局部背柵處理導致溝道中的形貌。在最短的柵極長度處，頂部柵極電極和電介質之間存在間隙，這可能是由於蝕刻不完全。這些不太理想的結果增加了可變性並為工藝改進提供了機會，但 CDG 設計仍然提供始終如一的更好性能。

在硅柵環設計中，整個柵極在電氣上是一個單一的單元。只有一個偏置旋鈕。使用雙獨立柵極，有兩個。具有兩個輸入信號和一個輸出信號的器件可能定義一個單晶體管邏輯柵極。傳統的柵極需要至少兩個晶體管。相比之下，單晶體管柵極在更小的電路占位面積內提供相同的功能。台積電的 Yun-Yan Chung 及其同事於 2020 年首次提出了基於獨立控制的頂柵和底柵的單晶體管柵極。最近，韓國仁荷大學的 Minjong Lee 及其同事展示了帶有分離頂柵的設備。在他們的 AND-FET 晶體管/柵極中，柵極的兩半垂直於溝道。僅當柵極的兩半都「開啟」時，晶體管才「開啟」。或者，在 OR-FET 晶體管/柵極中，柵極的一半與溝道平行。如果柵極的任何一半「開啟」，則晶體管「開啟」。

圖 2：AND-FET（a、b、c）和 OR-FET（d、e、f）的圖像、電路圖和 3D 示意俯視圖。資料來源：知識共享

現在說基於過渡金屬二硫化物溝道的單晶體管柵極是否是數字邏輯的未來，或者晶體管最終是否會進入 BEOL 堆棧還為時過早。但隨着硅的終結——這一次可能是真的——這些材料提供了一種對後硅未來的看法。