Если что- то и очевидно в законе Мура для всех, так это то, что транзисторы с годами делались все меньше и меньше. Ученые и инженеры довели эту тенденцию до почти абсурдного предела за последнее десятилетие, создав устройства, которые сделаны из слоев материала толщиной в один атом.

Самым известным из этих материалов, конечно же, является графен , гексагональный сотовый лист углерода с выдающейся проводимостью как для тепла, так и для электричества, необычными оптическими способностями и невероятной механической прочностью. Но как вещество, из которого можно делать транзисторы, графен на самом деле не работает. Без естественной запрещенной зоны - свойство, которое делает полупроводник полупроводником - он просто не предназначен для работы.

Вместо этого ученые и инженеры изучают вселенную дихалькогенидов переходных металлов, которые имеют химическую формулу MX2. Они состоят из одного из более чем дюжины переходных металлов (M) и одного из трех халькогенидов (X): серы, селена или теллура. Дисульфид вольфрама, диселенид молибдена и некоторые другие могут быть изготовлены в одноатомных слоях, которые (в отличие от графена) являются естественными полупроводниками. Эти материалы открывают заманчивую перспективу того, что мы сможем уменьшить масштабы транзисторов до компонентов толщиной до атома еще долго после того, как сегодняшняя кремниевая технология исчерпает себя.

Хотя эта идея действительно захватывающая, я и мои коллеги из Imec полагаем, что 2D-материалы могут появиться гораздо раньше, даже если кремний все еще остается королем. Мы разрабатываем технологию, которая может заставить двумерные полупроводники работать в кремниевых микросхемах, расширяя их возможности и упрощая их конструкцию.

Устройства, изготовленные из 2D-материалов , стоят всей научной и инженерной работы, которую мы и другие исследователи во всем мире вложили в них, потому что они могут устранить одну из самых больших проблем с современными транзисторами. Проблема, результат так называемых эффектов короткого канала, является следствием постоянного сжатия транзистора на протяжении десятилетий.

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET), тип устройства во всех цифровых устройствах, состоит из пяти основных частей: электродов истока и стока; регион канала, который их соединяет; диэлектрик затвора, закрывающий канал с одной или нескольких сторон; и электрод затвора, который контактирует с диэлектриком. Приложение напряжения на затворе относительно истока создает слой мобильных носителей заряда в области канала, который образует проводящий мост между истоком и стоком, позволяя току течь.

Но по мере того, как канал становился все меньше и меньше, ток все больше протекал по нему, даже когда на затворе не было напряжения, тратя энергию. Переход от планарной конструкции 20-го века к структуре транзистора FinFET, используемой в самых современных процессорах, был попыткой противодействовать этому важному эффекту короткого канала, сделав область канала более тонкой и обеспечив затвор, окружающий ее с нескольких сторон. Полученная в результате структура в форме ребра обеспечивает лучший электростатический контроль. (Предстоящий переход к транзисторам на основе нанолистов является развитием той же идеи. См. « Последний кремниевый транзистор », IEEE Spectrum , август 2019 г.)

Мы думаем, что некоторые двумерные полупроводники могут обойти эффекты короткого канала, заменив кремний в канале устройства. Двухмерный полупроводник обеспечивает очень тонкую область канала - толщиной с один атом, если использовать только один слой полупроводника. При таком ограниченном пути прохождения тока у носителей заряда мало возможностей проникнуть через него, когда устройство должно быть выключено. Это означает, что транзистор можно и дальше уменьшать, не беспокоясь о последствиях короткого канала.

Однако эти 2D-материалы полезны не только в качестве полупроводников. Некоторые из них, такие как гексагональный нитрид бора, могут действовать как диэлектрики затвора, имея диэлектрическую постоянную, аналогичную диоксиду кремния, который обычно использовался для этой работы примерно десять лет назад. Добавьте графен вместо металлических частей транзистора, и вы получите комбинацию 2D-материалов, которая образует законченный транзистор. Действительно, отдельные группы исследователей создавали такие устройства еще в 2014 году . Хотя эти прототипы были намного больше, вы можете представить их уменьшение до размера всего в несколько нанометров.

Каким бы удивительным ни был двухмерный транзистор, который по размеру меньше сегодняшних устройств, это не первая реализация двухмерных материалов в электронных схемах. Вместо этого 2D-материалы, вероятно, появятся в схемах с низким энергопотреблением, которые будут иметь более мягкие требования к характеристикам и ограничения по площади.

Набор цепей, на которые мы нацелены в Imec, построен в так называемом back-end-of-line. Производство микросхем делится на две части: начальная часть состоит из процессов, многие из которых требуют высоких температур, которые изменяют сам кремний, таких как имплантация присадок для определения частей транзистора. Внутренняя часть линии формирует множество слоев межсоединений, которые соединяют транзисторы, формируя схемы и обеспечивая питание.

Поскольку традиционное масштабирование транзисторов становится все более и более сложным, инженеры искали способы добавить функциональность к слоям межсоединений. Вы не можете сделать это просто, используя обычные кремниевые процессы, потому что вовлеченное тепло может повредить устройства и межсоединения под ними. Таким образом, многие из этих схем основаны на материалах, из которых можно изготавливать устройства при относительно низких температурах.

Получение 2D-полупроводников на кремниевой пластине
img 
Конкретным преимуществом использования 2D-полупроводников вместо некоторых других кандидатов является потенциальная возможность создания устройств как p- типа (несущие положительные заряды), так и n- типа (несущие электроны), что необходимо в логике CMOS. КМОП-схемы являются основой современной логики, потому что в идеале они потребляют энергию только при переключении из одного состояния в другое. В нашем предпочтительном двумерном полупроводнике мы продемонстрировали транзисторы n- типа, но еще не продемонстрировали p- тип. Однако физика, лежащая в основе этих материалов, убедительно свидетельствует о том, что мы можем достичь этого, создав диэлектрики и металлы, которые контактируют с полупроводником.

Возможность производить устройства как p-, так и n- типа позволит разрабатывать компактные внутренние логические схемы, такие как повторители. Повторители по существу ретранслируют данные, которые должны проходить относительно далеко через микросхему. Обычно задействованные транзисторы находятся на кремнии, но это означает, что сигналы должны подниматься вверх по стеку межсоединений, пока не достигнут слоя, на котором они могут пройти часть расстояния до места назначения, затем возвращаться обратно в кремний для повторения и вверх. снова к слою межсоединений на большие расстояния. Это немного похоже на необходимость съехать с шоссе и въехать в центр многолюдного города, чтобы купить бензин, прежде чем вернуться на шоссе.

Повторитель рядом с уровнем межсетевых соединений на большие расстояния больше похож на автозаправочную станцию ​​на автомагистрали. Это экономит время, необходимое сигналу для двустороннего вертикального срабатывания, а также предотвращает потерю мощности из-за сопротивления вертикальных межсоединений. Более того, перемещение повторителя на уровень межсоединений экономит место на кремнии для большей логики.

Повторители - не единственное возможное применение. Двумерный материал также можно использовать для создания других схем, таких как системы управления питанием на кристалле, буферы сигналов и селекторы памяти. Все эти схемы объединяет то, что они не требуют, чтобы устройство управляло большим током, поэтому одного слоя 2D-материала, вероятно, будет достаточно.

Ни будущие сверхмалые 2D-устройства, ни менее требовательные внутренние схемы не будут возможны без процесса производства, совместимого со стандартными 300-миллиметровыми кремниевыми пластинами. Наша команда в Imec работает именно над этим, надеясь разработать процесс, который будет обслуживать все приложения.

Первый шаг - определение наиболее многообещающего 2D-материала и архитектуры устройства. Поэтому мы протестировали различные архитектуры 2D-полупроводников и 2D-полевых транзисторов по сравнению с передовым кремниевым устройством FinFET.

Поскольку исследователи имеют наибольший опыт работы с дисульфидом молибдена (MoS2), экспериментальные устройства, использующие его, продвинулись дальше всех. Действительно, на Международной конференции по электронным устройствам IEEE в декабре прошлого года компания Imec представила транзистор MoS2 с каналом всего 30 нанометров в поперечнике и контактами истока и стока длиной всего 13 нм. Но после изучения возможностей мы решили, что MoS2 - не выход. Вместо этого мы пришли к выводу, что среди всех материалов, совместимых с технологией кремниевых пластин 300 мм, дисульфид вольфрама (WS 2) в виде уложенного друг на друга устройства из нанолистов имеет наивысший потенциал производительности, что означает, что он может управлять наибольшим током. Мы также пришли к выводу, что для менее требовательных приложений с обратной связью, архитектура полевого транзистора с затвором как ниже, так и над областью полупроводникового канала работает лучше, чем архитектура с одним затвором.

Мы уже знали одну важную вещь о WS 2 до того, как пришли к такому выводу: мы можем сделать его высококачественную версию на 300-мм кремниевой пластине. Мы продемонстрировали это впервые в 2018 году, выращивая материал на пластине с использованием металлорганического химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) - обычного процесса, при котором кристаллы выращиваются на поверхности с помощью химической реакции. Подход, который мы использовали, позволяет контролировать толщину до одномолекулярного слоя или монослоя на всей 300-миллиметровой пластине. Преимущества роста MOCVD, однако, достигаются за счет высокой температуры - и помните, что высокие температуры запрещены во внутренних процессах, потому что они могут повредить кремниевые устройства, расположенные ниже.

Чтобы обойти эту проблему, мы выращиваем WS 2 на отдельной пластине, а затем переносим ее на уже частично изготовленную кремниевую пластину. Команда Imec разработала уникальный процесс переноса, который позволяет перемещать один слой WS 2 толщиной всего 0,7 нм на кремниевую пластину мишени с незначительным ухудшением электрических свойств 2D-материала.

Процесс начинается с выращивания WS 2 на кремниевой пластине, покрытой оксидом. Затем ее помещают в контакт со специально подготовленной пластиной. Эта пластина имеет слой материала, который тает при освещении лазером. Он также имеет покрытие из клея. Клейкая сторона прижимается к покрытой WS 2 пластине, а 2D-материал отслаивается от ростовой пластины и прилипает к адгезиву. Затем клейкая пластина с ее двумерным грузом переворачивается на целевую кремниевую пластину, которая при реальных усилиях по изготовлению микросхем уже имела бы транзисторы и несколько слоев межсоединений. Затем через пластину пропускают лазерный луч, чтобы оторвать ее основную часть, оставляя только клей и WS 2.поверх целевой пластины. Клей удаляется химикатами и плазмой. Остается только обработанный кремний с прикрепленным к нему WS 2 , удерживаемый силами Ван-дер-Ваальса.

Процесс сложный, но работает. Конечно, есть возможности для улучшений, прежде всего в устранении дефектов, вызванных нежелательными частицами на поверхности пластины, и в устранении некоторых дефектов, возникающих по краям.

После того, как двумерный полупроводник нанесен, можно приступать к созданию устройств. На этом фронте были триумфы, но остались некоторые серьезные проблемы.

Возможно, наиболее важной проблемой, которую необходимо решить, является создание дефектов в WS 2 . Дефекты сильно ухудшают производительность 2D-устройства. В обычных кремниевых устройствах заряд может попасть в дефекты на границе между диэлектриком затвора и областью канала. Они могут разбрасывать электроны или дырки рядом с границей раздела, когда они пытаются пройти через устройство, замедляя работу. В случае двумерных полупроводников проблема рассеяния более выражена, потому что интерфейс - это канал.

Микрофотография, показывающая структуру устройства с двумя затворами.
Изображение: Imec
2D-транзистор: структура устройства с двумя затворами лучше всего подходит для устройств, которые должны существовать в слоях межсоединений микросхемы. Полупроводник из дисульфида вольфрама едва виден между металлическим истоком и стоком. Разные диэлектрики отделяют полупроводник от двух вентилей.
Вакансии серы являются наиболее частыми дефектами, влияющими на области каналов устройства. Imec изучает, как различные виды плазменной обработки могут сделать эти вакансии менее химически реактивными и, следовательно, менее склонными к изменению поведения транзистора. Нам также необходимо предотвратить образование большего количества дефектов после выращивания монослоя. Известно, что WS 2 и другие 2D-материалы быстро стареют и деградируют, если уже являются дефектными. Кислород, атакующий вакансию серы, может вызвать появление большего количества вакансий поблизости, в результате чего область дефекта будет расти все больше и больше. Но мы обнаружили, что хранение образцов в инертной среде помогает предотвратить распространение.

Дефекты в полупроводнике - не единственные проблемы, с которыми мы столкнулись при создании 2D-устройств. Нанесение изоляционных материалов на двумерную поверхность для формирования диэлектрика затвора - настоящая проблема. WS 2 и аналогичные материалы не имеют болтающихся связей, которые в противном случае помогли бы прикрепить диэлектрик к поверхности.

Наша команда в настоящее время изучает два пути, которые могут помочь: один - это осаждение атомного слоя (ALD) при пониженной температуре роста. В ALD молекула газа адсорбируется на открытой поверхности полупроводника, образуя единый слой. Затем добавляется второй газ, который вступает в реакцию с адсорбированным первым газом, оставляя слой материала атомарной точности, такого как диэлектрический диоксид гафния. Выполнение этого при пониженной температуре увеличивает способность молекул газа прилипать к поверхности WS 2, даже если химические связи отсутствуют.

Другой вариант - усилить ALD за счет использования очень тонкого окисленного слоя, такого как оксид кремния, чтобы способствовать зарождению роста слоя ALD. Наносится очень тонкий слой кремния с помощью физического метода осаждения, такого как распыление или испарение; затем он окисляется до того, как будет выполнено регулярное осаждение оксида затвора методом ALD. Мы достигли особенно хороших результатов с испарением.

Еще одна проблема при создании превосходных 2D-устройств заключается в выборе правильных металлов для использования в качестве контактов истока и стока. Металлы могут изменять характеристики устройства в зависимости от их работы. Этот параметр, минимальная энергия, необходимая для извлечения электрона из металла, может означать разницу между контактом, который может легко инжектировать электроны, и контактом, который может инжектировать дырки. Таким образом, команда Imec провела скрининг различных металлов для контакта с нанолистом WS 2 . Мы обнаружили, что самый высокий ток в устройстве n- типа был получен при использовании магниевого контакта, но другие металлы, такие как никель или вольфрам, работают хорошо. Будем искать другой металл для будущих устройств p- типа.

Несмотря на эти проблемы, мы смогли оценить верхние пределы производительности устройства и наметили пути, по которым нужно идти к ним.

В качестве эталона команда Imec использовала устройства с двойным вентилем, подобные тем, которые мы описали ранее. Мы построили их из небольших, естественно расслоившихся хлопьев WS 2 , которые имеют меньше дефектов, чем полупроводники в масштабе пластины. Для этих лабораторных устройств мы смогли измерить значения подвижности электронов до нескольких сотен квадратных сантиметров на вольт-секунду, что почти соответствует кристаллическому кремнию и близко к теоретически предсказанному максимуму для 2D-материала. Поскольку эта превосходная мобильность присуща натуральному материалу, мы уверены, что ее также можно будет получить с материалами, синтезированными на пластинах диаметром 300 мм, которые в настоящее время достигают лишь нескольких квадратных сантиметров на вольт-секунду.

Для решения некоторых из основных проблем, стоящих перед разработкой 2D-полупроводников, наша команда имеет четкое представление о решениях. Мы знаем, например, как выращивать и переносить материал на целевую пластину толщиной 300 мм; у нас есть идея, как интегрировать решающий диэлектрик затвора; и мы находимся на пути повышения мобильности носителей заряда в устройствах до уровня, который можно сравнить с кремнием.

Но, как мы уже выяснили, все еще остаются серьезные проблемы. Это потребует интенсивных инженерных усилий и еще более глубокого понимания этого нового класса интригующих 2D-материалов. Решение этих проблем позволит создавать высокопроизводительные устройства, масштабируемые до атомарных уровней, но они могут сначала предоставить новые возможности, требующие менее требовательных спецификаций, даже если мы продолжаем сокращать масштаб кремния.