柵極長度縮放超出硅的 FET 對短溝道效應(yīng)具有魯棒性

當(dāng)今行業(yè)中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù) FET 都是由硅制成的，因為它具有出色且可重現(xiàn)的電子特性。根據(jù)摩爾定律，硅受到薄通道厚度下遷移率下降的困擾，這為高度縮放的設(shè)備保持強靜電。過渡金屬二硫化物 (TMD) 等二維溝道材料可用于 FET 以解決此問題。由于2D 材料具有二維表面，因此它們具有更好的遷移率水平，包括在 0.7 A 下實現(xiàn)激進的溝道長度縮放。

自從在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中引入場效應(yīng)晶體管 (FET) 以來，理論和應(yīng)用電路技術(shù)已經(jīng)取得了多項改進。FET 是低頻和中頻的低噪聲放大器以及高輸入阻抗放大器、電荷敏感放大器和模擬乘法器的理想選擇。此外，它們還可以用作可變反饋元件。由于 FET 在控制電路和 JFET 電壓表設(shè)計中的互調(diào)失真，因此在混合電路中實現(xiàn)。

當(dāng)今行業(yè)中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù) FET 都是由硅制成的，因為它具有出色且可重現(xiàn)的電子特性。根據(jù)摩爾定律，硅受到薄通道厚度下遷移率下降的困擾，這為高度縮放的設(shè)備保持強靜電。過渡金屬二硫化物 (TMD) 等二維溝道材料可用于 FET 以解決此問題。由于2D 材料具有二維表面，因此它們具有更好的遷移率水平，包括在 0.7 A 下實現(xiàn)激進的溝道長度縮放。

圖 1：兩層 TMD 堆疊納米帶結(jié)構(gòu)的 TEM 橫截面（：IEEE）

二維納米片具有獨特的特性，使其在分離應(yīng)用中具有吸引力。它們具有高表面積與體積比、可調(diào)孔徑和高機械穩(wěn)定性。這些特性允許有效的分子傳輸和分離，使它們成為用于各個領(lǐng)域的有前途的材料。圖 1 顯示了堆疊的 2D 納米片結(jié)構(gòu)，其中 TMD 層與犧牲氧化物層交替出現(xiàn)。在類似的條件下，2D CMOS 也可以與這種分層堆棧集成，支持減少柵極長度和增加每個堆棧高度的幾個通道。

縮放 L S-D設(shè)備的制造

為了通過啟用短溝道 2D 晶體管來縮放 L S-D和柵極氧化物，構(gòu)建了一種器件制造以獲得更好的靜電特性。初，使用濕轉(zhuǎn)移法將 MBE 生長的 MoS 2單層轉(zhuǎn)移到TiN 上的 5 nm HfO 2底柵基板上。在設(shè)備運行期間具有重要作用的主要尺寸可以通過使用 FWHM 的電子束光斑尺寸來確定，在高分辨率模式下范圍小于 10 nm。在生產(chǎn) L S-D尺寸小于 25 nm 且樣品之間的差異較小時，使用了 PMMA 抗蝕劑工藝。

盡管即使在較小的尺寸下，薄光刻膠方法也會導(dǎo)致 L S-D的變化較小，但它可能是清潔剝離過程中的方法。觀察了具有 HfO 2底柵氧化物和薄的 Al 2 O 3 /HfO 2雙層頂柵氧化物的雙柵器件的 TEM 。

二維通道的靜電

在研究 2D 單層通道的 SCE 時，探測了單門控器件傳輸特性，范圍從超過 50 nm 的長 L S-D到25 nm 的縮放 L S-D 。這些晶體管具有單柵極配置，其中隨著 L S-D上升到L S-D = 35 nm 以下，SS 顯示出退化跡象，同時中值漏極感應(yīng)勢壘降低 (DIBL) 增加至 132 mV/V。

當(dāng)談到理想的 2D 晶體管的功能時，人們認為它們不會在這種縮放下體驗 SCE。當(dāng)安裝額外的頂柵時，在長 L S-D處觀察到靜電增強，其中更陡峭的 SS位于75 mV/dec 附近，低 DIBL 為 12 mV/V 。

還使用 Sentaurus 設(shè)備執(zhí)行了 TCAD 模擬，其中可以在數(shù)據(jù)中看到實時趨勢以用于實驗?zāi)康?。介電常?shù)k = 1 被建模為底部 HfO 2中的空隙以簡化結(jié)構(gòu)。

在模擬中，很明顯在觸點邊緣存在MoS 2分層，這會產(chǎn)生劣化的 SS。在實驗過程中，在 Al 2 O 3的界面處添加固定正電荷以在雙柵極器件中復(fù)制更陡峭的 SS。DIBL 與每個 L S-D的 SS 擴散之間也存在正相關(guān)關(guān)系，這表明靜電控制因設(shè)備而異。此外，對于遭受隨機轉(zhuǎn)移殘留物和未鈍化 TMD 通道的雙門控長 L S-D器件，觀察到變化減少。

柵極氧化物

優(yōu)化的三甲基鋁 (TMA) 和 H 2 O 暴露用于120°C 的低溫 Al 2 O 3沉積，這特別適用于頂部氧化物柵極。基于進行的AFM分析，所產(chǎn)生的HfO 2 /Al 2 O 3雙層形成有約0.5nm的RMS粗糙度。由于柵極幾乎短路，大約 25% 的雙柵極器件會“失效”，同時，20% 的器件會遭受高柵極漏電。55% 的器件表現(xiàn)出高均勻性和極低的柵極泄漏。此外，由于引腳之間的平均距離，針孔可能會包含在部分器件的溝道區(qū)域內(nèi)，這可能會導(dǎo)致柵極泄漏故障。

很明顯，無針孔“薄雙層”ALD 氧化膜具有高內(nèi)在質(zhì)量，這是基于該組器件的低均勻柵極泄漏。薄雙層設(shè)計專門用于穩(wěn)定薄的柵極氧化物，并通過提供薄且高質(zhì)量的柵極氧化物同時確保對底層材料的充分覆蓋和保護來幫助實現(xiàn)這種平衡。單門控和雙門控測量的遲滯幾乎為零，這表明柵極氧化物/TMD 界面的質(zhì)量很高。

結(jié)論

使用雙層 ALD 工藝對二維晶體管靜電進行了統(tǒng)計研究，該工藝具有與二維表面兼容的薄高 k 表面。根據(jù)實驗和模擬數(shù)據(jù)，二維單層通道具有非常薄的主體。盡管 2D 晶體管的柵極氧化物厚度和界面沒有優(yōu)化，但它們對短溝道效應(yīng)（尤其是 DIBL）表現(xiàn)出非常好的抵抗力。因此，二維 TMD 單層可以被確定為合適的通道材料來替代硅，以保持摩爾定律的縮放比例。