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研究背景

隨著集成電路技術的發展，金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）和互補金屬-氧化物-半導體（CMOS）電路已成為現代科技進步的推動力。通過不斷縮小MOSFET的物理尺寸，人們期望提高整體效率，包括性能、功耗、面積和成本等。然而，隨著尺寸的減小，面臨著短溝道效應等挑戰，使得硅基器件的進一步縮放變得困難。

為解決這一問題，科學家們轉向了二維材料（2DMs）的研究，這些材料具有原子尺度的厚度和非懸掛鍵的界面，有望實現更小尺寸的晶體管。然而，將2DMs從實驗室應用到工業生產中依然面臨諸多挑戰。這包括大規模轉移技術、高質量材料合成和與現有生產線的兼容性等方面。

成果簡介

近日，復旦大學微電子學院周鵬教授以及劉春森研究員等人對此問題進行了深入研究，相關成果在“Nature Reviews Electrical Engineering”期刊上發表了題為“Transistor engineering based on 2D materials in the post-silicon era”的最新論文。本研究側重于比較硅基MOSFET和2DMs基MOSFET技術，并分析了通道工程、接觸工程和介質工程等方面的關鍵科學問題。通過對比和分析，作者提出了針對2DMs的性能優化路徑，并探討了解決不同工程問題的有希望方案。

圖文導讀

圖1展示了針對2DMs和硅技術的器件工程策略。左側展示了對2DMs的絕緣體、接觸、通道和集成工程趨勢，右側展示了對硅技術的相應工程趨勢。這些工程策略旨在解決不同材料系統下的器件工程挑戰，并推動集成電路技術的進步。

圖1：二維材料（2DMs）和硅技術的器件工程策略。

圖2主要討論了通道工程的問題。圖中a部分展示了基于硅的晶體管尺度路徑，從結構創新轉向材料創新。隨著技術節點的縮小，通道厚度、柵長和技術節點之間的不匹配程度變得更加嚴重。而b部分展示了不同二維材料的遷移率與帶隙之間的關系，表明了2DMs在通道工程中的潛力。c和d部分通過雷達圖比較了N型和P型金屬-氧化物-半導體（NMOS和PMOS）的性能，突出了2DMs在物理柵長方面的優勢。

圖2. 2DM晶體管的通道工程。

圖3重點討論了接觸工程的問題。a部分展示了基于硅技術路線下活性區結合深度與柵長之間的關系，b部分則展示了2DMs中接觸電阻與接觸長度之間的關系。圖中c部分呈現了金屬功函數和熔點的關系，以及金屬與P型和N型接觸的適應性。這些結果有助于優化2DMs晶體管的接觸工程，提高器件性能。

圖3. 2D材料晶體管的接觸工程。

圖4著重討論了介質工程的問題。a部分展示了典型的硅氧化物塊狀絕緣體集成方式，b部分則說明了使用傳統原子層沉積方法直接在2D材料表面生長絕緣層時的缺陷。c部分提出了有效的絕緣體集成策略，如范德華堆疊絕緣體和種子層誘導策略。d和e部分通過質量和介電常數與帶隙值之間的關系圖，比較了不同介質集成策略的效果。

圖4. 2DMs晶體管的介質工程。

圖5主要介紹了硅和2DMs晶體管的制造流程。a部分展示了基于硅的器件集成過程，包括通道的離子注入、柵的定義和金屬化等步驟；而b部分則展示了基于2DMs的器件集成過程，其中重點是大尺度2DM通道材料的生長和金屬化。

圖5：硅和2DMs晶體管的制造流程。

圖6總結了2DMs的大面積生長方法。a部分展示了晶圓級2D材料合成和轉移的示意圖，b部分統計了通過合成獲得的2DMs的遷移率及相應面積的數據。這些數據有助于了解2DMs的生長特性和應用潛力。通過對2DMs和硅技術的器件工程進行深入研究，可以為下一代集成電路技術的發展提供重要的指導和支持。優化通道、接觸和介質工程，以及改進制造流程，將有助于實現器件的進一步縮放和性能提升，推動集成電路技術的不斷創新和發展。

圖6：2DMs大面積生長的總結。

總結展望

本文通過借鑒硅MOSFET技術的持續創新經驗，并通過對通道、接觸和介質工程方法的優化和進一步發展，我們可以期待在2DMs領域實現器件性能的突破。本文關鍵在于將優化2D晶體管的方法全面考慮，采取綜合性的器件工程措施。在前端工藝方面，必須實現自對準集成工藝、高質量的晶片級2DMs合成和轉移。這一科學啟迪為未來集成電路技術的發展提供了新的思路和可能性，為作者邁向超越傳統極限的微型化器件鋪平了道路。

文獻信息

Zeng, S., Liu, C. & Zhou, P. Transistor engineering based on 2D materials in the post-silicon era. Nat Rev Electr Eng (2024). https://doi.org/10.1038/s44287-024-00045-6

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