米乐(中国)官方网站 开发出对于提高逻辑半导体性能至关重要的晶体管材料

8672_8833₂特₃)/二硫化钼 (MoS₂)范德华界面，n型MoS₂晶体管我们开发了一种降低接触界面电阻（低接触电阻）的技术，这极大地有助于提高性能。

MoS₂具有二维晶体结构过渡金属二硫属化物(TMDC)的材料，用于下一代晶体管频道的半导体材料，它受到了广泛的关注。然而，常见的金属电极和MoS₂接触表面的高接触电阻一直是提高晶体管性能的障碍。这一次，MoS₂以上分层材料锑₂特₃，我们成功地显着降低了晶体管的接触电阻。另外，Sb₂特₃₂晶体管有望对半导体制造工艺表现出足够的耐热性。新开发的技术是MoS₂下一代有潜力从根本上解决晶体管的接触电阻问题逻辑半导体有望对提高二维材料晶体管的性能做出巨大贡献。

这项研究的详细信息将于 2023 年 2 月 10 日（欧洲中部时间）发表在涉及电子学相关材料的国际学术期刊上。先进电子材料发布

提示CMOS在制造技术中，为了持续提高功率效率、性能、面积和成本（PPAC），不仅需要减小尺寸，还需要引入新的材料和器件结构。在这些技术努力中，在当前的硅（Si）纳米片提议的结构，2 纳米一代抱有很高的期望此外，关于超越2纳米技术，经济产业省的半导体/数字产业战略审查委员会中提到了增强发展作为Beyond 2 nm技术之一，中等带隙然而，要实现二维材料晶体管的实际应用，仍有许多技术挑战需要克服，世界各地的研究机构和公司一直在积极开展该课题的研究。

TMDC作为下一代晶体管的沟道材料引起了广泛关注，因为它即使在1 nm或更小的原子层区域也能保持高电导率。 AIST一直在国家研究开发机构日本科学技术振兴机构战略创意研究推进项目团队型研究（CREST）“原子层异质结构器件的演示和3D集成LSI的原子层沉积工艺的开发（FY2017-2021）：与东京都立大学共同实施”项目中进行高性能TMDC晶体管的研究。传统的TMDC晶体管开发主要使用金属电极，例如钨（W）、钛（Ti）、铬（Cr）、镍（Ni）、钯（Pd）和金（Au）。然而，众所周知，这些金属电极和TMDC之间的界面表现出高接触电阻，这会抑制TMDC晶体管的驱动电流并且不会提高器件性能。这是在金属电极/TMDC结界面处费米能级钉扎现象（FLP）发生，并且很难降低界面处的势垒。最近，半导体制造商和研究机构一直在开发消除FLP的TMDC接触形成技术。来自台积电和英特尔的铋 (Bi) 和锑 (Sb)半金属可以显着降低接触电阻。作为接触材料。然而，由于Bi具有低熔点（约270℃）和低热稳定性，因此被认为难以将其应用于需要400℃或更高耐热性的半导体制造工艺。因此，为了提高下一代晶体管的性能，需要开发具有高耐热性并降低与TMDC接触电阻的电极材料。

这项研究和开发得到了 JST CREST、JST FOREST 项目和 JSPS KAKENHI 的支持。

在这项研究中，MoS，代表性的TMDCs之一₂制造了一个晶体管并使用Sb₂特₃锑₂特₃有许多原子按层排列，层之间通过称为范德华力的弱键相互连接。另外，Sb₂Te₃表现出类似于 Bi 和 Sb 等准金属（窄带隙：02–03 eV）的特性。此外，Sb₂特₃的熔点（约620℃）高于Bi等这些特性是Sb₂Te₃也是一种层状材料MoS₂之间。并且FLP可能被抑制。为此，Sb₂Te₃，我们可以在保持高耐热性的同时实现低接触电阻。 AIST小组已被Sb₂特₃的长期研究，我们积累了形成与基材和底层材料表面平行的层状材料的专业知识。因此，这次我们开发了一款适合批量生产的产品。溅射法的单层MoS₂Sb在上面₂特₃, Sb₂特₃/MoS₂透射电子显微镜 (TEM)图1Sb₂Te₃/MoS₂这显示了层状膜结构和相应原子排列的TEM截面照片。锑₂特₃和 MoS₂发现其具有良好的层状结构和结晶度。锑₂特₃/MoS₂的TEM照片显示两种材料的原子排列匹配，证实这些层压薄膜具有范德华界面。

一般来说，400°C或更高的耐热性是集成电路布线过程中实用化的重要要求。因此，Sb₂特₃/MoS₂我们研究了层压膜结构的耐热性。热处理前后，MoS₂保持单层结构拉曼光谱进行分析证实另外，从截面TEM照片(图2)可知，Sb₂特₃/MoS₂研究表明，即使在450°C的热处理后，层压膜结构仍保持良好的结晶度和范德华界面。

锑₂Te₃/MoS₂我们研究了范德华界面的形成如何影响晶体管特性。图3 MoS₂显示了晶体管电流-电压特性的比较。在展示 n 型晶体管操作时，Sb₂特₃我们发现带有电极的晶体管的驱动电流增加了4到30倍。我们认为驱动电流如此显着增加背后的主要因素是接触电阻的降低，事实上MoS₂图4显示了确定晶体管接触电阻的结果。锑₂特₃我们发现，带有电极的晶体管的接触电阻比使用Sb电极时的接触电阻低大约一个数量级，并且也与使用Bi电极时的接触电阻相当，据报道，Bi电极是世界上最小的。 Sb和Bi电极不适合用于半导体器件，因为它们不能承受半导体制造后处理中的高温。锑₂特₃该电极表现出超过 400 摄氏度的耐热性，同时实现了与 Bi 电极相当的低接触电阻，这项研究是世界上第一个报告它同时实现了这两个目标的研究。

如上所述，Sb₂特₃/MoS₂我们开发了一种技术，可以实现界面处的低接触电阻和半导体制造工艺所需的耐热性。该技术将有助于实现超越2纳米一代逻辑半导体。

图3电流电压特性比较

图4接触电阻对比

未来，我们的目标是创建一种n型和p型TMDC晶体管串联的CMOS。为此，n型MoS₂我们不仅需要开发晶体管的低接触电阻技术，还需要开发p型TMDC晶体管的低接触电阻技术。这次sb发达了₂特₃接触技术是n型MoS₂显示出最佳特性，但 p 型 TMDC 需要不同的触点材料。我们计划加速使用具有低接触电阻的TMDC的CMOS的开发，以实现远远超过现有Si性能的下一代逻辑半导体。

已出版的杂志：先进电子材料
论文标题：Sb₂特₃/MoS₂具有高热稳定性和低接触电阻的范德华结
作者：Wen Hsin Chang*、Shogo Hatayama、Yuta Saito*、Naoya Okada、Takahiko Endo、Yasumitsu Miyata 和 Toshifumi Irisawa*
DOI：101002/aelm202201091

范德华界面

通过弱范德华力连接的层状晶体之间的界面。由于化学键终止于原子水平上平坦的理想界面，因此即使组合不同材料，也可以无限减少界面处的缺陷。[返回来源]

晶体管

一种利用半导体晶体中电子和空穴的导电来放大电流的元件。场效应晶体管是在半导体基板上隔着氧化膜形成栅电极、在栅电极的两侧形成源电极和漏电极的结构。以电子为导电载流子的晶体管称为n型晶体管，以空穴为导电载流子的晶体管称为p型晶体管。[返回来源]

过渡金属二硫属化物 (TMDC)

过渡金属二硫属化物 (TMDC) 的化学式为 MX₂(M为过渡金属，X为硫族元素S(硫)、Se(硒)、Te(碲))。许多表现出层状晶体结构，以三个原子层（X-M-X）作为组成单元，每个单元通过范德华力弱连接。[返回来源]

频道

指半导体沟道。晶体管源极和漏极之间的电流路径，由半导体材料（Si、Ge、TMDC 等）制成。[返回来源]

分层材质

具有层状晶体结构的一组材料，其中由强键（例如共价键和离子键）组成的单元层主要通过弱范德华力堆叠在一起。石墨是一种典型的层状材料。[返回参考源]

逻辑半导体

LSI半导体器件主要分为“逻辑运算”和“存储器应用”。计算半导体元件安装在智能手机和计算机中，起到控制电子设备和处理数据的作用。[返回来源]

CMOS

互补金属氧化物半导体。 n型晶体管和p型晶体管串联连接的器件，其电流-电压特性具有相反的符号。它是低功耗处理集成电路的最基本器件。[返回来源]

纳米片

一种控制晶体管电流开/关的沟道结构。利用蚀刻技术将半导体加工成厚度为纳米级的二维片材。纳米片晶体管即使在尺寸减小的情况下也具有优异的栅极可控性，并且电流驱动能力很大。[返回来源]

2 纳米一代

全球制定的半导体路线图中半导体制造工艺的技术代的名称。在22纳米世代左右，技术世代名称和实际的半导体微加工尺寸开始出现分歧，2纳米名称并不是指实际尺寸，例如互连宽度或最小加工尺寸。[返回来源]

半导体/数字产业战略审查委员会

相关专家和部委齐聚一堂，分享信息并就未来政策方向交换意见，旨在提高半导体和数字产业的竞争力。
来源：https://wwwmetigojp/policy/mono_info_service/joho/conference/semicon_digitalhtml [返回来源]

带隙

在半导体领域，是指电子占据的最高能态与没有电子占据的最低能态之间的能量差。 Si是一种典型的半导体，其带隙约为11 eV。[返回来源]

费米能级钉扎现象（FLP）

半导体中电子占据概率为50%的能级（费米能级）被固定（=钉扎）在半导体/金属界面的固定位置的状态。图钉指的是能量值固定在某个值，就像图钉固定在一个点一样。在理想界面下，可以通过改变金属的类型来改变费米能级的位置。在实际界面中，费米能级的钉扎是由于界面态而发生的。[返回来源]

半金属

物理和化学性质介于金属和非金属之间的物质。没有明确的定义，含义可能会根据上下文而有所不同，但一般来说，金属有光泽，表现出导电性，并且在加工时表现出延展性和延展性，而非金属则不导电，并且在加工时通常几乎没有延展性。准金属通常表现出中间性质。在本研究中，从导电性的角度来看，我们使用该术语来表示虽然它没有表现出像金属那么高的导电性，但它并不是一种导电性能不如非金属的物质。[返回来源]

溅射法

一种用于形成金属、氧化物和许多其他物质薄膜的沉积技术。在该方法中，将要形成薄膜的材料设置为真空室中的靶材，施加高电压，用电离的氩气或氮气轰击它，使靶材表面的原子被排斥并被吹走，从而在基板上形成薄膜。物理气相沉积 (PVD) 的一种。[返回来源]

透射电子显微镜（TEM）

这是一种用加速电子束照射薄样品并形成透射电子束图像的显微镜。原子水平的观察是可能的。[返回来源]

拉曼光谱

当光进入物质并与分子相互作用时，会产生波长与入射光不同的光（=拉曼散射光）。由于散射光的波长根据分子或晶体的类型而变化，因此该方法允许您通过在较宽的波长范围内进行测量来检查物质的结构信息。[返回来源]