特別說明：本文由米測技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨米測MeLab
編輯丨風(fēng)云
研究背景
隨著硅 (Si)場效應(yīng)晶體管 (FET) 接近尺寸的基本極限，需要新一代半導(dǎo)體通道來減少短通道效應(yīng)。二維 (2D) 材料如二硫化鉬 (MoS2)，其厚度僅為原子級，具有高載流子遷移率，在未來的晶體管中具有巨大的潛力。
關(guān)鍵問題
然而，2D FET的發(fā)展主要存在以下問題：
1、2D FET缺乏合適的電介質(zhì)材料，難以發(fā)揮全部潛力
由于缺乏合適的高質(zhì)量電介質(zhì)，盡管 2D 場效應(yīng)晶體管 (FET) 具有優(yōu)異的物理和電學(xué)性能，但仍無法發(fā)揮其全部理論潛力和優(yōu)勢。
2、原子級薄的金屬氧化物具有獨特的電子、光學(xué)和磁性，具有發(fā)展?jié)摿?/span>
在Si技術(shù)中運行良好的非靜態(tài)氧化物電介質(zhì)難以提供與2D材料均勻且明確的界面，晶體電介質(zhì)則存在帶隙相對較窄、介電常數(shù)低的問題。原子級薄的金屬氧化物具有獨特的電子、光學(xué)和磁性，，能提供足夠的介電性能和原子級平坦的表面，使其適合對二維材料的通道進(jìn)行靜電調(diào)制，以克服目前的局限性。
新思路
有鑒于此，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所狄增峰、田子傲等人展示了原子級薄單晶 Al2O3 (c-Al2O3) 作為 2D FET 中高質(zhì)量頂柵電介質(zhì)的制造。通過使用插層氧化技術(shù)，在室溫下在單晶Al表面形成一層穩(wěn)定、化學(xué)計量、原子級薄的 c-Al2O3 層，厚度為1.25 nm。由于良好的晶體結(jié)構(gòu)和明確定義的界面，c-Al2O3的柵極漏電流、界面態(tài)密度和介電強度符合國際器件與系統(tǒng)路線圖的要求。通過由源極、漏極、介電材料和柵極組成的一步轉(zhuǎn)移工藝，實現(xiàn)了頂柵 MoS2 FET，其特點是亞閾值擺幅陡峭，為 61?mV?dec?1，開/關(guān)電流比高，為108，磁滯極小，為 10?mV。該技術(shù)和材料展示了生產(chǎn)高質(zhì)量單晶氧化物的可能性，適合集成到完全可擴展的先進(jìn) 2D FET 中，包括負(fù)電容晶體管和自旋晶體管。
技術(shù)方案：
1、制備并表征了單晶Al2O3
作者通過電子束蒸發(fā)和范德華外延技術(shù)，成功合成了原子級薄的高介電c-Al2O3層，滿足了低功耗器件的IRDS要求，可實現(xiàn)晶片級生產(chǎn)。
2、測量了Al/c-Al2O3柵極的性能
c-Al2O3作為2D器件電介質(zhì)，顯著降低了柵極漏電流和界面態(tài)密度，滿足低功耗IRDS標(biāo)準(zhǔn)，展現(xiàn)優(yōu)異的縮減2D FET潛力。
3、制備了c-Al2O3/MoS2 FET并分析了其電子特性
作者究通過vdW轉(zhuǎn)移法制備自對準(zhǔn)MoS2 FET，實現(xiàn)低漏電流和高開關(guān)比。c-Al2O3/MoS2界面清晰，展現(xiàn)出卓越的電子特性和穩(wěn)定性。
4、證實了批量制造 c-Al2O3/MoS2 FET的可行性
作者通過成功在4英寸CVD-MoS2晶片上制備了大面積頂柵FET陣列，證實了c-Al2O3/MoS2 FET的可擴展制造性和高度均勻性，預(yù)示了高性能電子器件的制造潛力。
技術(shù)優(yōu)勢：
1、成功制備了原子級薄的高質(zhì)量電介質(zhì)層
作者采用外延剝離和插入氧化的方法，成功制備了厚度僅為1.25納米的單晶Al2O3，作為2D MoS2 FET的電介質(zhì)層，展現(xiàn)出了低柵極漏電流、低界面態(tài)密度和高介電強度，滿足了低功耗器件的國際器件和系統(tǒng)路線圖（IRDS）要求。
2、實現(xiàn)了具有出色接觸和電介質(zhì)界面的2D FET制造
作者通過使用范德華轉(zhuǎn)移方法，將整個FET堆棧（包括源極、漏極、電介質(zhì)和柵極）在一步工藝中轉(zhuǎn)移到MoS2通道上，實現(xiàn)了具有出色接觸和電介質(zhì)界面的2D FET，通過制造一批100個器件證實了出色的加工可重復(fù)性和均勻性。
技術(shù)細(xì)節(jié)
單晶Al2O3的制備與表征
作者成功開發(fā)了一種無需復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)或精密設(shè)備的可擴展方法，可用于合成高質(zhì)量的原子級薄c-Al2O3層。HR-TEM和XRD結(jié)果表明，通過電子束蒸發(fā)在石墨烯/鍺晶片上生產(chǎn)單晶Al，利用范德華外延方法，實現(xiàn)了晶片級單晶Al(111)的外延生長 。采用弱范德華力將Al剝離，并在控制氧環(huán)境中氧化，形成均勻的c-Al2O3層，其厚度可通過氧化時間調(diào)節(jié)。該方法具有高介電強度，滿足了低功耗器件的國際器件和系統(tǒng)路線圖(IRDS)要求 。此外，通過控制氧化時間，可以制備不同厚度的c-Al2O3層，且4英寸c-Al2O3/Al晶片的厚度映射表明變異系數(shù)非常均勻，為±6% 。
圖 c-Al2O3的制備和表征
Al/c-Al2O3柵極的性能
通過使用單晶c-Al2O3作為2D器件的柵極電介質(zhì)，有效降低了柵極漏電流(J)和界面態(tài)密度(Dit)，滿足了低功耗器件的國際器件和系統(tǒng)路線圖(IRDS)標(biāo)準(zhǔn)。c-Al2O3具有8.8eV的大帶隙，與多層MoS2形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出原子級清晰的界面，并通過HR-TEM和電子衍射圖案確認(rèn)了其結(jié)晶度和周期性原子間距離。實驗結(jié)果顯示，c-Al2O3/MoS2結(jié)構(gòu)的J值比非晶態(tài)Al2O3/MoS2低兩個數(shù)量級，僅為10-6 A cm-2，遠(yuǎn)低于IRDS標(biāo)準(zhǔn)。以SiO2/Si為全局背柵、以Al/c-Al2O3 為頂柵堆疊的雙柵器件，精確測量等效氧化物厚度(EOT)，c-Al2O3器件展現(xiàn)出最小的EOT，具有縮小2D FET的潛力。此外，c-Al2O3/MoS2的Dit值為8.4×109 cm-2 eV-1，符合低待機功率CMOS的IRDS要求，與Si/SiO2相當(dāng)，表明c-Al2O3是2D FETs的理想電介質(zhì)材料。
圖 Al/c-Al2O3柵極的性能
c-Al2O3/MoS2 FET 的制備及電子特性
為了研究基于c-Al2O3的2D FET的電子特性，作者采用范德華(vdW)轉(zhuǎn)移法制作了具有2nm厚c-Al2O3的自對準(zhǔn)MoS2 FET，有效實現(xiàn)了低漏電流和高電流開關(guān)比。通過TEM圖像確認(rèn)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的清晰界面，展示了原子級平整度。MoS2 FET顯示出優(yōu)良的電流控制和飽和度，亞閾值擺幅(SS)約為76 mV dec-1，開/關(guān)電流比(Ion/Ioff)高達(dá)109。此外，通過對比實驗發(fā)現(xiàn)，使用c-Al2O3的FET相較于非晶態(tài)Al2O3具有更低的SS和磁滯，顯示出更優(yōu)的電氣性能。
圖 c-Al2O3/MoS2 FET 的制備及電子特性
批量制造 c-Al2O3/MoS2 FET
作者成功在4英寸CVD-MoS2晶片上制備了大面積頂柵FET陣列，證實了c-Al2O3/MoS2 FET的可擴展制造性。通過vdW轉(zhuǎn)移法，實現(xiàn)了高質(zhì)量的FET堆棧向MoS2/藍(lán)寶石基板的完整轉(zhuǎn)移，晶片上未觀察到皺紋或裂紋。這些FET展現(xiàn)出了優(yōu)異的靜電控制和n型特性，100個FET的轉(zhuǎn)移曲線顯示了極高的均勻性。70%的設(shè)備在75–175 mV dec?1的SS值范圍內(nèi)表現(xiàn)了高106的Ion/Ioff，為CVD-MoS2 FET中的佼佼者。隨著高質(zhì)量單晶MoS2的廣泛應(yīng)用，預(yù)計MoS2晶體管陣列的SS值和分布將得到顯著改善。c-Al2O3/石墨烯FET的均勻性和可擴展性預(yù)示著c-Al2O3技術(shù)在未來制造高性能射頻晶體管和其他復(fù)雜電路方面的潛力。
圖 在CVD-MoS2/藍(lán)寶石晶片上批量制造 c-Al2O3/MoS2 FET
展望
總之，作者展示了單晶Al2O3作為頂柵2D晶體管的高質(zhì)量介電層的制造。這一突破將為進(jìn)一步提高單晶氧化物的多樣性、可擴展性和可制造性奠定基礎(chǔ)，促進(jìn) 2D 半導(dǎo)體從實驗室到工業(yè)環(huán)境的無縫過渡。晶圓級單晶鋁和氧化鋁的生長方法可以進(jìn)一步擴展到其他金屬，并且可以合成一些以前無法獲得的單晶氧化物用于各種應(yīng)用。這一歷程中的一個顯著進(jìn)步是能夠擴大到當(dāng)前的硅晶圓直徑，因為用于單晶石墨烯合成的起始鍺可以直接在硅上外延生長，這大大拓寬了集成到現(xiàn)有硅工廠制造工藝的潛力。同時，開發(fā)專用于低維材料（包括單晶介電氧化物、二維通道材料和超薄金屬電極）的自動脫鍵轉(zhuǎn)移工具對于實現(xiàn)多功能二維器件之間獨特的對準(zhǔn)至關(guān)重要，有望大幅提高吞吐量、提高可重復(fù)性和增強二維集成電路的可靠性。通過構(gòu)建復(fù)雜的二維集成電路，特別是在成熟的 Si-CMOS 平臺上進(jìn)行異質(zhì)集成，二維材料的巨大潛力可以得到充分釋放，并為下一代高性能電子設(shè)備奠定基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
Zeng, D., Zhang, Z., Xue, Z. et al. Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07786-2
