上海微系統(tǒng)所成功開(kāi)發(fā)面向二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質(zhì)晶圓

中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海微系統(tǒng)所）狄增峰研究員團(tuán)隊(duì)在面向低功耗二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質(zhì)晶圓研制方面取得突破性進(jìn)展。2024年8月7日，相關(guān)成果以《面向頂柵結(jié)構(gòu)二維晶體管的單晶金屬氧化物柵介質(zhì)材料》（Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors）為題，發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

硅基集成電路是現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步的基石，但在尺寸縮小方面面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)硅基晶體管溝道厚度接近納米尺度時(shí)，特別是小于幾納米，晶體管的性能就會(huì)顯著下降，進(jìn)一步持續(xù)發(fā)展面臨物理極限的瓶頸。二維半導(dǎo)體材料具有高載流子遷移率和抑制短溝道效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，是下一代集成電路芯片的理想溝道材料。三星正致力于將二維半導(dǎo)體材料應(yīng)用于高頻和低功耗芯片制造。臺(tái)積電正在研究如何將二維半導(dǎo)體材料集成到現(xiàn)有半導(dǎo)體制程中，以提高晶體管的性能和降低功耗。歐盟通過(guò)“歐洲芯片法案”，推動(dòng)二維半導(dǎo)體材料的研究和開(kāi)發(fā)，聯(lián)合IMEC建成歐洲第一條二維半導(dǎo)體材料先導(dǎo)中試線，促進(jìn)歐洲在二維半導(dǎo)體領(lǐng)域的前瞻布局和自主創(chuàng)新。

然而，二維半導(dǎo)體溝道材料缺少與之匹配的高質(zhì)量柵介質(zhì)材料，導(dǎo)致二維晶體管實(shí)際性能與理論存在較大差異。傳統(tǒng)硅基非晶柵介質(zhì)材料表面懸掛鍵較多，與二維半導(dǎo)體材料形成的界面存在大量電子陷阱，影響二維晶體管性能。單晶柵介質(zhì)材料能夠與二維半導(dǎo)體溝道材料形成完美界面，但是單晶柵介質(zhì)材料生長(zhǎng)通常需要較高工藝溫度和后退火處理，易對(duì)二維半導(dǎo)體材料造成損傷或無(wú)意摻雜，形成非理想柵介質(zhì)/二維半導(dǎo)體界面，界面態(tài)密度通常高達(dá)1011 cm-2 eV-1左右，無(wú)法滿足未來(lái)先進(jìn)低功耗芯片發(fā)展要求。

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所集成電路材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室狄增峰研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了單晶金屬插層氧化技術(shù)（圖1a），室溫下實(shí)現(xiàn)單晶氧化鋁（c-Al2O3）柵介質(zhì)材料晶圓制備，并應(yīng)用于先進(jìn)二維低功耗芯片的開(kāi)發(fā)。以鍺基石墨烯晶圓作為預(yù)沉積襯底生長(zhǎng)單晶金屬Al（111），利用石墨烯與單晶金屬Al（111）之間較弱的范德華作用力，實(shí)現(xiàn)4英寸單晶金屬Al（111）晶圓無(wú)損剝離（圖1b），剝離后單晶金屬Al（111）表面呈現(xiàn)無(wú)缺陷的原子級(jí)平整。在極低的氧氣氛圍下，氧原子可控的、逐層插入到單晶金屬Al（111）表面的晶格中，并且維持其晶格結(jié)構(gòu)（圖1a）。從而，在單晶金屬Al（111）表面形成穩(wěn)定、化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確、原子級(jí)厚度均勻的c-Al2O3（0001）薄膜晶圓（圖1c，d）。進(jìn)一步，利用自對(duì)準(zhǔn)工藝，成功制備出低功耗c-Al2O3/MoS2晶體管陣列（圖2a，b），晶體管陣列具有良好的性能一致性（圖2c）。晶體管的擊穿場(chǎng)強(qiáng)（17.4 MV/cm）、柵漏電流（10-6 A/cm2）、界面態(tài)密度（8.4×109 cm-2 eV-1）等指標(biāo)均滿足國(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS，International Roadmap for Devices and Systems）對(duì)未來(lái)低功耗芯片要求（圖3）。

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圖1.藍(lán)寶石單晶（c-Al2O3）柵介質(zhì)薄膜。a，單晶Al（111）插層氧化形成c-Al2O3示意圖。極低氧含量條件下，氧原子逐層進(jìn)入Al（111）晶格中；b, 4寸單晶Al（111）晶圓。c，單晶Al（111）/c-Al2O3在SiO2襯底上的截面HRTEM圖像。標(biāo)尺：1nm；d，c-Al2O3晶圓厚度分布圖。

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圖2. 基于c-Al2O3 柵介質(zhì)的二維MoS2晶體管。a, 4英寸二維c-Al2O3/MoS2晶體管陣列；b, c-Al2O3/MoS2晶體管器件截面TEM圖；c，c-Al2O3/MoS2晶體管器件轉(zhuǎn)移特性曲線。

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圖3. 基于c-Al2O3 柵介質(zhì)的二維MoS2晶體管性能。a，擊穿場(chǎng)強(qiáng)；b，泄漏電流；c，界面態(tài)密度。

本工作的第一完成單位為中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所，第一作者為中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所曾道兵博士，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所田子傲研究員、狄增峰研究員為共同通訊作者。研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部、中國(guó)科學(xué)院、上海市科委等項(xiàng)目的大力支持。

本文通訊作者田子傲研究員介紹到“與非晶材料相比，單晶氧化鋁柵介質(zhì)材料在結(jié)構(gòu)和電子性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)，是基于二維半導(dǎo)體材料晶體管的理想介質(zhì)材料。其態(tài)密度降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，相較于傳統(tǒng)界面有了顯著改善�！�

本文通訊作者狄增峰研究員介紹道:“硅基集成電路芯片長(zhǎng)期使用非晶二氧化硅作為柵介質(zhì)材料，從2005年，非晶高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料開(kāi)始使用，進(jìn)一步提升柵控能力。因此，柵介質(zhì)材料一般認(rèn)為是非晶材料，此次開(kāi)拓性研制出單晶氧化物作為二維晶體管的柵介質(zhì)材料并成功實(shí)現(xiàn)二維低功耗芯片，有望啟發(fā)集成電路產(chǎn)業(yè)界發(fā)展新一代柵介質(zhì)材料”。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07786-2#citeas