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高遷移率二維半導(dǎo)體Bi2O2Se的紫外光輔助插層氧化方法

倩倩 ? 來源:北京大學(xué)化學(xué)與分子工程 ? 作者:北京大學(xué)化學(xué)與分 ? 2022-09-26 10:04 ? 次閱讀
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隨著集成電路芯片向亞3納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)邁進(jìn),晶體管中關(guān)鍵尺寸不斷微縮,帶來更高的開關(guān)速度和集成度,但也會(huì)導(dǎo)致短溝道效應(yīng),嚴(yán)重影響晶體管性能,摩爾定律正逼近物理極限,這使得業(yè)界亟需開發(fā)新材料和新架構(gòu)。原子級(jí)厚度的高遷移率二維半導(dǎo)體將取代傳統(tǒng)硅鍺,成為備選溝道材料,而柵介質(zhì)的等效氧化層厚度(equivalent oxide thickness,EOT)也需微縮至0.5納米以下。如何有效地將高遷移率二維半導(dǎo)體與高介電常數(shù)柵介質(zhì)集成并極限微縮(EOT<0.5納米)是電子學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。近日,北京大學(xué)彭海琳課題組建立了高遷移率二維半導(dǎo)體Bi2O2Se的紫外光輔助插層氧化方法,實(shí)現(xiàn)了新型自然氧化物單晶柵介質(zhì)β-Bi2SeO5的可控制備,其介電常數(shù)高達(dá)22,絕緣性能優(yōu)異。二維Bi2O2Se/Bi2SeO5基頂柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵介電層EOT可微縮至0.41納米,突破了二維電子器件超薄柵介質(zhì)集成這一瓶頸。相關(guān)研究成果以“亞0.5納米等效氧化層厚度的二維半導(dǎo)體單晶自然氧化物柵介質(zhì)”(A single-crystalline native dielectric for two-dimensional semiconductors with an equivalent oxide thickness below 0.5 nm)為題,于2022年9月15日在線發(fā)表在《自然-電子學(xué)》(Nature Electronics)。

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集成電路芯片中晶體管的關(guān)鍵尺寸在摩爾定律的推動(dòng)下不斷微縮。當(dāng)晶體管中半導(dǎo)體溝道長(zhǎng)度小于6倍特征長(zhǎng)度(λ)時(shí),會(huì)發(fā)生閾值電壓漂移、漏電流增大等短溝道效應(yīng),制約了晶體管進(jìn)一步向亞3納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)微縮。如公式λ=

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所示,這一特征長(zhǎng)度λ與晶體管的有效柵極數(shù)目(n)、半導(dǎo)體溝道厚度(tb)與介電常數(shù)(εb),以及柵介質(zhì)的厚度(tox)與介電常數(shù)(εox)直接相關(guān)。因而,業(yè)界計(jì)劃使用原子級(jí)厚度的高遷移率二維半導(dǎo)體材料取代傳統(tǒng)硅鍺作為溝道材料,同時(shí)需將柵介質(zhì)的等效氧化層厚度(equivalent oxide thickness,EOT)微縮至0.5納米以下,來減小特征長(zhǎng)度λ以抑制短溝道效應(yīng)。

然而,將高遷移率二維半導(dǎo)體與高介電常數(shù)的柵介質(zhì)有效集成并極限微縮是電子學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。目前,商用硅基集成電路中所用的柵介質(zhì)為原子層沉積法(ALD)制備的氧化鉿(HfO2),其在二維半導(dǎo)體無懸掛鍵的范德華表面難以均勻沉積,無法形成連續(xù)薄膜。而與二維半導(dǎo)體兼容的柵介質(zhì),如六方氮化硼(hBN)、氟化鈣(CaF2)、有機(jī)緩沖層復(fù)合的HfO2等,由于介電常數(shù)較低、絕緣性不足等原因,EOT僅能微縮至0.9納米水平。因此,二維電子學(xué)領(lǐng)域亟需開發(fā)與二維半導(dǎo)體兼容的亞0.5納米EOT的柵介質(zhì)。

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授課題組前期開發(fā)了新型高遷移率二維半導(dǎo)體Bi2O2Se(Nature Nanotechnology 2017, 12, 530),并對(duì)其氧化轉(zhuǎn)化及自然氧化物介電層進(jìn)行了深入研究。首次發(fā)現(xiàn)通過熱氧化(Nature Electronics 2020, 3, 473)或等離子體氧化(Nano Letters 2020, 20, 7469),二維Bi2O2Se表面可形成具有高介電常數(shù)(21~22)和較好絕緣性能的自然氧化物柵介質(zhì)Bi2SeO5(多晶或無定型相),并基于二維Bi2O2Se/Bi2SeO5構(gòu)筑了高性能的場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件和邏輯門電路(Acc. Mater. Res. 2021, 2, 842-853),其柵介質(zhì)的EOT可微縮至0.9納米水平。

最近,彭海琳教授課題組從二維半導(dǎo)體Bi2O2Se的拉鏈形層狀結(jié)構(gòu)受到啟發(fā),借鑒二維材料插層化學(xué),建立了Bi2O2Se的紫外光輔助插層氧化方法(圖1a),保持其Bi-O層狀骨架結(jié)構(gòu)不變,將二維半導(dǎo)體Bi2O2Se原位轉(zhuǎn)化為單晶氧化物柵介質(zhì)β-Bi2SeO5。這是繼先前熱氧化工作制得的多晶α-Bi2SeO5介電層之后,Bi2O2Se自然氧化物的另一種物相。這種紫外光輔助插層氧化方法可與紫外光刻技術(shù)相兼容,借助特制的光刻掩模版,可實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)樣品的區(qū)域選擇性氧化(圖1b)。二維Bi2O2Se可被逐層可控插層氧化,并形成原子級(jí)平整、晶格匹配的高質(zhì)量半導(dǎo)體/介電層界面(圖1c)。

單晶β-Bi2SeO5可用作二維Bi2O2Se基晶體管的理想柵介質(zhì)。掃描微波阻抗顯微鏡表征和電容-電壓測(cè)量表明,單晶β-Bi2SeO5具有高達(dá)22且不受厚度影響的面外介電常數(shù)。除具有高質(zhì)量界面和高介電常數(shù)以外,β-Bi2SeO5柵介質(zhì)還因其層狀單晶結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)良的絕緣性。原位插層氧化構(gòu)筑的二維Bi2O2Se/Bi2SeO5頂柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管表現(xiàn)出優(yōu)良的電學(xué)性能:室溫遷移率可高達(dá)427cm2/Vs,回滯可低至20~60 mV,亞閾值擺幅(SS)可低于65 mV/dec,接近理論值60 mV/dec。更重要的是,柵介質(zhì)β-Bi2SeO5即使薄至3層(2.3納米),EOT低至0.41納米,在1 V柵壓下的漏電流依然低于0.015A/cm2,滿足業(yè)界低功耗器件對(duì)柵介質(zhì)的要求。

單晶柵介質(zhì)β-Bi2SeO5在漏電流滿足業(yè)界低功耗器件要求的同時(shí),等效氧化層厚度可以微縮到滿足業(yè)界要求的亞0.5納米水平,相對(duì)于商用HfO2、hBN、CaF2、熱氧化多晶α-Bi2SeO5等各種柵介質(zhì),在等效厚度與絕緣性方面均具有優(yōu)勢(shì)(圖1d)。該項(xiàng)研究成果彌補(bǔ)了二維半導(dǎo)體在超薄柵介質(zhì)集成方面的短板,對(duì)二維電子器件的發(fā)展具有重要意義。

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圖1.單晶自然氧化物柵介質(zhì)β-Bi2SeO5的制備與性質(zhì)。(a)二維Bi2O2Se紫外光輔助插層氧化轉(zhuǎn)化為單晶柵介質(zhì)β-Bi2SeO5示意圖;(b)晶圓級(jí)區(qū)域選擇性制備二維Bi2O2Se/Bi2SeO5異質(zhì)結(jié);(c)二維Bi2O2Se/Bi2SeO5異質(zhì)結(jié)界面結(jié)構(gòu);(d)β-Bi2SeO5的等效厚度(EOT:等效氧化層厚度;ECT:等效電容厚度)及絕緣性與其他柵介質(zhì)的對(duì)比。


該研究成果于2022年9月15日在線發(fā)表在《自然-電子學(xué)》(Nature Electronics 2022, https://doi.org/10.1038/s41928-022-00824-9)。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授為該論文的通訊作者,第一作者為北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士研究生張亦弛。其他主要合作者還包括德州大學(xué)奧斯汀分校物理系賴柯吉教授、北京大學(xué)物理學(xué)院高鵬教授等。Nature Electronics期刊每期會(huì)挑選論文邀請(qǐng)作者撰寫研究簡(jiǎn)介(Research Briefing),與研究論文同期在線刊出,方便讀者更好地理解重要成果。彭海琳教授和張亦弛同學(xué)代表論文作者發(fā)表了題為“Producing ultrathin monocrystalline native oxide dielectrics for 2D transistors(為二維晶體管制備超薄單晶自然氧化物介電層)”的研究簡(jiǎn)介,簡(jiǎn)要介紹了此項(xiàng)研究的背景、過程、發(fā)現(xiàn)和意義。

該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、北京分子科學(xué)國家研究中心、騰訊基金會(huì)等機(jī)構(gòu)的資助,并得到了北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院分子材料與納米加工實(shí)驗(yàn)室(MMNL)儀器平臺(tái)的支持。
論文原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41928-022-00824-9

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:北京大學(xué)《Nature Electronics》:突破瓶頸,0.5 nm以下!

文章出處:【微信號(hào):深圳市賽姆烯金科技有限公司,微信公眾號(hào):深圳市賽姆烯金科技有限公司】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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