上海微系統所成功開發面向二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質晶圓

中國科學院上海微系統與信息技術研究所（以下簡稱上海微系統所）狄增峰研究員團隊在面向低功耗二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質晶圓研制方面取得突破性進展。2024年8月7日，相關成果以《面向頂柵結構二維晶體管的單晶金屬氧化物柵介質材料》（Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors）為題，發表于國際學術期刊《自然》。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07786-2#citeas

硅基集成電路是現代技術進步的基石，但在尺寸縮小方面面臨著嚴峻的挑戰。當硅基晶體管溝道厚度接近納米尺度時，特別是小于幾納米，晶體管的性能就會顯著下降，進一步持續發展面臨物理極限的瓶頸。二維半導體材料具有高載流子遷移率和抑制短溝道效應等優勢，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體材料應用于高頻和低功耗芯片制造。臺積電正在研究如何將二維半導體材料集成到現有半導體制程中，以提高晶體管的性能和降低功耗。歐盟通過"歐洲芯片法案"，推動二維半導體材料的研究和開發，聯合IMEC建成歐洲第一條二維半導體材料先導中試線，促進歐洲在二維半導體領域的前瞻布局和自主創新。

然而，二維半導體溝道材料缺少與之匹配的高質量柵介質材料，導致二維晶體管實際性能與理論存在較大差異。傳統硅基非晶柵介質材料表面懸掛鍵較多，與二維半導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。單晶柵介質材料能夠與二維半導體溝道材料形成完美界面，但是單晶柵介質材料生長通常需要較高工藝溫度和后退火處理，易對二維半導體材料造成損傷或無意摻雜，形成非理想柵介質/二維半導體界面，界面態密度通常高達10¹¹?cm^-2?eV^-1左右，無法滿足未來先進低功耗芯片發展要求。

中國科學院上海微系統所集成電路材料全國重點實驗室狄增峰研究員團隊開發了單晶金屬插層氧化技術（圖1a），室溫下實現單晶氧化鋁（c-Al_2O3）柵介質材料晶圓制備，并應用于先進二維低功耗芯片的開發。以鍺基石墨烯晶圓作為預沉積襯底生長單晶金屬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，實現4英寸單晶金屬Al（111）晶圓無損剝離（圖1b），剝離后單晶金屬Al（111）表面呈現無缺陷的原子級平整。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，并且維持其晶格結構（圖1a）。從而，在單晶金屬Al（111）表面形成穩定、化學計量比準確、原子級厚度均勻的c-Al₂O₃（0001）薄膜晶圓（圖1c，d）。進一步，利用自對準工藝，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）。晶體管的擊穿場強（17.4 MV/cm）、柵漏電流（10^-6?A/cm²）、界面態密度（8.4×10⁹?cm^-2?eV^-1）等指標均滿足國際器件與系統路線圖（IRDS，International Roadmap for Devices and Systems）對未來低功耗芯片要求（圖3）。

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

本文通訊作者田子傲研究員介紹到"與非晶材料相比，單晶氧化鋁柵介質材料在結構和電子性能上具有明顯優勢，是基于二維半導體材料晶體管的理想介質材料。其態密度降低了兩個數量級，相較于傳統界面有了顯著改善。"

本文通訊作者狄增峰研究員介紹道:"硅基集成電路芯片長期使用非晶二氧化硅作為柵介質材料，從2005年，非晶高介電常數柵介質材料開始使用，進一步提升柵控能力。因此，柵介質材料一般認為是非晶材料，此次開拓性研制出單晶氧化物作為二維晶體管的柵介質材料并成功實現二維低功耗芯片，有望啟發集成電路產業界發展新一代柵介質材料"。

圖1.藍寶石單晶（c-Al₂O₃）柵介質薄膜。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。標尺：1nm；d，c-Al₂O₃晶圓厚度分布圖。

圖2. 基于c-Al₂O₃?柵介質的二維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晶體管器件轉移特性曲線。

圖3. 基于c-Al₂O₃?柵介質的二維MoS₂晶體管性能。a，擊穿場強；b，泄漏電流；c，界面態密度。

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來源：中國科學院上海微系統與信息技術研究所

原文鏈接：https://sim.cas.cn/xwzx2016/kyjz/202408/t20240808_7259041.html