CMOS兼容的应变工程用于单层半导体晶体管

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应变工程 单层半导体 CMOS兼容 晶体管性能 硅基板 氮化硅 纳米级器件

CMOS兼容的应变工程在单层半导体晶体管中的应用

学术背景

随着半导体技术的不断发展，二维（2D）材料因其原子级薄层特性在高密度、低功耗电子器件中展现出巨大潜力。特别是过渡金属二硫化物（TMDs），如二硫化钼（MoS₂），因其优异的电学性能，被认为是未来晶体管通道的理想材料。然而，尽管2D材料在实验室中表现出色，如何将其与现有的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容，仍然是一个巨大的挑战。

应变工程（Strain Engineering）在现代硅基电子器件中已经发挥了重要作用。自20世纪90年代引入以来，应变工程通过改变材料的能带结构，显著提高了晶体管的载流子迁移率。然而，如何在2D材料中实现类似的应变效应，尤其是在CMOS兼容的工艺条件下，仍然是一个未解决的问题。本文的研究正是为了解决这一问题，探索如何在硅基衬底上通过CMOS兼容的方式对单层MoS₂晶体管施加应变，从而提升其性能。

论文来源

本文由Marc Jaikissoon、Çağıl Köroğlu、Jerry A. Yang、Kathryn Neilson、Krishna C. Saraswat和Eric Pop共同撰写，作者均来自斯坦福大学（Stanford University）的电气工程、材料科学与工程、应用物理等系。论文于2024年10月发表在《Nature Electronics》期刊上，题为“CMOS-compatible strain engineering for monolayer semiconductor transistors”。

研究流程与结果

1. 应变工程的基本原理与实验设计

本文的核心思想是通过在单层MoS₂晶体管上施加可控的应变，提升其电学性能。为了实现这一目标，研究人员采用了硅氮化物（SiNₓ）作为应变层，并通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在350°C的低温下沉积。这种低温工艺使得该方法与CMOS工艺兼容，并且可以在硅基衬底上实现。

1.1 单层MoS₂的制备与器件结构

单层MoS₂通过化学气相沉积（CVD）在90 nm厚的SiO₂/p⁺⁺硅衬底上生长。随后，通过电子束蒸发（e-beam evaporation）在MoS₂上沉积50 nm的金（Au）作为接触电极。为了防止SiNₓ沉积过程中对MoS₂的损伤，研究人员在MoS₂上先沉积了1.5 nm的铝（Al），随后通过原子层沉积（ALD）沉积10 nm的氧化铝（Al₂O₃）作为保护层。

1.2 SiNₓ应变层的沉积与应变调控

SiNₓ应变层通过PECVD在350°C下沉积，其应力可以通过调节沉积参数（如NH₃与SiH₄的比例）从压缩应力变为拉伸应力。本文主要研究了高拉伸应力（约600 MPa）的SiNₓ层对MoS₂晶体管性能的影响。

2. 应变对晶体管性能的影响

2.1 背栅（BG）晶体管的性能提升

研究人员首先在背栅（BG）晶体管上进行了实验。通过对比不同尺寸的晶体管（通道长度和接触长度从1 µm到200 nm不等），发现施加高拉伸应力的SiNₓ层后，晶体管的开态电流（Iₒₙ）显著提升。具体而言，200 nm尺寸的晶体管在施加应变后，Iₒₙ中值提升了60%，而1 µm尺寸的晶体管仅提升了14%。这一结果表明，应变效应在纳米尺度器件中更为显著。

2.2 双栅（DG）晶体管的性能提升

为了进一步验证应变工程的普适性，研究人员还设计了双栅（DG）晶体管。实验结果表明，施加高拉伸应力的SiNₓ层后，200 nm尺寸的DG晶体管的Iₒₙ提升了45%，而2 µm尺寸的晶体管仅提升了几个百分点。这一结果与BG晶体管的实验结果一致，进一步证明了应变工程在纳米尺度器件中的有效性。

3. 应变分布的有限元模拟

为了理解应变如何影响晶体管的性能，研究人员进行了有限元模拟，分析了不同尺寸晶体管中的应变分布。模拟结果显示，拉伸应力的SiNₓ层在接触区域施加了复杂的非均匀应变，导致接触区域的肖特基势垒（Schottky Barrier）降低，从而减少了接触电阻。这一机制是晶体管性能提升的主要原因。

结论与意义

本文通过CMOS兼容的应变工程方法，成功提升了单层MoS₂晶体管的性能。实验结果表明，施加高拉伸应力的SiNₓ层后，纳米尺度晶体管的开态电流显著提升，最高可达60%。这一研究为2D材料在未来电子器件中的应用提供了新的思路，尤其是在CMOS工艺兼容的条件下实现高性能晶体管。

研究的亮点

  1. CMOS兼容性：本文提出的应变工程方法完全兼容现有的CMOS工艺，为2D材料的工业化应用铺平了道路。
  2. 纳米尺度效应：研究发现，应变效应在纳米尺度器件中更为显著，这为未来晶体管的进一步微型化提供了理论支持。
  3. 应变调控的普适性：通过调节SiNₓ层的应力，研究人员可以灵活地控制晶体管的性能，这一方法不仅适用于MoS₂，还可以推广到其他2D材料。

未来展望

本文的研究成果为2D材料在半导体器件中的应用提供了新的方向。未来，随着晶体管尺寸的进一步缩小，应变工程有望在更小的尺度上发挥更大的作用。此外，该方法还可以应用于其他2D材料，如二硒化钨（WSe₂），进一步提升其电学性能。

通过本文的研究，我们可以看到，应变工程在2D材料晶体管中的应用具有巨大的潜力。随着技术的进一步发展，这一方法有望在未来电子器件中发挥重要作用，推动半导体技术的进步。