內(nèi)容簡介

過去隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，晶體管的尺寸不斷減小，集成度每隔18~24個月便會成倍增長。然而，隨著晶體管橫向尺寸逐漸進(jìn)入納米尺度，漏電流增大、roll-off、亞閾值斜率退化等短溝道效應(yīng)越來越嚴(yán)重。基于新型二維半導(dǎo)體材料的小尺寸晶體管，作為電子器件領(lǐng)域的新興方向，近年來在尺寸微縮方面取得了突破，有望進(jìn)一步延續(xù)摩爾定律進(jìn)程。研究表明，相比硅半導(dǎo)體，二維過渡金屬硫化物二硫化鉬由于寬帶隙、低介電常數(shù)以及極薄的厚度等特性，被認(rèn)為有更好的特征長度和微縮優(yōu)勢。采用二硫化鉬為溝道材料的小尺寸晶體管近年來被廣泛研究和報道。然而，目前對基于二維材料的小尺寸器件的性能評估局限于平面型結(jié)構(gòu)。在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)下，進(jìn)一步用模型預(yù)測的方式評估二維材料的優(yōu)勢仍需要探索。

近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院的任天令教授團(tuán)隊就上述問題開展了研究，相關(guān)論文以“Simulation of MoS2 stacked nanosheet field effect transistor”為題，作為封面文章在Journal of Semiconductors (《半導(dǎo)體學(xué)報》) 第8期發(fā)表，第一作者是清華大學(xué)博士研究生沈陽。

圖1. 堆疊型二維晶體管結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)提取。

該研究結(jié)合第一性原理和TCAD仿真跨尺度仿真模型，研究了在應(yīng)用于主流工藝3nm節(jié)點(diǎn)的堆疊型晶體管工藝下，二維材料在I-V、C-V特性等方面的優(yōu)勢。他們發(fā)現(xiàn)，柵長從16nm縮短至8nm，硅基堆疊型晶體管SS、DIBL、roll-off等急劇增加，出現(xiàn)嚴(yán)重的短溝效應(yīng)。而二硫化鉬在8nm柵長仍然可以維持陡峭的開關(guān)和較低的閾值偏移。同時，二硫化鉬的原子層厚度也帶來了約20%的柵極電容下降。因此，可以得出結(jié)論，以二硫化鉬為代表的二維半導(dǎo)體材料在高集成電路中擁有一定的性能優(yōu)勢，MoS2堆疊型晶體管是延續(xù)摩爾定律的技術(shù)路徑之一。

圖2. 堆疊型二維晶體管特性預(yù)測和對比。

審核編輯 ：李倩