更小晶体管的硅替代品？

2023 年 3 月 2 日

汉克·霍根

英特尔的 Kevin O'Brien 在 2023 Advanced Lithography + Patterning 上向观众致辞。

         硅是计算机芯片的首选材料。但英特尔研究工程师 Kevin O'Brien 表示，问题威胁着它在即将到来的工艺节点中的主导地位。在2023 年高级光刻 + 图案化会议的周二晚间演讲中，他指出继续缩小晶体管单元尺寸是合乎逻辑的下一步。

        “自然的进展就是将它们堆叠在一起，”他在演讲开始时谈到电池中的晶体管时说。“这给了你你的细胞高度缩放。”

         但是，当栅极长度达到几纳米时，硅就会出现问题，这种新排列就是这种情况。作为回应，英特尔正在研究二维过渡金属二硫化物，它由一层过渡金属（如钼或钨）夹在硫或硒等硫属元素原子的上下两层之间。

         这些被称为 2DTMD 的材料在纳米厚度下具有良好的电子迁移率，可以制成可以打开和关闭的晶体管，使它们成为未来半导体的潜在候选者。它们本质上是二维的，因为它们存在于堆叠在另一层之上的单层薄片中。电子不能向上或向下穿过薄片边界，这消除了散射问题。O'Brien 指出，从材料的角度来看，2DTMD 在纸面上看起来很棒。

         但他补充说，还有一些重大风险领域需要进一步研究和开发。

         一个是如何制作这些东西。硅可以长成锭，由于研究投资可以制成高纯度。相比之下，它的潜在替代品有两种可能的生长过程：在整个晶圆上或选择性地从晶种中生长。前者存在晶界和层控制问题，因为器件材料需要均匀。英特尔集团已经证明了提高材料选择性的可行性，但还需要做更多的工作。

         另一个问题是触点电阻较高，即材料与外界电连接的点。如果这个电阻太高，那么更快的晶体管的所有好处都将失去。几年前，2DTMD 的接触电阻至少比硅高 10 倍。今天，O'Brien 报道说，研究人员已经缩小了差距，最近的一些结果表明性能几乎与硅相当。

         “我们正在转向硅，”他在展示最新研究的图表时说。

         他指出，这些结果并不像下一代先进半导体所需的那样小的设备。他警告说，当使用尺寸合适的设备时，材料特性可能会发生变化。例如，与更大尺寸的材料相比，石墨烯是一种二维形式的碳，是一种在纳米栅极宽度下具有不同特性的材料。

         第三个风险区域是蚀刻去除材料。2DTMD 材料易碎，因此需要一个牺牲层，可以将其放在上面以在蚀刻过程中保护它们。目前，不存在牺牲层。

         其他需要进一步研究和开发的领域涉及兴奋剂和可靠性。今天的晶体管由掺杂为 n 型或 p 型的硅组成，该工艺产生互补的电气特性。如何对2DTMD材料做同样的事情是目前有待解决的问题。在运行压力和冷热等环境因素下，新材料和由其制成的设备的长期可靠性是另一个未知数。

         到这次谈话结束时，O'Brien 已经列出了相当多的潜在陷阱。他还注意到了进展，特别是在接触阻力方面，听众在演讲后的问答环节中指出了这一点。与接触电阻相关的情绪可能最能概括整个谈话的总体印象。

         在讨论接触电阻时，O'Brien 说：“我很乐观，我们可以让这个东西发挥作用。”