晶体管新材料开发，提高逻辑半导体性能

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摘   要：联合研究小组成功制造了三碲化二锑（Sb2Te3）/二硫化钼（MoS2）的范德瓦尔斯界面，并开发了一种有助于大幅提高n型MoS2晶体管性能的降低接触界面电阻（低接触电阻）技术，有助于实现下一代Beyond 2 nm逻辑半导体。

关键词：TMDC晶体管、逻辑半导体、三碲化二锑（Sb2Te3）/二硫化钼（MoS2）、范德瓦尔斯界面、接触电阻

晶体管新材料开发，提高逻辑半导体性能

——通过二维材料MoS₂和层状Sb₂Te₃实现低接触电阻

要点

·通过溅射法形成原子级可控的Sb₂Te₃层状物质

·通过与MoS₂形成异质层状物质界面（范德瓦尔斯界面）实现了低接触电阻

·具有耐热性并有望量产，有助于实现下一代CMOS器件

具有低接触电阻的MoS₂晶体管

(左)晶体管示意图，(右)放大Sb₂Te₃/MoS₂界面的TEM图像

※引用并修改了原论文《Sb₂Te₃/MoS₂ van der Waals Junctions with High Thermal Stability and Low Contact Resistance》中的图。知识共享许可（署名4.0国际）

概要

日本产综研的联合研究小组成功制造了三碲化二锑（Sb₂Te₃）/二硫化钼（MoS₂）的范德瓦尔斯界面，并开发了一种有助于大幅提高n型MoS₂晶体管性能的降低接触界面电阻（低接触电阻）技术。

MoS₂是一种被称为过渡金属二硫化物（TMDC）的材料，具有二维晶体结构，作为下一代晶体管沟道用的半导体材料而备受关注。然而，普通金属电极和MoS₂接触面的高接触电阻阻碍了晶体管性能的提高。此次，通过在MoS₂上沉积层状物质Sb₂Te₃，研究小组成功地显着降低了接触电阻。此外，由于Sb₂Te₃的高热稳定性，所制造的MoS₂晶体管有望在半导体制造工艺中表现出足够的耐热性。新开发的技术有望从根本上解决二硫化钼晶体管的接触电阻问题，将大大有助于提高有望成为下一代逻辑半导体的二维材料晶体管的性能。

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开发背景

为了不断提高先进CMOS制造技术的能效、性能、面积和成本“PPAC（Power efficiency，Performance，Area，Cost）”，不仅需要缩小尺寸，还需要引入新材料和器件结构。在这项技术努力中，针对目前的硅（Si）材料，研究小组提出了纳米片结构，有望成为下一代2nm技术。此外，在日本经济产业省的半导体和数字产业战略讨论会议上，研究小组也提到了加强此前的“Beyond 2nm”技术的开发。作为Beyond 2nm技术之一，有望在晶体管中引入一种二维TMDC材料，该材料具有化学稳定的层状结构，同时保持适当的带隙，并且在原子层厚度方面表现出比Si更好的半导体性能。然而，要实现二维材料晶体管的实用化，还有许多技术问题需要攻克，世界各国的研究机构和企业都在积极开展研究。

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研究经过

TMDC作为下一代晶体管的沟道材料备受瞩目，因为其即使在1nm或更小的原子层区域也能保持高导电性。产综研通过国立研究开发法人科学技术振兴机构的战略性创造研究推进事业团队型研究（CREST）“用于原子层异质结构器件的实证和三维集成LSI的原子层沉积工艺的开发（2017～2021年度）：与东京都立大学联合实施”项目，实施了高性能TMDC晶体管的研究。

传统的TMDC晶体管开发主要使用钨（W）、钛（Ti）、铬（Cr）、镍（Ni）、钯（Pd）和金（Au）等金属电极。然而，众所周知，由于这些金属电极与TMDC之间的界面表现出高接触电阻，因此会抑制TMDC晶体管的驱动电流，从而无法提高器件性能。这是因为金属电极/TMDC结界面发生费米能级钉扎现象（FLP），使得界面处的势垒难以降低。

最近，半导体制造商和研究机构一直在推动消除FLP的TMDC接触形成技术的开发。据台积电和英特尔的报道称，通过使用铋(Bi)和锑(Sb)等半金属作为接触材料，可以大大降低接触电阻。但由于Bi的熔点低（约270℃），热稳定性差，因此被认为难以适用于需要400℃以上耐热性的半导体制造工艺。因此，为了提高下一代晶体管的性能，需要开发具有高耐热性且降低与TMDC接触电阻的电极材料。

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研究内容

本研究制造了使用典型TMDC之一的MoS₂的晶体管，并着眼于Sb₂Te₃作为其接触材料。Sb₂Te₃有许多原子层，层之间通过被称为范德华力的弱键连接。Sb₂Te₃还表现出类似Bi和Sb的半金属特性（窄带隙：0.2–0.3eV）。而且，众所周知，Sb₂Te₃的熔点（约620℃）高于Bi等。这些特征表明，Sb₂Te₃可能与同样是层状材料的MoS₂形成范德瓦尔斯界面，从而抑制FLP。因此，通过使用Sb₂Te₃，可以在保持高耐热性的同时实现低接触电阻。通过至今对Sb₂Te₃的长期研究，研究小组积累了形成平行于基板和底层材料表面的层状物质的专业知识。因此，研究小组利用适合大规模生产的溅射法在单层MoS₂上沉积 Sb₂Te₃，并通过透射电子显微镜(TEM)证实了在Sb₂Te₃/MoS₂接触界面处形成了范德瓦尔斯界面。图1显示了Sb₂Te₃/MoS₂层压膜结构的TEM截面图和相应的原子排列。结果发现，Sb₂Te₃和MoS₂两者均为具有良好结晶度的层状结构。Sb₂Te₃/MoS₂的TEM照片表明两种材料的原子排列相匹配，证实了这些层压膜具有范德瓦尔斯界面。

图1 Sb₂Te₃/MoS₂界面的横截面电子显微镜（TEM）照片和相应的原子排列（同上）

通常，在集成电路的布线过程中，400℃或更高的耐热性是实际使用的重要要求。因此，研究小组研究了Sb₂Te₃/MoS₂层压膜结构的耐热性。通过拉曼光谱分析证实，MoS₂单层结构在热处理前后均保持不变。此外，横截面TEM照片（图2）显示，即使在450℃热处理后，Sb₂Te₃/MoS₂层压膜结构仍保持良好的结晶度和范德瓦尔斯界面。

图2 450℃热处理后Sb₂Te₃/MoS₂截面的电子显微照片和拉曼光谱（同上）

研究小组研究了Sb₂Te₃/MoS₂范德瓦尔斯界面形成如何影响晶体管特性。

图3显示了MoS₂ 晶体管的电流-电压特性的比较。在演示n型晶体管操作时，研究发现，与使用Sb、Ni或W作为接触材料时相比，具有Sb₂Te₃电极的晶体管的驱动电流提高了4〜30倍。驱动电流增加如此大的主要原因是接触电阻的降低，图4显示了实际获得的MoS₂晶体管接触电阻的结果。研究发现，具有Sb₂Te₃电极的晶体管的接触电阻与使用Sb电极时的接触电阻相比低约一个数量级，与此前报道的最小的Bi电极时的接触电阻值相当。由于Sb和Bi电极不能承受半导体制造后工序中的高温，因此它们不适用于半导体器件。Sb₂Te₃电极则具有400℃以上的耐热性，且实现了可与Bi电极相媲美的低接触电阻，为世界首创。

综上所述，研究小组开发了一种可以在Sb₂Te₃/MoS₂界面实现低接触电阻和半导体制造工艺所需的耐热性的技术。该技术将有助于实现下一代Beyond 2 nm逻辑半导体。

图3 电流-电压特性比较

图4 接触电阻的比较

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未来展望

未来的目标是制造串联连接n型和p型TMDC晶体管的CMOS。为此，不仅需要为n型MoS₂晶体管开发低接触电阻技术，还需要为p型TMDC晶体管开发低接触电阻技术。新开发的Sb₂Te₃接触技术已显示出n型MoS₂的最佳特性，但p型TMDC需要不同的接触材料。为了实现远超现有Si性能的下一代逻辑半导体，研究小组计划加速开发具有低接触电阻的TMDC的CMOS。

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