ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Краткий обзор деятельности ведущих кремниевых заводов

SMIC: передовые технологии, производственная база и государственное финансирование

Возобновление доступа к материалам Solid State Technology

FanFET – новая транзисторная структура для 3D-флэш-памяти NAND-типа

Данные технологического процесса как средство повышения выхода годных

Производственная база микроэлектроники США

Маршрутная карта развития FEOL-, MEOL- и BEOL-процессов

Материалы 66-й международной конференции по электронным приборам

Маршрутная карта развития FEOL-, MEOL- и BEOL-процессов

Методика оценки экологичности производства ИС

Материалы 66-й международной конференции по электронным приборам

Преимущества и недостатки чиплетов

Замечания к использованию 2D-материалов

Будущее ДОЗУ

Литография: восходящее формирование рисунка

Пять тенденций, меняющих микроэлектронику

Перспективы рынка и технологий корпусирования ИС

Нарастание проблем при масштабировании схем памяти

Материалы ISSCC‑2021: чиплеты

Изменения в индустрии кремниевых заводов

Некоторые аспекты развития 3D‑флэш-памяти NAND-типа

Динамическая флэш-память от Unisantis Electronics

IMEC разрабатывает процесс интеграции 2D-материалов на 300-мм пластинах

IMEC разрабатывает процесс интеграции 2D-материалов на 300-мм пластинах

Выпуск 8 (6707) от 24 апреля 2020 г.
РУБРИКА: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Двумерные материалы уже давно вызывают значительный интерес специалистов. Диапазон исследований в этой области давно вышел за рамки полупроводниковых материалов – ​теперь все больше внимания привлекают 2D-изоляторы и проводники. Один из наиболее активных разработчиков в области 2D-материалов – ​Межуниверситетский центр микроэлектроники (IMEC, Левен, Бельгия) – ​в настоящее время работает над созданием производственной платформы по изготовлению перспективных приборов с использованием 2D-материалов на основе пластин диаметром 300 мм.

В последние годы значительное внимание уделяется двумерным кристаллам (2D), таким как графен и дихалькогениды переходных металлов (MX2). Это объясняется их уникальными по сравнению с традиционными 3D-кристаллами свойствами (электронная структура, механическая гибкость и прочность, дефектообразование, электронная и оптическая чувствительность, прозрачность и проводимость). Самый известный 2D-материал – ​графен, кристаллический монослой атомов углерода, формирующий гексагональную ячеистую структуру решетки. Исследования в области 2D-материалов теперь ведутся по широкому кругу материалов помимо графена. Многие MX2-материалы обладают свойствами, дополняющими свойства графена, – ​например, им присущ большой диапазон ширины запрещенной зоны (у графена запрещенная зона отсутствует). Интерес к двумерным материалам выходит за рамки полупроводниковых материалов и включает в себя также исследование изоляторов и металлов.

В настоящее время к реализации новой исследовательской программы в области 2D-материалов приступил IMEC. Его специалисты намерены выявить ограничения 2D-структур по материалам и технологическим процессам для приборов, масштабируемых до минимальных топологий, а также для менее требовательных ИС. В частности, разработчики IMEC сосредоточились на исследовании 2D-полупроводников, полуметаллов и диэлектриков, процессов интеграции и приборных структур. Они намерены создать универсальный технологический процесс интеграции, учитывающий общие требования для всех конечных применений, такие как допустимый тепловой баланс и химическая стабильность 2D-материалов. Технологический процесс интеграции рассчитан на пластины диаметром 300 мм, что позволит использовать преимущества технологий крупносерийного производства. Одна из существенных проблем – ​поддержание качества монокристаллических чешуек 2D-материалов во время процесса интеграции на 300-мм пластинах.

Возможности для применения 2D-мате-риалов появились во многих областях, включая биосенсорику, сбор и накопление энергии, гелиотехнику, оптоэлектронику и масштабирование транзисторов. Например, идеальным материалом для применения в оптоэлектронике является графен. Он демонстрирует свойства как поглощения, так и преломления электромагнитных волн, что делает его пригодным для модуляции, детектирования и переключения световых сигналов. Недавние исследования продемонстрировали потенциал интегрированной фотоники на основе графена для обеспечения возможности ее использования в системах связи и передачи данных следующего поколения.


«Новый кремний»?

Некоторые из 2D-материалов могут даже заменить кремний в канале МОП-транзисторов. При использовании в проводящем канале кремния масштабирование (пропорциональное уменьшение) длины затвора порождает эффекты короткого канала, что ухудшает производительность транзистора, а замена кремния на 2D-материалы позволяет предотвратить этих явления. Также с введением 2D-материалов толщина проводящего канала может быть уменьшена вплоть до атомарного уровня. Кроме того, некоторые 2D-материалы имеют низкую диэлектрическую проницаемость, сопоставимую с аналогичным показателем оксида кремния (SiO2). Это открывает возможность для формирования этажерок с несколькими 2D-материалами, обладающими разными функциональными возможностями (например, проводящий канал, диэлектрик), и позволяет масштабировать длину затвора до нескольких нанометров. Таким образом, 2D-материалы способны обеспечить эволюционный путь к экстремальному масштабированию размеров приборов – ​до технологических поколений с топологиями 3 нм и менее.

Однако первое внедрение 2D-материалов в электронные схемы, вероятно, будет происходить не в предельно масштабируемых приборах, а в схемах с малой потребляемой мощностью, предъявляющих меньшие требования к производительности (т. е. меньший ток включения). В качестве примеров можно привести транзисторы и небольшие схемы, формирующиеся на завершающих этапах обработки пластины (back-end-of-line, BEOL). Они могут несколько уменьшить перегрузку операций трассировки и способствовать сохранению свободного пространства в рамках процессов начальной обработки пластин (front-end-of-line, FEOL). В настоящее время для создания транзисторов, совместимых с BEOL-процессами, могут использоваться полупроводниковые материалы на основе оксидов индия-галлия-цинка (IGZO) и различные 2D-материалы. Специфическим преимуществом 2D-материалов является возможность построения КМОП-приборов – ​например, n-канальных и p-канальных МОП-транзисторов, что позволяет разрабатывать компактные выходные логические схемы, такие как ретрансляторы. Общее требование для подобных транзисторов и схем – ​тепловой баланс, совместимый с BEOL-обработкой. 2D-материалы могут также использоваться для построения внутрикристальных систем управления режимом электропитания, сигнальных буферов и масштабируемых селекторов ячеек схем памяти. Для всех этих схем текущие требования (с точки зрения тока включения) относительно низки, и для них, в отличие от высокомасштабируемых приборов, по всей видимости, будет достаточно одного слоя двумерного материала.


Использование 300-мм пластин для производства приборов на основе 2D-материалов

Изучая возможности формирования предельно масштабируемых приборов, а также менее требовательных схем с использованием 2D-материалов, специалисты IMEC пытаются определить ограничения, связанные как с собственно материалами, так и с процессами их обработки. Сосредоточившись на исследовании материалов (включая 2D-полупроводники, 2D-(полу-)металлы и 2D-диэлектрики), процессов интеграции и приборных структур, разработчики стремсятся создать общий технологический процесс интеграции, учитывающий общие для всех приложений требования, такие как допустимый температурный баланс и химическая стабильность 2D-материалов. Процесс ориентирован на пластины диаметром 300 мм – ​с целью использования преимуществ технологий крупносерийного производства. Одна из важных задач заключается в поддержании качества монокристаллических чешуек 2D-материалов в течение всего процесса интеграции на 300-мм пластинах.


Полевые транзисторы на основе 2D-материалов для высокопроизводительной логики

Двухзатворная архитектура WS2-полевых транзисторов (FET)

Разработка предельно масштабируемых, высокопроизводительных приборов начинается с определения наиболее перспективных 2D-материалов и приборной архитектуры. Поэтому IMEC провел сравнительный анализ различных 2D-материалов и 2D-архитектур FET по отношению к платформе кремниевых FinFET20. На основании этих исследований специалисты IMEC пришли к выводу, что самым высоким потенциалом производительности (т. е. самым высоким током включения) среди совместимых с технологией обработки 300‑мм пластин материалов обладает дисульфид вольфрама (WS2) в конфигурации этажированных нанолистов (рис. 1). Они также пришли к выводу, что архитектура FET с двойным затвором (рис. 2) предпочтительнее архитектуры FET с одинарным затвором, особенно когда приборная структура страдает от неидеальных состояний, связанных с контактами и областью спейсера.

Выращивание на 300-мм пластинах и последующий перенос слоя

В качестве одного из основных этапов технологического процесса изготовления новых приборов впервые было продемонстрировано выращивание слоя WS2 на 300-мм пластинах. Для этого специалисты IMEC использовали модифицированное инструментальное средство химического осаждения из паровой фазы методом разложения металлоорганических соединений (MOCVD). Подход позволяет осуществлять точный контроль толщины монослоя по всей поверхности 300-мм пластины. Однако наряду с преимуществами точного MOCVD-выращивания процесс характеризуется высокой температурой, поэтому для формирования технологического процесса интеграции, совместимого с требованиями BEOL-процессов, решающее значение имеет последующий перенос материала с подложки выращивания на целевую пластину. Специалисты IMEC разработали уникальный процесс переноса, который позволяет успешно переносить на целевую пластину монослой WS2 




Рисунок 1. Среди совместимых с технологией обработки 300-мм пластин материалов наиболее высоким потенциалом для использования в высокопроизводительной логике обладает дисульфид вольфрама

Источник: IMEC


толщиной 7 Å (рис. 3). В процессе переноса используется метод временного скрепления, не оказывающий никакого влияния на электрические свойства двумерного материала. Этот метод был успешно применен на целевых подложках, имеющих определенную топографию. Дальнейшие разработки будут направлены на совершенствование процесса переноса с целью уменьшения таких дефектов, как наличие нежелательных частиц, сколы кромок и т. д.

Сопутствующие проблемы

На уровне прибора были выявлены основные проблемы, связанные с дефектностью подзатворного диэлектрика, металлическими контактами, материалом канала и т. п.

Во-первых, нанесение диэлектрических материалов поверх двумерной поверхности представляет собой настоящую проблему из-за отсутствия висячих связей на двумерных материалах (силы ван-дер-Ваальса не действуют). В настоящее время разработчики 



Рисунок 2. Изображение двухзатворной архитектуры FET на основе WS2, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа

Источник: IMEC



Рисунок 3. Схема выращивания и переноса монослоя WS2 (толщиной 7 Å) на 300-мм пластине

Источник: IMEC


IMEC изучают два пути выращивания диэлектриков:

непосредственное выращивание методом атомарно-слоевого осаждения (ALD) при пониженной температуре выращивания;

расширенное зародышеобразование при помощи ALD с использованием очень тонкого оксидированного слоя (например, оксидированного кремния) в качестве слоя зародышеобразования.

При использовании последнего метода предварительные измерения конфигурации с двойным затвором показывают хорошее емкостное сопротивление масштабируемых слоев диэлектрика как на верхней, так и на нижней поверхности 2D-материала.

Специалисты ІМЕС также рассматривают различные металлы для обеспечения контакта с нанолистом WS2. Обнаружено, что наибольший ток включения был получен при использовании контакта из магния (Mg).

Решающую роль в химическом поведении 2D-материалов играют дефекты. Следовательно, они существенно влияют на производительность прибора, поэтому знания о формировании дефектов крайне важны. Один из наиболее распространенных дефектов материала канала – ​серная вакансия. В настоящее время исследователи IMEC изучают влияние различных методов плазменной обработки на пассивацию этих дефектов. Кроме того, следует учитывать стабильность и реакционную способность материалов. Известно, что 2D-материалы, такие как WS2, быстро стареют и деградируют. По результатам работы специалистов IMEC одним из перспективных подходов к борьбе со старением стало хранение образцов в инертной среде.

Производительность приборов: эталонные тесты и перспективы

Наконец, была проведена оценка верхних пределов производительности прибора и методов их достижения.

В качестве эталонного теста проектировщики IMEC использовали приборы с двумя затворами, сформированные на небольших естественно отслоившихся чешуйках WS2. Для этих лабораторных приборов были измерены значения подвижности заряда, превысившие 100 см2/В×с, что близко к теоретически предсказанному значению подвижности зарядов WS2. Предполагается, что, если это можно сделать с использованием природного материала, того же самого можно будет достичь с использованием синтезированных материалов, подвижность носителей заряда которых в настоящее время достигает нескольких см2/В×с. Сейчас специалисты IMEC работают над улучшением основных этапов технологического процесса, что, как ожидается, приведет к дальнейшему увеличению производительности.

По ряду основных задач, стоящих перед разработчиками, имеется четкое представление о том, как их решать. Например, как выращивать и переносить материал на 300-мм целевую подложку – ​для этого разработан подробный интеграционный технологический маршрут. Изучаются также методы масштабирования диэлектрика затвора и улучшения подвижности собственных носителей заряда в канале.

Но на пути интеграции остаются некоторые проблемы, требующие дальнейшего изу-чения и лучшего фундаментального понимания. Одна из них связана с плохой адгезией 2D-материалов к пластине со сформированными приборами, другая – ​с контролем порогового напряжения. Решение этих задач позволит реализовать многие электронные приложения, в которых предусмотрено использование 2D-материалов – ​предельно масштабируемые высокопроизводительные приборы, а также приборы с более низкими техническими характеристиками.

2D-материалы для предельного масштабирования транзисторов: доказательство потенциала

Как уже сообщалось на Международной конференции по электронным приборам (International Electronic Devices Meeting, IEDM) в декабре 2019 г., IMEC провела углубленное исследование транзисторов на основе MoS2, чтобы продемонстрировать истинный потенциал устройств на основе 2D-материалов для предельного масштабирования транзисторов. 



Рисунок 4. Изображение, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показывает три MoS2-монослоя канала с длиной контакта 13 нм и длиной канала 29 нм. Характеристики переноса улучшены за счет подпорогового размаха напряжения при более тонком слое HfO2

Источник: IMEC


Разработчики синтезировали монослой MoS2 толщиной 0,6 нм и изготовили приборы с масштабируемым контактом и длиной канала, равными 13 нм и 30 нм соответственно (рис. 4). Благодаря столь существенному масштабированию размеров элементов ИС и толщины подзатворного оксида (с высокой диэлектрической проницаемостью) удалось впервые продемонстрировать ряд лучших характеристик прибора. Самое главное, что подобные транзисторы позволяют проводить всестороннее исследование фундаментальных свойств приборов и калибровку моделей TCAD21. Калиброванная модель TCAD используется, чтобы предложить реалистичный путь повышения производительности.

Результаты работ IMEC подтверждают потенциал 2D-материалов для предельного масштабирования транзисторов, что может быть использовано при создании новых поколений высокопроизводительных логических приборов и схем памяти. Идеи, полученные в результате этого исследования, будут реализованы в исследовательской платформе IMEC, ориентированной на формирование транзисторов с 2D-материалами на основе пластин диаметром 300 мм.


Radu Iuliana. A 300mm Platform for 2D-Material Based MOSFET Devices. Semiconductor Digest, March 13, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/03/13/a300mm-platform-for2d-material-based-mosfet-devices/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ