內(nèi)容簡(jiǎn)介

過(guò)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(gè)月便會(huì)成倍增長(zhǎng)。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(lái)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(lái)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(guò)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(zhǎng)度和微縮優(yōu)勢(shì)。采用二硫化鉬為溝道材料的小尺寸晶體管近年來(lái)被廣泛研究和報(bào)道。然而，目前對(duì)基于二維材料的小尺寸器件的性能評(píng)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(cè)的方式評(píng)估二維材料的優(yōu)勢(shì)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(duì)就上述問(wèn)題開(kāi)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(bào)》) 第8期發(fā)表，第一作者是清華大學(xué)博士研究生沈陽(yáng)。

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(shì)。他們發(fā)現(xiàn)，柵長(zhǎng)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(zhǎng)仍然可以維持陡峭的開(kāi)關(guān)和較低的閾值偏移。同時(shí)，二硫化鉬的原子層厚度也帶來(lái)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(shì)，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(cè)和對(duì)比。

審核編輯 ：李倩