科研前線 | 北大新材料研究助力突破二維高遷移率半導體器件與超薄介電層集成瓶頸

2021-01-14 晶片揭秘

本期為大家帶來的是北京大學化學與分子工程學院關於高遷移率二維半導體表面氧化成高κ柵介質並應用於高性能場效應電晶體器件的研究成果，該課題組通過對Bi2O2Se材料進行熱氧化處理，得到高K柵介質材料 Bi2SeO5薄膜，突破了二維高遷移率半導體器件與超薄介電層集成這一瓶頸，有望在工藝應用中為集成電路二維結構的改良與優化注入新的生命力。

作為產業發展歷程中最重要的原材料，半導體矽的性質非常優異且均衡，一直是半導體和集成電路產業界的絕對主流材料，其中一個關鍵原因是矽的自身氧化物二氧化矽同時兼具高度緻密、均勻、絕緣的特性，且二者界面質量高。熱氧化產生的二氧化矽層可用作器件的柵介質、晶圓表面鈍化層、擴散摻雜阻擋層等等，作為矽的完美伴侶在各種電子器件和數字集成電路的加工和應用中發揮了極其重要的作用。除矽之外的其它半導體材料大都不具備可比肩二氧化矽的高質量自身氧化物。然而，二氧化矽過低的介電常數（ε=3.9）限制了其在先進位程工藝的應用，隨著主流製程節點向5nm以下邁進，矽/二氧化矽這一半導體/氧化物體系已經接近物理極限。為進一步延續摩爾定律，開發高遷移率新型超薄半導體溝道材料和高介電常數(ε>10)超薄高質量氧化物介電層，成為科學界和產業界的近20年來主流研究方向之一。

北京大學化學與分子工程學院物理化學研究所彭海琳課題組在高κ本徵氧化物柵介質的二維電子學研究中取得重要突破，研究成果以《高κ本徵氧化物柵介質的二維電子學》（「A native oxide high-κ gate dielectric for two-dimensional electronics」）為題發表於《自然-電子學》，北京大學化學與分子工程學院博士研究生李天然、塗騰是該工作的第一作者，彭海琳教授是該工作的通訊作者，該項研究的主要合作者還包括北京大學物理學院的高鵬研究員、北京大學信息科學技術學院的黃如教授和黎明研究員、以色列魏茨曼科學研究院的顏丙海教授及美國德州大學奧斯汀分校的賴柯吉教授。

該研究工作是關於高遷移率二維半導體表面氧化成高κ柵介質並應用於高性能場效應電晶體器件的首次公開報導，該工作突破了二維高遷移率半導體器件與超薄介電層集成這一瓶頸，有望推動二維集成電路的發展。下面讓我們來看看課題組具體說了做了哪些研究工作。

課題組報導了通過高遷移率2D半導體Bi2O2Se的逐層氧化，原位形成超薄 Bi2SeO5高κ柵介質。使用這種天然氧化物電介質，可以構建高性能的Bi2O2Se場效應電晶體，以及具有大電壓增益（高達150）的反相器電路。 Bi2SeO5的高介電常數（~21）允許其等效氧化物厚度減小到0.9 nm，同時保持低於熱SiO2的柵極洩漏。還可以通過溼化學方法選擇性地蝕刻掉Bi2SeO5，從而使下面的Bi2O2Se半導體的遷移率幾乎保持不變。 Bi2SeO5

在課題組的成果報告中，他們首先發現了空氣穩定的高遷移率二維半導體硒氧化鉍（Bi2O2Se）經熱氧化後表面會形成本徵氧化物亞硒酸氧鉍(Bi2SeO5)，具備高介電常數（κ = 21）和良好的絕緣性能，Bi2O2Se/Bi2SeO5二者構築的異質結能帶匹配、缺陷濃度低且界面質量高，在場效應器件和邏輯門電路中表現出優異的性能。

Bi2O2Se/Bi2SeO5異質結構築與邏輯器件原理圖

課題組基於對前期自主研發的高遷移率二維Bi2O2Se材料物理化學性質的系統研究，並結合相圖分析，預測在Bi2O2Se晶體結構中插入更多氧原子後能轉化為一種優良的寬禁帶材料Bi2SeO5。第一性理論計算表明，該氧化物不僅帶隙大大增加（從0.8 eV增加到3.9 eV），且與Bi2O2Se形成典型的第一類異質結，兩者導帶和價帶能量差均大於1 eV，非常適合於場效應器件應用。

經過不斷探究和實驗，課題組已發展出二維Bi2O2Se的可控熱氧化、選擇性刻蝕和器件加工全套工藝。氧化的精度可以達到單個晶胞級別，且所得的半導體/氧化物界面為原子級平整。電容-電壓測量結合獨特的掃描探針微波成像技術表徵表明，該氧化物的介電常數κ高達21，優於商用的高κ介質二氧化鉿。

在前述工作基礎上，課題組結合氫氟酸選擇性刻蝕技術與微納加工技術，製備了高性能場效應電晶體，其遷移率超過300 cm2V-1s-1, 開關比接近106，轉移曲線回滯顯著小於類似結構的二氧化鉿頂柵電晶體，具有理想的亞閾值擺幅(SS < 75 mV/dec)。器件使用的最小等效氧化層厚度（EOT）可達0.9 nm，且柵漏電流遠低於同等效厚度的二氧化矽材料。進一步在此基礎上搭建的反相器（非門）CMOS邏輯電路，最大電壓增益超過了150，遠高於已報導的其他二維材料電子器件。

Bi2O2Se/Bi2SeO5異質結製備流程及器件性能測試

回望集成電路工藝的發展過程，柵介質層厚度的不斷減少成為了縮小電晶體特徵尺寸的重要路徑之一，但隨著器件尺寸的不斷減少，傳統的二氧化矽膜愈來愈無法滿足工藝需求，本項研究工作中的二維Bi2O2Se/Bi2SeO5是首例報導的半導體/本徵氧化物高κ柵介質體系，Bi2SeO5的高介電常數、魯棒性以及等效氧化物厚度能夠降低到0.9nm等性質，能夠為其在微電子器件中的應用提供很大潛力，結合高遷移率二維半導體材料的超薄平面結構可抑制短溝道效應，有望解決摩爾定律進一步向前發展的瓶頸問題，給微納電子器件帶來新的技術變革，具有重要的基礎科學意義和應用價值，期待這項成果能夠在突破摩爾定律的技術探索之路上發揮重要的作用。

https://www.nature.com/articles/s41928-020-0444-6


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