近期，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心在新型二維材料器件面向未來(lái)集成電路集成應(yīng)用研發(fā)中取得重要進(jìn)展，結(jié)合硅基FinFET工藝成功研制出10nm超短物理柵長(zhǎng)二硫化鉬晶體管，實(shí)現(xiàn)電流開關(guān)比達(dá)到10⁷。

　　二維半導(dǎo)體材料具有原子級(jí)的厚度，被用作晶體管的溝道材料時(shí)，可提高柵電極控制溝道中載流子傳輸?shù)哪芰Γ瑥亩种凭w管的短溝道效應(yīng)。國(guó)際半導(dǎo)體路線圖預(yù)測(cè)在1納米以下節(jié)點(diǎn)，二維材料是延續(xù)摩爾定律的重要候選者之一。但由于微納加工技術(shù)的限制，很難大規(guī)模制備超短?hào)砰L(zhǎng)的二維材料晶體管，這使二維材料在集成電路產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。先導(dǎo)中心殷華湘研究員的團(tuán)隊(duì)在主流硅基FinFET集成工藝的基礎(chǔ)上，巧妙利用了納米級(jí)寬度的三維立體鰭型硅作為晶體管背柵電極，并集成單原子層厚度的二硫化鉬薄膜作為溝道材料，成功研制出高電流開關(guān)比的10nm柵長(zhǎng)二硫化鉬晶體管（最大I_on/I_off = 1×10⁷）。與此同時(shí)，采用傳統(tǒng)的硅基集成技術(shù)“自對(duì)準(zhǔn)側(cè)墻轉(zhuǎn)移法”制備的鰭型硅背柵電極，其優(yōu)點(diǎn)為可圖形化、大規(guī)模、陣列式制備，搭配CVD方法生長(zhǎng)的厘米尺寸單層二硫化鉬溝道材料，可同時(shí)制備出幾百個(gè)10 nm柵長(zhǎng)晶體管，測(cè)試發(fā)現(xiàn)有85%的器件電流開關(guān)比高于10⁶，這也是首次對(duì)10 nm柵長(zhǎng)二硫化鉬晶體管進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性電學(xué)測(cè)試，標(biāo)志著微電子所在新型二維材料器件面向集成電路規(guī)模集成的研發(fā)方面取得了重要進(jìn)展。

　　該研究結(jié)果已發(fā)表在《IEEE Journal of theElectron Devices Society》上（DOI:10.1109/JEDS.2019.2910271），并已申請(qǐng)專利保護(hù)（專利號(hào)：201810134787.9）。該項(xiàng)新技術(shù)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米專項(xiàng)的項(xiàng)目資助。

　　圖 1 （a）10nm柵長(zhǎng)二硫化鉬晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和TEM表征；（b）器件的轉(zhuǎn)移特性曲線；（c）器件的電流開關(guān)比分布統(tǒng)計(jì)圖。