IBM曹慶-Science：造出世界上最小的碳納米管晶體管

【引言】

半導體國際技術路線圖在芯片制造商，材料供應商和設備制造商之間共享，引導了邏輯晶體管的小型化，其中較小的數字表示較小和更快的器件的較新技術。目前在14nm節點處生產硅場效應晶體管具有約90至100nm的總體橫向占用面積，但是已經接近其縮放極限。基于半導體碳納米管（s-CNTs）的晶體管被認為是最有希望的候選者之一。s-CNTs的固有薄度可實現卓越的靜電控制，以將關閉狀態下的無源功耗最小化，并且其電子和空穴的高飽和速度允許器件在較低驅動下以給定頻率切換電壓（VDD）降低了動態功耗。20多年來，學術界和行業密切的研究工作推動了基于碳納米管的納米電子學的顯著發展，從而產生了重要的演示，包括具有理想的柵極全面幾何的器件，使用標準半導體工藝的互補邏輯，大量生產超過10,000個單獨的s-CNT晶體管和功能納米管電路直到原始微處理器。這些過去的演示代表了重要的技術里程碑，但總是在比當前的Si FET大得多的器件上進行，而不會將整個納米管晶體管放大到目標的40 nm的占位面積。為了評估實驗中s-CNT晶體管的可擴展性，在將一個關鍵器件元件Lg降低到10甚至5nm（8,9）方面取得了很大進展。

【成果簡介】

近日，IBM研究中心的曹慶（Qing Cao）等人在Science發表“Carbon nanotube transistors scaled to a 40-nanometer footprint ”文章，使用了一種新策略來制造碳納米管晶體管的觸點，在減小尺寸同時保持了較低的接觸電阻。為了保證在觸點間傳輸足夠的電流，他們在觸點之間設置了由數根平行半導體碳納米管（s-CNT）組成的陣列。最終制得的p-溝道晶體管，尺寸僅有40 nm，是目前報道的最小記錄。不僅如此，更值得稱道的是，電學測試表明這種新型s-CNT晶體管比現在的硅基晶體管更快更高效。此外，展示了使用高純度s-CNT源，自組裝將納米管壓制成全表面覆蓋對齊陣列的技術相關高性能納米管陣列器件的制造，具有相同的占位面積，電阻端接觸點。s-CNT陣列晶體管表現出高于1.2 mAμm^-1的高飽和導通狀態電流和高于2 mSμm^-1的電導，超過了同等門極驅動下基準測試時最佳競爭硅器件的電流，源極漏極偏置（VDS）。

【圖文導讀】

圖1 極大尺寸的單個s-CNT晶體管的插圖和電子顯微鏡圖像

（A）限定40nm器件占位面的氧化物溝槽的示意性分解圖，到s-CNT溝道的端接源極-漏極接觸，5nm Al₂O₃柵極電介質和間隔物以及頂柵器件結構；

（B）（A）中通過柵極的器件的橫截面TEM圖像；

（C）單個s-CNT上制造的兩組晶體管的SEM圖像。

圖2 單個s-CNT晶體管的電性能縮小到40 nm器件占位面積

（A）具有相同的10nm的Lc和5nm的Wsp的兩個s-CNT晶體管的轉移特性；

（B）低和高VDS偏壓的情況下，40nm貼片的單個s-CNT晶體管的亞閾值曲線；

（C）（B）所示的裝置的VG的輸出特性從-0.5V到-0.1V，從上到下為0.1V；

（D）3 nm技術節點進行標定的40 nm貼片s-CNT晶體管的基準測量；

圖3 基于s-CNT陣列的高性能晶體管的示意圖，電子顯微照片和電學性質

（A）s-CNT-陣列晶體管的尺寸為40nm的器件覆蓋區；

（B）低放大倍數下的SEM顯微照片顯示場氧化物窗口；

（C）高放大倍數，以突出顯示有源器件區域；

（D）-0.05V和-0.5V的施加VDS以線性和對數刻度繪制的縮放s-CNT陣列器件的傳輸特性；

（E）與（D）相同的器件的輸出特性，以0.5V至1V的步長從-3V下降的VGS測量；

（F）用Si測量縮放的s-CNT陣列晶體管具有4nm鰭寬度的FinFET和具有5nm納米線直徑的Si納米線FET。

【小結】

固定電荷是由于在處理期間產生的等離子體和x射線對氧化物的損傷引起的。預計通過進一步的工程優化，包括更好的鈍化方案和替代柵極堆疊方案可以顯著降低其密度，從而在器件制造的最后一步中形成原始柵極電介質。以前模擬表明，如果固定的電荷密度降低到與典型的高κ氧化物/Si界面相當的水平，則單個s-CNTS的VT均勻性將被提高到適合于非常大規模集成的水平。盡管仍然存在許多其他工程挑戰，例如通過先前開發的物理化學摻雜或其他方法實現了相當規模和執行的n溝道納米管晶體管，并形成了具有30nm接觸柵極間距和共享源極/漏極觸點，已經證明s-CNT晶體管實際上可以制造具有尺寸和性能，使得它們成為常規Si FET的后繼者的引人注目的候選者。

文獻鏈接： Carbon nanotube transistors scaled to a 40-nanometer footprint（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aan2476）

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