Op de IEEE International Electron Devices Meeting van dit jaar (7-11 december 2019), imec rapporteert diepgaande studie van geschaalde transistors met MoS ₂ en demonstreert de beste apparaatprestaties tot nu toe voor dergelijke materialen.

MoS ₂ is een 2D-materiaal, wat betekent dat het in stabiele vorm kan worden gekweekt met bijna atomaire dikte en atomaire precisie. Imec synthetiseerde het materiaal tot monolaag (0,6 nm dikte) en fabriceerde apparaten met geschaald contact en kanaallengte, zo klein als respectievelijk 13nm en 30nm. Deze zeer geschaalde afmetingen, gecombineerd met geschaalde poortoxidedikte en hoog K-diëlektricum, hebben de demonstratie van enkele van de beste apparaatprestaties tot nu toe mogelijk gemaakt. Het belangrijkste is, deze transistors maken een uitgebreide studie van fundamentele apparaateigenschappen en kalibratie van TCAD-modellen mogelijk. Het gekalibreerde TCAD-model wordt gebruikt om een ​​realistisch pad voor prestatieverbetering voor te stellen. De hier gepresenteerde resultaten bevestigen het potentieel van 2D-materialen voor extreme transistorschaling, wat zowel hoogwaardige logische als geheugentoepassingen ten goede komt.

Theoretische studies bevelen 2D-materialen aan als het perfecte kanaalmateriaal voor extreme transistorschaling, aangezien er slechts weinig korte kanaaleffecten worden verwacht in vergelijking met de huidige Si-gebaseerde apparaten. Hints van dit potentieel zijn al gepubliceerd met unieke transistors die zijn gebouwd op natuurlijke vlokken van 2D-materialen.

Voor de eerste keer, imec heeft deze theoretische bevindingen getest aan de hand van een uitgebreide set van op 2D-materialen gebaseerde transistordata. De apparaten met de kleinste footprint hebben een kanaallengte van 30nm en <50nm contactafstand. Er is een AAN-stroom van wel 250 µA/µm aangetoond met een SiO2-poortdiëlektricum van 50 nm. Een stroom van ~ 100 µA/µm en een uitstekende SSmin van 80mV/dec (voor VD =50mV) zijn aangetoond met 4nm HfO2 in een backgated configuratie. De prestaties van het apparaat worden niet beïnvloed door schaling van de contactlengte, bevestigen dat dragers vanaf de rand van het contactmetaal rechtstreeks in het kanaal worden geïnjecteerd, in lijn met TCAD-simulaties. Het werk bevestigt dat TCAD-modellen grote delen van de apparaatfysica vastleggen en experimentele validatie begeleiden en de toepassingsruimte in kaart brengen. Een deel van de paper die wordt gepresenteerd op IEDM, is toegewijd aan het bepalen van het pad voor apparaatoptimalisatie voor het bereiken van Si-achtige prestatiedoelen.

"Hoewel nog steeds een orde van grootte verwijderd van Si-transistoren, we hebben onze MOSFET-apparaten in een wereld gebracht waar ze veelbelovende prestaties laten zien voor toekomstige logica- en geheugentoepassingen, " zegt Iuliana Radu, directeur van Exploratory and Quantum Computing imec. "Om deze orde van grootte te overbruggen, we hebben een pad van systematische verbeteringen geïdentificeerd, zoals een verdere vermindering van de dikte van de poortoxide, de implementatie van een architectuur met dubbele poorten, en verdere vermindering van kanaal- en interfacedefecten. We brengen dit inzicht over naar ons 300 mm-waferplatform voor transistors met 2D-materialen, die werd aangekondigd op de IEDM van vorig jaar."

"Als een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum, het is de rol van imec om device-scaling tot het uiterste te drijven. We pakken deze uitdaging aan door verschillende schaalopties te onderzoeken, optimale projecties bieden, en het begeleiden van de industrie om de voorgestelde oplossingen over te nemen, verklaarde Luc Van den hove, imec-CEO. "Onze partners verwachten dat we het voortouw nemen en hen ondersteunen bij het realiseren van hun roadmaps door het potentieel van innovatieve concepten en nieuwe materialen te demonstreren. Daarom ben ik zo enthousiast dat we uitstekende prestaties hebben aangetoond in ultra-geschaalde apparaten met 2D-materialen , en een geloofwaardige weg naar verdere verbeteringen gericht op massaproductie in industriële 300 mm-fabrieken."