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北京科技大學(xué)最新 Science：原子層鍵合接觸理論，驗證二維半導(dǎo)體芯片制造可行性！ | 用戶成果速遞
北京科技大學(xué)在《Science》上發(fā)表最新成果《二維半導(dǎo)體的原子層鍵合接觸》(Atomic layer bonding contacts in two-dimensional semiconductors)。該成果提出了原子層鍵合的原創(chuàng)學(xué)術(shù)思想，發(fā)展了二維半導(dǎo)體材料原子層精準(zhǔn)剪裁和異質(zhì)外延全新技術(shù)，首次實現(xiàn)了二維半導(dǎo)體材料與金屬電極的原子層鍵合，突破了二維半導(dǎo)體材料無法滿足硅基集成電路后道制造工藝熱預(yù)算的關(guān)鍵瓶頸，獲得了高溫工藝下的最低接觸電阻和最優(yōu)電學(xué)輸運性能，充分驗證了二維半導(dǎo)體材料在未來芯片制造的可行性。
北京科技大學(xué)前沿交叉科學(xué)技術(shù)研究院博士后高麗和博士研究生陳章毅為論文的共同第一作者，張先坤教授、張錚教授、張躍院士為論文共同通訊作者。
研究背景
在集成電路領(lǐng)域，實現(xiàn)優(yōu)異的金屬與半導(dǎo)體接觸性能是器件制造的重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件制造中，通過強鍵合的金屬與半導(dǎo)體接觸界面，構(gòu)筑達(dá)到應(yīng)用需求的低接觸電阻、高熱機械穩(wěn)定性、以及優(yōu)異的界面熱導(dǎo)率/電導(dǎo)率的晶體管器件。然而，對于表面無懸掛鍵的二維過渡金屬硫族化合物(TMDs)材料而言，如何實現(xiàn)與金屬電極材料的強鍵合接觸一直是困擾二維半導(dǎo)體材料在先進(jìn)制程集成電路實現(xiàn)應(yīng)用突破的關(guān)鍵瓶頸。
研究成果
張躍院士團隊以推動二維半導(dǎo)體材料在集成電路工程化應(yīng)用為導(dǎo)向，針對金屬-二維半導(dǎo)體接觸問題，創(chuàng)新提出了原子層鍵合(Atomic layer bonding, ALB)的原創(chuàng)學(xué)術(shù)思想，通過精準(zhǔn)去除二維半導(dǎo)體材料二硫化鉬表面的單層硫原子并直接沉積金屬電極材料，構(gòu)筑了穩(wěn)定的過渡金屬單原子層與金屬電極單原子層間的接觸界面，實現(xiàn)了電子結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控，成功構(gòu)筑出兼具強能帶耦合和高鍵合強度的原子層鍵合接觸界面，獲得了逼近理論接觸極限的、低至70 Ωμm 的接觸電阻和高達(dá)400℃的熱機械穩(wěn)定性，達(dá)到了國際半導(dǎo)體器件與系統(tǒng)技術(shù)路線圖(IRDS)中對于高性能電子器件的應(yīng)用要求。
圖1 原子層鍵合(ALB)接觸的設(shè)計與原子結(jié)構(gòu)表征
圖2 ALB 接觸晶體管的性能
儀器貢獻(xiàn)
本研究使用 HORIBA HR800 共聚焦拉曼光譜儀(現(xiàn)已全面升級為LabRAM Odyssey）進(jìn)行了不同接觸方式下的 MoS? 晶體管溝道應(yīng)力分析，結(jié)果證實了采用原子層鍵合(ALB)接觸的 MoS? 晶體管在加熱前后未受應(yīng)力影響，而直接金接觸的溝道則承受了嚴(yán)重的拉伸應(yīng)力(圖3)。
圖3 采用 ALB 接觸(上)與直接金接觸(下)的 MoS? 晶體管溝道區(qū)域在加熱前后的拉曼光譜
LabRAM Odyssey
高速高分辨顯微共焦拉曼光譜儀
拉曼光譜是探測晶格振動特性與聲子物性的常用表征手段。HORIBA LabRAM Odyssey 憑借其超高光譜分辨率，可用于材料的層數(shù)識別、缺陷探測、應(yīng)力分析以及結(jié)構(gòu)解析。該設(shè)備結(jié)合共聚焦顯微技術(shù)，能有效抑制雜散光干擾，從而獲取高信噪比的拉曼光譜數(shù)據(jù)。其開放式設(shè)計還支持集成二次諧波(SHG)、偏振及光電流等多模態(tài)成像功能。
總結(jié)與展望
原子層鍵合(ALB)接觸作為解決二維半導(dǎo)體與金屬電極接觸界面問題的全新技術(shù)路線，突破了限制二維半導(dǎo)體材料面向工業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸，將有力推動二維半導(dǎo)體器件從實驗室向規(guī)模化制造發(fā)展。
作者簡介
張躍 |前沿交叉科學(xué)技術(shù)研究院 | 院士
從事低維半導(dǎo)體材料及其服役行為的研究，致力于將低維半導(dǎo)體材料前沿研究和國家重大需求相結(jié)合，在信息、能源和傳感領(lǐng)域關(guān)鍵材料與器件應(yīng)用的基礎(chǔ)理論、制備技術(shù)和工程應(yīng)用方面做出了系統(tǒng)性、創(chuàng)新性重要貢獻(xiàn)。主持承擔(dān)了國家重大科學(xué)研究計劃、國家重點研發(fā)計劃專項，國家自然科學(xué)基金重大項目、重點項目、國家重大科研儀器研制項目，科技部與國家自然科學(xué)基金重大國際合作交流項目、教育部和國家外專局高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃、省部級項目等60余項。在Science、Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Energy、Nature Electronics等國內(nèi)外期刊上發(fā)表SCI論文450余篇；撰寫出版中文專著8部、英文專著5部。獲授權(quán)專利100余項；以第一完成人獲國家自然科學(xué)二等獎1項、省部級科技成果一等獎3項、省部級教學(xué)成果一等獎2項。
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※本文參考內(nèi)容來自公眾號：北京科技大學(xué)
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