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新制造工藝可更好地控制碳納米管晶體管 近年來，人們對碳納米管晶體管的興趣有所增加，因為它們有可能比硅晶體管更進一步縮小尺寸，并提供一種生產(chǎn)電路堆疊層的方法比在硅中做起來容易得多。 該團隊發(fā)明了一種生產(chǎn)更好的柵極電介質(zhì)（gate dielectric）的工藝。那是柵電極和晶體管溝道區(qū)之間的絕緣層。在操作中，柵極處的電壓會在溝道區(qū)中建立電場，從而切斷電流。 然而，隨著幾十年來硅晶體管的規(guī)模縮小，由二氧化硅制成的絕緣層必須越來越薄，以便使用較少的電壓來控制電流，從而降低了能耗。最終，絕緣屏障非常薄，以至于電荷實際上可以通過它隧穿，從而帶來電流泄漏并浪費能量。 大約十多年前，硅半導(dǎo)體工業(yè)通過切換到新的介電材料二氧化鉿（hafnium dioxide）解決了這個問題。與先前使用的二氧化硅相比，該材料具有較高的介電常數(shù)（high-k），這意味著相對較厚的高k介電層在電氣上等效于非常薄的氧化硅層。 碳納米管晶體管還使用HfO 2柵極電介質(zhì)。碳納米管的問題在于，它們不允許在控制按比例縮小的設(shè)備所需的薄層中形成電介質(zhì)。 沉積high-k電介質(zhì)的方法稱為原子層沉積。顧名思義，它一次可建造一個原子層的材料。但是，它需要一個開始的地方。在硅中，這是在表面自然形成的原子的原子薄層。 碳納米管不提供這種立足點來開始沉積。它們不會自然形成氧化物層，畢竟二氧化碳和一氧化碳都是氣體。納米管中任何會導(dǎo)致所需“懸掛鍵”（dangling bonds）的缺陷都會限制其傳導(dǎo)電流的能力。  到目前為止，在碳納米管上生長一層薄薄的high-k電介質(zhì)二氧化鉿是不可能的。斯坦福大學(xué)和臺積電的研究人員通過在它們之間添加中間k介電層解決了這一問題。 “形成high-k電介質(zhì)一直是一個大問題�！� 領(lǐng)導(dǎo)這項工作的臺積電（TSMC）首席科學(xué)家，斯坦福大學(xué)教授Philip Wong（黃漢森）說�！耙虼四仨殞⒈燃{米管更厚的氧化物傾倒在納米管的頂部，而不是在縮小的晶體管中”，黃漢森建議�！耙私鉃槭裁催@是一個問題，可以想象一下柵極電壓的作用，就是試圖用腳踩踏來阻止水流過花園軟管。如果在腳和軟管之間放一堆枕頭（類似于厚的門氧化物），則枕頭會變得更難”，黃漢森進一步指出。 臺積電的Matthias Passlack和UCSD的Andrew Kummel教授提出了一種解決方案，將HfO2的原子層沉積與沉積中間介電常數(shù)材料氧化鋁的新方法結(jié)合在一起。Al2O3是使用UCSD發(fā)明的納米霧工藝沉積的。像水蒸氣凝結(jié)形成霧一樣，Al2O3凝結(jié)成簇，覆蓋納米管表面。然后可以使用該界面電介質(zhì)作為立足點開始HfO2的原子層沉積。 這兩種電介質(zhì)的綜合電學(xué)特性使該團隊能夠構(gòu)建一種器件，該器件的柵極電介質(zhì)在寬度僅為15納米的柵極下的厚度小于4納米。最終的器件具有與硅CMOS器件相似的開/關(guān)電流比特性，并且仿真表明，即使具有較小柵極電介質(zhì)的較小器件也能正常工作。 但是，在碳納米管器件能夠匹配硅晶體管之前，還有很多工作要做。其中一些問題已單獨解決，但尚未合并到單個設(shè)備中。例如，黃漢森團隊設(shè)備中的單個納米管限制了晶體管可以驅(qū)動的電流量。他表示，要使多個相同的納米管完美對齊一直是一個挑戰(zhàn)。北京大學(xué)彭練矛實驗室的研究人員最近成功地使每微米排列250個碳納米管，這表明解決方案可能很快就會出現(xiàn)。 |
