Studio di riferimento:i dispositivi imec con 4nm, 8nm, HfO2 a 12 nm e SiO2 a 50 nm hanno un'eccellente combinazione di gmmax e SSmin rispetto alla letteratura. Credito:IMEC
All'IEEE International Electron Devices Meeting di quest'anno (7-11 dicembre 2019), imec riporta uno studio approfondito sui transistor scalati con MoS 2 e dimostra le migliori prestazioni del dispositivo fino ad oggi per tali materiali.
MoS 2 è un materiale 2-D, il che significa che può essere coltivato in forma stabile con spessore quasi atomico e precisione atomica. Imec ha sintetizzato il materiale fino al monostrato (spessore 0,6 nm) e ha fabbricato dispositivi con contatto e lunghezza del canale ridimensionati, rispettivamente di 13 nm e 30 nm. Queste dimensioni molto scalate, combinato con spessore dell'ossido di gate ridimensionato e dielettrico ad alto K, hanno permesso la dimostrazione di alcune delle migliori prestazioni del dispositivo finora. Più importante, questi transistor consentono uno studio completo delle proprietà fondamentali dei dispositivi e la calibrazione dei modelli TCAD. Il modello TCAD calibrato viene utilizzato per proporre un percorso realistico per il miglioramento delle prestazioni. I risultati qui presentati confermano il potenziale dei materiali 2-D per il ridimensionamento estremo dei transistor, a vantaggio sia della logica ad alte prestazioni che delle applicazioni di memoria.
Gli studi teorici raccomandano i materiali 2-D come il materiale del canale perfetto per il ridimensionamento estremo dei transistor poiché ci si aspettano solo piccoli effetti di canale corto rispetto agli attuali dispositivi basati su Si. Cenni di questo potenziale sono già stati pubblicati con transistor unici nel loro genere costruiti su scaglie naturali di materiali 2-D.
Immagini TEM che mostrano (a) 3 canali MoS2 monostrati, con lunghezza di contatto 13 nm e lunghezza del canale 29 nm Le caratteristiche di trasferimento hanno migliorato l'oscillazione sotto-soglia (SS) con HfO2 più sottile. Credito:IMEC
Per la prima volta, imec ha testato questi risultati teorici attraverso un set completo di dati sui transistor basati su materiali 2-D. I dispositivi con il minimo ingombro hanno una lunghezza del canale di 30 nm e Passo di contatto <50 nm. Con un dielettrico di gate SiO2 da 50 nm è stata dimostrata una corrente ON fino a 250 µA/µm. Su correnti di ~ 100 µA/µm e un eccellente SSmin di 80 mV/dec (per VD =50 mV) sono stati dimostrati con HfO2 a 4 nm in configurazione backgata. Le prestazioni del dispositivo non sono influenzate dal ridimensionamento della lunghezza dei contatti, confermando che i vettori vengono iniettati dal bordo del metallo di contatto direttamente nel canale, in linea con le simulazioni TCAD. Il lavoro conferma che i modelli TCAD catturano gran parte della fisica del dispositivo e guidano la convalida sperimentale e la mappatura dello spazio applicativo. Parte del paper presentato allo IEDM, è dedicato a definire il percorso per l'ottimizzazione del dispositivo per raggiungere obiettivi di prestazioni simili a Si.
"Anche se ancora a un ordine di grandezza dai transistor al silicio, abbiamo portato i nostri dispositivi MOSFET in un regno in cui mostrano prestazioni promettenti per future applicazioni di logica e memoria, "dice Iuliana Radu, direttore di Exploratory e Quantum Computing imec. "Per colmare questo ordine di grandezza, abbiamo individuato un percorso di miglioramenti sistematici come un'ulteriore riduzione dello spessore dell'ossido di gate, l'implementazione di un'architettura a doppio gate, e un'ulteriore riduzione dei difetti di canale e di interfaccia. Stiamo trasferendo questa intuizione alla nostra piattaforma di wafer da 300 mm per transistor con materiali 2-D, che è stato annunciato allo IEDM dello scorso anno."
Le caratteristiche di trasferimento hanno migliorato l'oscillazione sotto soglia (SS) con HfO2 più sottile. Credito:IMEC
"In qualità di polo di ricerca e innovazione leader a livello mondiale, è compito di imec spingere il ridimensionamento del dispositivo verso il limite ultimo. Stiamo affrontando questa sfida studiando diverse opzioni di ridimensionamento, fornendo proiezioni ottimali, e guidare l'industria ad adottare le soluzioni proposte, ha affermato Luc Van den hove, amministratore delegato dell'imec. "I nostri partner si aspettano che siamo all'avanguardia e li supportiamo nella realizzazione delle loro tabelle di marcia dimostrando il potenziale di concetti innovativi e nuovi materiali. Ecco perché sono così entusiasta di aver dimostrato prestazioni eccellenti in dispositivi ultra scalati con materiali 2-D , e un percorso credibile per ulteriori miglioramenti che mirano alla produzione di massa in fabbricati industriali da 300 mm."
