日本研究员在二维材料MoS2和层状Sb2Te3中实现低接触电阻，提高晶体管性能

产业技术综合研究所（AIST）器件技术研究部研究员张文馨(Chang Wen Hsin)、特别研究员畑山祥吾、齊藤雄太、岡田直也、入沢寿史等与东京都立大学副教授宮田耕充成功构建三碲化二锑（Sb2Te3）与二硫化钼（MoS2）之间的范德华界面，降低接触界面电阻（低接触电阻），大大有助于提高n型MoS2晶体管的性能。

图 接触电阻低的二硫化钼晶体管

(左)晶体管示意图，(右)Sb2Te3/MoS2界面TEM放大图

MoS2 是一种称为过渡金属二硫化物 (TMDC) 的材料，具有二维晶体结构，作为下一代晶体管沟道的半导体材料备受关注。然而，普通金属电极和MoS2接触面的高接触电阻阻碍了晶体管性能的提升。这次，通过在 MoS2 上形成层状材料 Sb2Te3，成功地显着降低了晶体管的接触电阻。此外，由于 Sb2Te3 的高热稳定性，制造的 MoS2 晶体管有望在半导体制造工艺中表现出足够的耐热性。 新开发的技术有可能从根本上解决二硫化钼晶体管的接触电阻问题，将大大有助于提高二维材料晶体管的性能，有望成为下一代逻辑半导体。这项研究已于 2023 年 2 月 10 日发表在国际学术期刊 《Advanced Electronic Materials》上。

在先进的CMOS制造技术中，为了不断提高电源效率、性能、面积和成本"PPAC"（Power efficiency, performance, area, cost），不仅需要缩小尺寸，还需要开发新材料和应介绍设备结构。在这项技术努力中，针对目前的硅（Si）提出了纳米片结构，有望成为2nm世代的技术。

此外，经济产业省的半导体和数字产业战略审查委员会也提到了加强Beyond 2 nm技术的发展。 作为Beyond 2 nm技术之一，研究人员向晶体管引入了一种二维TMDC材料，该材料具有化学稳定的层状结构，同时保持适当的带隙，并且在原子层厚度方面表现出比Si更好的半导体特性。 . 然而，要实现二维材料晶体管的实用化，还有许多技术问题需要攻克，世界各国的研究机构和企业一直在积极进行研究。

TMDC 作为下一代晶体管的沟道材料备受瞩目，因为它即使在 1 纳米或更小的原子层区域也能保持高导电性。AIST在与东京都立大学的联合实施项目中进行高性能 TMDC 晶体管的研究。

传统的TMDC晶体管开发主要使用钨（W）、钛（Ti）、铬（Cr）、镍（Ni）、钯（Pd）和金（Au）等金属电极。 然而，众所周知，这些金属电极和TMDC之间的界面表现出高接触电阻，这抑制了TMDC晶体管的驱动电流并且不会提高器件性能。 这是因为费米能级钉扎现象（FLP）发生在金属电极/TMDC结界面，使得界面处的势垒难以降低。 最近，半导体制造商和研究机构一直在推动消除FLP的TMDC接触形成技术的发展。 台积电和英特尔报告称，使用铋 (Bi) 和锑 (Sb) 等半金属作为接触材料可以大大降低接触电阻。 但是，Bi的熔点低（约270℃），热稳定性差，难以应用于需要400℃以上耐热性的半导体制造工艺。 因此，为了提高下一代晶体管的性能，需要开发具有高耐热性和降低与TMDC接触电阻的电极材料。

在这项研究中，课题组使用典型 TMDC 之一的 MoS2 制造了晶体管，并专注于 Sb2Te3 作为其接触材料。Sb2Te3 有许多原子层，层之间通过称为范德华力的弱键连接。Sb2Te3 也表现出像 Bi 和 Sb 一样的半金属特性（窄带隙：0.2–0.3 eV）。 再者，已知Sb2Te3的熔点（约620℃）高于Bi。 这些特征表明，Sb2Te3 可能与同为层状材料的 MoS2 形成范德瓦尔斯界面，从而抑制 FLP。因此，研究人员认为通过使用 Sb2Te3，可以在保持高耐热性的同时实现低接触电阻。

图1 Sb2Te3/MoS2界面的横截面电子显微镜（TEM）图像和相应的原子排列

通过对 Sb2Te3 的长期研究，AIST 小组积累了形成平行于基板和底层材料表面的层状物质的专业知识。在本研究中，研究人员采用适合批量生产的溅射方法在单层 MoS2 上形成 Sb2Te3 薄膜。图 1 显示了 Sb2Te3/MoS2 叠层薄膜结构和相应原子排列的 TEM 截面照片。发现 Sb2Te3 和 MoS2 都具有结晶度良好的层状结构。Sb2Te3/MoS2 的 TEM 照片显示两种材料的原子排列匹配，证实这些层压薄膜具有范德华界面。

通常，在集成电路的布线过程中，400℃或更高的耐热性是实际使用的重要要求。 因此，课题组研究了 Sb2Te3/MoS2 叠层薄膜结构的耐热性。使用拉曼光谱分析证实，MoS2 单层结构在热处理前后均保持不变。 此外，横截面 TEM 照片（图 2）显示，即使在 450℃热处理后，Sb2Te3/MoS2 层压膜结构仍保持良好的结晶度和范德华界面。

图2 450℃热处理后Sb2Te3/MoS2截面的电子显微照片和拉曼光谱

课题组研究了 Sb2Te3/MoS2 范德华界面形成如何影响晶体管特性。图 3 显示了 MoS2 晶体管的电流-电压特性的比较。 在演示 n 型晶体管操作时，发现与使用 Sb、Ni 或 W 作为接触材料时相比，具有 Sb2Te3 电极的晶体管的驱动电流提高了 4 到 30 倍。 研究人员认为驱动电流增加如此大的主要原因是接触电阻的降低。采用Sb2Te3电极的晶体管的接触电阻比Sb电极低约一个数量级，可与世界上最小报道的Bi电极接触电阻相媲美，但发现是一个不存在的值。Sb 和 Bi 电极不适合用于半导体器件，因为它们不能承受半导体制造后工序中的高温。Sb2Te3 电极具有 400℃或更高的耐热性，并实现了与 Bi 电极相当的低接触电阻值。

图 3 电流-电压特性比较

如上所述，课题组开发了一种技术，可以在 Sb2Te3/MoS2 界面实现低接触电阻和半导体制造工艺所需的耐热性。该技术将有助于实现Beyond 2 nm世代逻辑半导体。

图4 接触电阻比较

未来的目标是制造串联连接 n 型和 p 型 TMDC 晶体管的 CMOS。为此，不仅需要为 n 型 MoS2 晶体管开发低接触电阻技术，还需要为 p 型 TMDC 晶体管开发低接触电阻技术。这次开发的 Sb2Te3 接触技术显示出 n 型 MoS2 的最佳特性，但 p 型 TMDC 需要不同的接触材料。课题组计划加速开发使用具有低接触电阻的TMDC的CMOS，以实现远远超过现有Si性能的下一代逻辑半导体。