硅基器件已經(jīng)成為我們行業(yè)60多年的基礎(chǔ)，這非常令人驚訝，因?yàn)樽畛醯逆N基器件將難以大規(guī)模集成。（值得一提，GaAs器件還開(kāi)發(fā)了一個(gè)獨(dú)特的微電子市場(chǎng)領(lǐng)域。）
最近，令人驚訝的是，通過(guò)引入諸如FinFETs之類的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及即將到來(lái)的納米片，硅場(chǎng)效應(yīng)器件獲得了新的生命。硅基互補(bǔ)FET的研究正在進(jìn)行中 （CFET）設(shè)計(jì)達(dá)到量產(chǎn)狀態(tài)，其中nMOS和pMOS器件是垂直制造的，從而消除了當(dāng)前單元設(shè)計(jì)中的橫向n-p間距。
另外，材料工程學(xué)的進(jìn)步已經(jīng)將（拉伸和壓縮）應(yīng)力納入硅通道晶體結(jié)構(gòu)中，以增強(qiáng)自由載流子遷移率。
但是，硅設(shè)備收益遞減的點(diǎn)正在逼近：
由于高電場(chǎng)下的速度飽和，無(wú)硅載流子遷移率接近最大值
尺寸的持續(xù)縮小降低了硅半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶邊緣的“自由載流子態(tài)密度”（DoS）–填充更大范圍的載流子態(tài)需要更多的能量
與Fin圖案相關(guān)的統(tǒng)計(jì)過(guò)程變化很大
散熱片的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致局部“自熱”溫度升高，從而影響了幾種可靠性機(jī)制（HCI，電遷移）
為解決以上問(wèn)題，目前業(yè)界正在進(jìn)行大量研究，以評(píng)估與硅完全不同的場(chǎng)效應(yīng)晶體管材料的潛力，但這也與當(dāng)前的大批量制造操作相一致。一種選擇是探索 器件通道的單層二維半導(dǎo)體材料，例如二硫化鉬（MoS2）。
另一個(gè)有希望的選擇是從碳納米管（CNT）構(gòu)造設(shè)備溝道。下圖提供了碳鍵獨(dú)特性質(zhì)的簡(jiǎn)單圖示。（我對(duì)化學(xué)反應(yīng)有些不熟悉，但我記得“ sp2”鍵是指原子核周圍亞軌道“ p殼”中相鄰碳原子的電子配對(duì)。沒(méi)有“懸掛鍵”，并且碳材料是惰性的。）
請(qǐng)注意，石墨，石墨烯和CNT的化學(xué)結(jié)構(gòu)相似-使用石墨進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)材料分析更加容易，并且最終可以擴(kuò)展到CNT處理。
在最近的IEDM會(huì)議上，臺(tái)積電提供了有關(guān)CNT器件制造進(jìn)展的有趣更新。本文總結(jié)了該演講的重點(diǎn)。
CNT設(shè)備具有一些引人注目的功能：
極高的載流子遷移率（>3,000cm2在/V-sec，“彈道運(yùn)輸”（ballistic transport），散射最小）
非常薄的CNT主體尺寸（例如，直徑~1nm）
低寄生電容
優(yōu)良的導(dǎo)熱性
低溫（<400C）處理
最后一個(gè)功能特別有趣，因?yàn)樗€為基于硅的高溫制造與后續(xù)的CNT處理集成提供了潛力。
門介電（Gate Dielectric）
臺(tái)積電開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的工藝流程來(lái)為CNT器件提供“高K”電介質(zhì)等效柵極氧化物，類似于當(dāng)前硅FET的HKMG處理。
上面的TEM圖說(shuō)明了CNT的橫截面。為了與獨(dú)特的碳表面兼容，需要沉積初始界面電介質(zhì)（Al2O3）–即需要在碳上對(duì)該薄層進(jìn)行適當(dāng)?shù)某珊撕驼稀?/p>
隨后，添加高K HfO2膜的原子級(jí)沉積（ALD）。（如前所述，這些關(guān)于材料性能的介電實(shí)驗(yàn)是在石墨基底上完成的。）
這些柵極電介質(zhì)層的最小厚度受到非常低的柵極泄漏電流（例如，柵極長(zhǎng)度為10nm的<1 pA/CNT）的限制。下面說(shuō)明用于測(cè)量柵極到CNT泄漏電流的測(cè)試結(jié)構(gòu)。（對(duì)于這些電測(cè)量，CNT結(jié)構(gòu)使用石英襯底。）
實(shí)驗(yàn)得出的“最佳”尺寸為t_Al2O3=0.35nm和t_HfO2=2.5nm。由于這些極薄的層，Cgate_ox非常高，從而改善了靜電控制。（請(qǐng)注意，這些層厚于CNT的直徑，其影響將在稍后討論。）
門方向（Gate Orientation）
臺(tái)積電評(píng)估的CNT器件采用了獨(dú)特的“頂柵加背柵”拓?fù)洹?/p>
頂柵提供常規(guī)的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)器件輸入，而（較大的）背柵提供對(duì)S/D擴(kuò)展區(qū)域中載流子的靜電控制，以有效降低寄生電阻Rs和Rd。而且，背柵會(huì)影響CNT與鈀金屬之間的源極和漏極接觸電勢(shì)，從而降低肖特基二極管勢(shì)壘以及在該半導(dǎo)體-金屬界面處的相關(guān)電流行為。
設(shè)備電流
CNT pFET的IV曲線（線性和對(duì)數(shù)Ids（用于亞閾值斜率測(cè)量））如下所示。對(duì)于此實(shí)驗(yàn)，Lg=100nm，S/D間距為200nm，CNT直徑=1nm，t_Al2O3= 1.25nm，t_HfO2=2.5nm。
對(duì)于此測(cè)試（制造在石英基板上），單個(gè)CNT支持超過(guò)10uA的Ids。接近上述目標(biāo)尺寸的更薄電介質(zhì)將實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。
最終將在生產(chǎn)制造中使用平行CNT-相關(guān)的制造指標(biāo)將是“每微米CNT的數(shù)量”。例如，4nm的CNT間距將被引用為“ 250CNTs/um”。
挑戰(zhàn)
規(guī)劃CNT生產(chǎn)時(shí)肯定要解決一些挑戰(zhàn)（僅舉幾例）：
規(guī)則/均勻的CNT沉積，具有非常干凈的表面，用于介電成核
需要最小化柵極電介質(zhì)堆棧中的載流子“陷阱密度”
最佳S / D接觸電位材料工程
設(shè)備建模設(shè)計(jì)
上面的最后一個(gè)挑戰(zhàn)尤其值得注意，因?yàn)楫?dāng)前用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的緊湊型器件模型肯定不夠用。CNT柵氧化層拓?fù)渑c平面或FinFET硅通道完全不同。由于柵極到溝道的電場(chǎng)本質(zhì)上是徑向的，因此與平面器件一樣，“有效柵極氧化物”并不存在簡(jiǎn)單的關(guān)系。
此外，S/D擴(kuò)展需要唯一的Rs和Rd模型。而且，CNT柵氧化層的厚度比CNT的直徑厚，從而導(dǎo)致從柵到S/D延伸以及到（小間距分隔）平行CNT的大量邊緣場(chǎng)。為基于CNT的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)合適的緊湊模型是一項(xiàng)持續(xù)的工作。
順便說(shuō)一句，CNT“環(huán)繞柵極”氧化物（類似于納米片周圍的所有柵極）將比沉積的頂部柵極氧化物有所改進(jìn)，但難以制造。
臺(tái)積電顯然正在投入大量研發(fā)資源，為“不可避免的”后硅器件技術(shù)的引入做準(zhǔn)備。CNT的制造和電學(xué)表征結(jié)果證明了該器件替代產(chǎn)品的巨大潛力。