IBM研究人員利用碳納米管作為晶體管溝道，實現了將晶體管尺寸縮小至40納米的突破

此前，越來越多來自學術界的跡象表明，碳納米管正在迎接新的挑戰，即提供一個可真正替代硅基互補金屬氧化物半導體（CMOS）晶體管的解決方案。

日前，來自IBM托馬斯?J?沃森研究中心的研究人員開發了滿足國際半導體技術發展路線圖（ITRS）下一個十年計劃的先進碳納米管晶體管。研究人員製造了一種基於碳納米管的P溝道晶體管，它能夠在較低的電壓下工作，且體積僅為領先硅技術晶體管的一半。

尺寸降低

據科學雜誌報道，IBM的研究人員用碳納米管P溝道實現了晶體管尺寸的降低，該晶體管包含了所有組件，大小僅為40平方納米，已經實現了半導體技術發展路線圖未來十年的技術目標。

將晶體管尺寸縮小到如此小的關鍵就是利用碳納米管替代了硅作為晶體管的溝道。碳納米管的厚度只有1nm左右，這樣的厚度在靜電學方面體現出了一個顯著的優勢，即能夠在避免短溝道效應帶來的不利影響的同時將器件的柵極長度降低到10nm。納米管的另一個優點在於電子的傳播速度更快，有利於提高器件性能。

圖為碳納米管晶體管示意圖

端接觸點

晶體管尺寸縮小的另一關鍵因素在於其採用了端接觸點方法。晶體管的金屬觸點一般都是沿著晶體管半導體材料的縱向接合，也就是沿著溝道長距離接觸。早在兩年前，IBM就已經開發出了端接觸點的方案，這使得碳納米管進踢館的接觸長度從300nm縮小到了10nm，而不會增肌增加接觸電阻值。

為了完成這項工作，IBM的科學家需要找到一種兼具熱穩定和與碳互相反應的接觸金屬，為了保持器件的幾何形狀，該接觸金屬還需在足夠低的溫度下形成端接觸點。科學家門發現，他們可以將碳納米管連接到高功函數鈷鉬合金觸點上。

鉬元素保持了合金良好的人穩定性，同時，鉬作為催化劑，還能降低與納米管之間形成金屬碳化物所需的溫度——650℃。

由於碳納米管都是通過端點與這些接觸點相連接，這些觸點就為電子注入碳納米管提供了一個傳輸屏障，其結果就是，晶體管只有P溝道。

摻雜工藝

IBM研究人員Qing Cao表示：「採用低功函數金屬與納米管形成端接觸點以在N溝道中工作是非常具有挑戰性的。然而，我們已經開發了一種有效的碳納米管通道摻雜工藝，通過該技術，N溝道器件也能夠在高功函數接觸點上工作。」

除了納米管溝道與鈷-鉬合金觸點的端部接合外，研究人員還將超薄的高k氧化物層放置於納米管的頂部作為柵極介質。

存在問題

Qing Cao表示，在高性能納米管邏輯晶體管實現商業化之前，仍然存在一些需要解決的製造可行性問題。

Qing Cao補充道：「現階段面臨的主要挑戰就是設備的一致性問題。我們最終是要將數十億個碳納米管晶體管集成到同意功能電路中，為了做到這一點，我們需要保證每一個晶體管的性能一致性，以便其能夠在相同的電壓下正常工作。」

雖然在過去的幾年中半導體納米管的純度已經得到了極大地改善，IBM也實現了純度達到99.999%的目標，但這一工藝還需進一步改善以提高其標準化及穩定性，以確保可靠的大批量生產。

工程式控制制

Qing Cao補充道：「在半成品生產線上，將納米管應用到CMOS工藝中仍需更好的對其進行工程式控制制，以盡量減少碳納米管中的雜質含量。」

在工程學方面，Qing Cao認為他們首先需要對納米管源和沉積過程建立更好的控制。「目前的納米管方案並不是電子級的方案，所以我們可能會在納米管沉積過程中對氧化物施加電荷。」

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