硅基器件已经成为我们行业60多年的基础，这非常令人惊讶，因为最初的锗基器件将难以大规模集成。（值得一提，GaAs器件还开发了一个独特的微电子市场领域。）

　　最近，令人惊讶的是，通过引入诸如FinFETs之类的拓扑结构以及即将到来的纳米片，硅场效应器件获得了新的生命。硅基互补FET的研究正在进行中 （CFET）设计达到量产状态，其中nMOS和pMOS器件是垂直制造的，从而消除了当前单元设计中的横向n-p间距。

　　另外，材料工程学的进步已经将（拉伸和压缩）应力纳入硅通道晶体结构中，以增强自由载流子迁移率。

　　但是，硅设备收益递减的点正在逼近：

　　由于高电场下的速度饱和，无硅载流子迁移率接近最大值

　　尺寸的持续缩小降低了硅半导体的导带和价带边缘的“自由载流子态密度”（DoS）–填充更大范围的载流子态需要更多的能量

　　与Fin图案相关的统计过程变化很大

　　散热片的热传导导致局部“自热”温度升高，从而影响了几种可靠性机制（HCI，电迁移）

　　为解决以上问题，目前业界正在进行大量研究，以评估与硅完全不同的场效应晶体管材料的潜力，但这也与当前的大批量制造操作相一致。一种选择是探索 器件通道的单层二维半导体材料，例如二硫化钼（MoS2）。

　　另一个有希望的选择是从碳纳米管（CNT）构造设备沟道。下图提供了碳键独特性质的简单图示。（我对化学反应有些不熟悉，但我记得“ sp2”键是指原子核周围亚轨道“ p壳”中相邻碳原子的电子配对。没有“悬挂键”，并且碳材料是惰性的。）

　　请注意，石墨，石墨烯和CNT的化学结构相似-使用石墨进行的实验材料分析更加容易，并且最终可以扩展到CNT处理。

　　在最近的IEDM会议上，台积电提供了有关CNT器件制造进展的有趣更新。本文总结了该演讲的重点。

　　CNT设备具有一些引人注目的功能：

• 极高的载流子迁移率（>3,000cm²在/V-sec，“弹道运输”（ballistic transport），散射最小）

• 非常薄的CNT主体尺寸（例如，直径~1nm）

• 低寄生电容

• 优良的导热性

• 低温（<400C）处理

　　最后一个功能特别有趣，因为它还为基于硅的高温制造与后续的CNT处理集成提供了潜力。

　　门介电（Gate Dielectric）

　　台积电开发了独特的工艺流程来为CNT器件提供“高K”电介质等效栅极氧化物，类似于当前硅FET的HKMG处理。

　　上面的TEM图说明了CNT的横截面。为了与独特的碳表面兼容，需要沉积初始界面电介质（Al2O3）–即需要在碳上对该薄层进行适当的成核和整合。

　　随后，添加高K HfO2膜的原子级沉积（ALD）。（如前所述，这些关于材料性能的介电实验是在石墨基底上完成的。）

　　这些栅极电介质层的最小厚度受到非常低的栅极泄漏电流（例如，栅极长度为10nm的<1 pA/CNT）的限制。下面说明用于测量栅极到CNT泄漏电流的测试结构。（对于这些电测量，CNT结构使用石英衬底。）

　　实验得出的“最佳”尺寸为t_Al2O3=0.35nm和t_HfO2=2.5nm。由于这些极薄的层，Cgate_ox非常高，从而改善了静电控制。（请注意，这些层厚于CNT的直径，其影响将在稍后讨论。）

　　门方向（Gate Orientation）

　　台积电评估的CNT器件采用了独特的“顶栅加背栅”拓扑。

　　顶栅提供常规的半导体场效应器件输入，而（较大的）背栅提供对S/D扩展区域中载流子的静电控制，以有效降低寄生电阻Rs和Rd。而且，背栅会影响CNT与钯金属之间的源极和漏极接触电势，从而降低肖特基二极管势垒以及在该半导体-金属界面处的相关电流行为。

　　设备电流

　　CNT pFET的IV曲线（线性和对数Ids（用于亚阈值斜率测量））如下所示。对于此实验，Lg=100nm，S/D间距为200nm，CNT直径=1nm，t_Al2O3= 1.25nm，t_HfO2=2.5nm。

　　对于此测试（制造在石英基板上），单个CNT支持超过10uA的Ids。接近上述目标尺寸的更薄电介质将实现进一步的改进。

　　最终将在生产制造中使用平行CNT-相关的制造指标将是“每微米CNT的数量”。例如，4nm的CNT间距将被引用为“ 250CNTs/um”。

　　挑战

　　规划CNT生产时肯定要解决一些挑战（仅举几例）：

      　　规则/均匀的CNT沉积，具有非常干净的表面，用于介电成核

　　      需要最小化栅极电介质堆栈中的载流子“陷阱密度”

　　      最佳S / D接触电位材料工程

　     　设备建模设计

　　上面的最后一个挑战尤其值得注意，因为当前用于场效应晶体管的紧凑型器件模型肯定不够用。CNT栅氧化层拓扑与平面或FinFET硅通道完全不同。由于栅极到沟道的电场本质上是径向的，因此与平面器件一样，“有效栅极氧化物”并不存在简单的关系。

　　此外，S/D扩展需要唯一的Rs和Rd模型。而且，CNT栅氧化层的厚度比CNT的直径厚，从而导致从栅到S/D延伸以及到（小间距分隔）平行CNT的大量边缘场。为基于CNT的设计开发合适的紧凑模型是一项持续的工作。

　　顺便说一句，CNT“环绕栅极”氧化物（类似于纳米片周围的所有栅极）将比沉积的顶部栅极氧化物有所改进，但难以制造。

　　台积电显然正在投入大量研发资源，为“不可避免的”后硅器件技术的引入做准备。CNT的制造和电学表征结果证明了该器件替代产品的巨大潜力。