TiN接触型二维MoS2场效应管的接触结构设计：基于DFT-NEGF方法对顶接触、边缘接触及C型接触的全面研究

《Microelectronics Journal》：Contact configuration design of in TiN-Contacted 2D M o S 2 FETs: A comprehensive DFT-NEGF investigation of top, edge, and C-type contacts

　　徐立军|徐金志|刘江涛|吴振华 中国浙江大学量子物质中心，杭州，310058 摘要 本研究通过第一性原理模拟方法优化了MoS2场效应晶体管中的接触电阻。在传统的顶接触设计中，电子注入仅限于通道附近的小区域，从而导致电流拥挤和较高的电阻。我们利用密度泛函理论结合非平衡格林函数模拟，系统地研究了三种TiN/MoS2接触几何结构——边缘接触、C型接触和顶接触。分析表明，顶接触在重度掺杂（101? cm2）的情况下可实现最低的电阻值（63.7 Ω-μm）。边缘接触由于存在较高的肖特基势垒而具有较大的电阻，不过重度掺杂可部分缓解这一问题。值得注意的是，C型接触只需通过优化接触长度就能达到国际器件与系统发展路线图的要求，无需额外掺杂。这些研究结果为金属-二维半导体界面提供了重要的设计指导，并有助于将MoS2集成到未来的超大规模电子器件中。引言 自从二维材料，尤其是半导体过渡金属硫属化物出现以来，这类材料因其作为未来电子应用中硅的替代品的潜力而备受关注。在各种二维过渡金属硫属化物中，二硫化钼因其优异的电学性能而成为最具前景的材料之一。单层MoS2具有多种优点，包括适宜的直接带隙、高的载流子迁移率以及无悬挂键的表面结构。这些优势使得MoS2成为下一代n型金属氧化物半导体场效应晶体管的理想通道材料。此外，MoS2的独特性质使其成为三维异质集成领域的关键材料，有助于推动集成电路技术超越传统CMOS技术的发展。尽管具有这些优势，实现低电阻的金属-半导体接触仍是二维电子设备面临的最重要挑战之一。由于费米能级固定效应，金属与二维半导体之间的接触往往会产生肖特基势垒，因此使用传统金属（如镍和金）制成的接触电阻远高于先进CMOS技术所需水平。在传统半导体技术中，通常通过重度半导体掺杂和金属硅化物相结合的方式将肖特基接触转化为类欧姆接触，以此有效降低肖特基势垒并促进载流子注入。然而，由于二维材料的原子级厚度，传统的掺杂技术如离子注入和等离子体处理可能会破坏晶体结构，从而降低器件性能。因此，适用于二维半导体的实际且与工业流程兼容的掺杂策略仍然有限。鉴于掺杂所带来的挑战，需要寻找其他方法来减轻金属-二维半导体界面处的肖特基势垒形成。目前的研究主要集中在接触几何结构的优化以及探索替代性接触金属上。通过优化接触配置并选择合适的金属材料，可以显著降低肖特基势垒高度和接触电阻，从而便于将二维半导体应用于未来的电子系统中。对于金属-二维半导体界面而言，有三种相关的接触几何结构：顶接触、边缘接触和C型接触，如图1所示。顶接触和边缘接触是最常被研究的两种结构。而在用于三维集成的垂直堆叠二维纳米片器件中，还可以形成一种半封闭式的接触几何结构，即C型接触。在顶接触结构中，金属主要通过较弱的范德华相互作用与二维半导体结合，这就导致了较大的范德华隧穿势垒。此外，界面处的费米能级固定效应还会产生肖特基势垒，如图1(a)的插图所示。范德华隧穿势垒和肖特基势垒的共同存在会严重抑制载流子注入，进而增加接触电阻。相比之下，边缘接触能使金属与二维材料暴露的边缘直接形成共价键，从而有效消除范德华隧穿势垒。不过，如图1(b)的插图所示，肖特基势垒仍然会在决定接触电阻方面发挥重要作用。与顶接触和边缘接触相比，C型接触结合了这两种结构的特性。由于其部分封闭的几何结构，它被认为是垂直堆叠二维纳米片器件的实际接触结构。因此，系统研究顶接触、边缘接触和C型接触的电阻优化策略，对于将二维材料应用于未来的电子系统至关重要。虽然这种结构消除了肖特基势垒的影响，但也会引入相对较强的范德华隧穿势垒。此外，许多新提出的接触金属与现有的CMOS制造工艺并不完全兼容，这可能限制它们的实际应用。相比之下，TiN因其出色的热稳定性、成熟的工艺整合能力以及与CMOS技术的兼容性，成为先进半导体制造中最常用的金属之一。除了在传统半导体技术中的广泛应用外，TiN最近还被用作二维纳米片器件的接触金属，并展现出良好的电学性能。尽管如此，关于TiN与单层MoS2之间接触特性的系统研究，尤其是在不同接触几何结构下的研究，仍然较为有限。因此，本研究选择TiN作为一种具有CMOS兼容性的代表性接触金属，系统研究顶接触、边缘接触和C型TiN/MoS2界面的接触特性，以寻找实现低电阻接触的实际策略。这样做既能确保与现有半导体制造工艺的兼容性，又能避免开发新工艺所带来的时间和经济成本。在本研究中，我们对顶接触、边缘接触和C型接触几何结构下的TiN与单层MoS2的接触进行了系统研究。我们利用第一性原理量子输运模拟方法评估接触电阻，重点分析了接触长度和掺杂浓度的影响。研究表明，由于不同接触几何结构的载流子注入机制存在根本差异，因此需要采取不同的优化策略。特别是，顶接触从重度掺杂中获益显著，而C型接触则仅通过几何结构优化就能实现低电阻。本研究为未来纳米片晶体管和单片三维集成电路中实现低电阻TiN/MoS2接触提供了设计指导。模拟方法 所有的计算结果都是使用商业软件QuantumATK（版本2023.12）[21]得出的，该软件采用了原子轨道线性组合方法。计算基于广义梯度近似和Perdew–Burke–Ernzerhof交换-相关函数。价电子与离子核之间的相互作用则是通过PseudoDojo伪势来描述的。实空间网格的截断能量设置为75哈特里。结果与讨论 顶接触一直是二维半导体器件中常用且简单的接触机制，已有大量关于各种基于此类材料的器件的研究。金、银、镍等传统金属与MoS2之间存在显著的费米能级固定效应，从而导致形成较高势垒的肖特基势垒，进而造成较高的接触电阻，这阻碍了MoS2及其他二维器件的应用。在最近的研究中，人们开始探索……结论 在本研究中，我们系统研究了顶接触、边缘接触和C型接触几何结构下TiN/MoS2界面的接触特性。我们在国际器件与系统发展路线图的框架下分析了接触长度和掺杂浓度对接触电阻的影响。经过优化的顶接触结构可实现最低的接触电阻值，为63.7 Ω-μm，而边缘接触的性能则受到肖特基势垒的强烈影响。C型接触则能够满足国际器件与系统发展路线图的要求。利益冲突声明 作者声明他们没有已知的、可能影响本文研究成果的财务利益或个人关系。致谢 本项目得到了中国科学技术部（编号2021YFA1200502、2024YFB4405401）、中国国家自然科学基金委员会（编号62090033、62331009）以及中国科学院战略性先导科技专项（编号XDA0330401）的支持。