可扩展CMOS后端兼容的AlScN/二维沟道铁电场效应晶体管
研究背景
电子器件及其内部传感器产生大量数据，迫切需要高速、节能的数据存储和处理。在传统以处理器为中心的计算中，处理器核心必须以不同的距离和速度遍历不同级别的内存，从而导致数据瓶颈和低效的数据处理。近年来，人们提出了采用垂直堆叠、密集、高效和紧密集成存储器的内存计算架构来克服这些数据处理瓶颈。传统的内存中计算架构主要是线的前端(即存储器与Si逻辑晶体管和外围电路在同一层上共存)，与之相比，垂直堆叠在线的前端上的存储器阵列可以在面密度和能量效率方面提供巨大的优势，并减少延迟。在单个单元层面，该方案需要一个快速、可靠和低能耗的非易失性存储器(NVM)，该器件可以很容易地与处理晶体管集成，而不会占用逻辑层的宝贵空间。这推动了对与后端加工(BEOL)兼容的材料和器件的需求。因此，NVM器件和Si CMOS逻辑的单片三维(M3D)集成不仅从使存储器更接近处理单元的角度来看是可取的，而且这种方法还可以减少数据瓶颈问题并增加芯片级集成密度。随着铁电(FE)材料的最新进展，铁电场效应晶体管(FE-FET)被认为是用于M3D集成的最有前途、紧凑且节能的NVM候选者之一，因为它允许非破坏性读取操作。
成果介绍
有鉴于此，近日，美国宾夕法尼亚大学Deep Jariwala和Roy H. Olsson III（共同通讯作者）等提出了使用2D MoS2沟道和AlScN铁电材料的后端兼容FE-FET，所有这些都是通过晶圆可扩展工艺生长的。在~80 nm的沟道长度下，制备了存储窗口大于7.8 V、开关比大于107、导通电流密度大于250 μA um-1的FE-FET阵列。通过扩展，除了4位脉冲可编程的存储器特性外，FE-FET显示出长达10年的稳定保留时间，并且耐久性大于104个周期，从而为具有硅CMOS逻辑的2D半导体存储器的三维异质集成开辟了新道路。文章以“Scalable CMOS back-end-of-line-compatible AlScN/two-dimensional channel ferroelectric field-effect transistors”为题发表在顶级期刊Nature Nanotechnology上。
