Гибрид 2D

Nature, том 618, страницы 57–62 (2023 г.) Процитировать эту статью

16 тысяч доступов

9 цитат

141 Альтметрика

Подробности о метриках

Использование превосходных электронных свойств двумерных (2D) материалов для изготовления современных электронных схем является основной целью полупроводниковой промышленности1,2. Однако большинство исследований в этой области ограничиваются изготовлением и оценкой изолированных больших (более 1 мкм2) устройств на нефункциональных подложках SiO2–Si. В некоторых исследованиях монослойный графен интегрировался в кремниевые микрочипы как межсоединение большой площади (более 500 мкм2)3 и как канал больших транзисторов (около 16,5 мкм2) (ссылки 4,5), но во всех случаях плотность интеграции была низкой. , никаких вычислений не было продемонстрировано, а манипулирование однослойными 2D-материалами было сложной задачей, поскольку собственные отверстия и трещины во время переноса увеличивают изменчивость и снижают выход продукции. Здесь мы представляем изготовление гибридных 2D-КМОП-микрочипов с высокой плотностью интеграции для мемристивных приложений - КМОП означает комплементарный металл-оксид-полупроводник. Мы переносим лист многослойного гексагонального нитрида бора на задние межсоединения кремниевых микросхем, содержащих КМОП-транзисторы узла 180 нм, и дорабатываем схемы, моделируя верхние электроды и межсоединения. КМОП-транзисторы обеспечивают превосходный контроль токов в гексагональных мемристорах из нитрида бора, что позволяет нам достичь срока службы около 5 миллионов циклов в мемристорах размером всего 0,053 мкм2. Мы демонстрируем вычисления в памяти путем построения логических элементов и измеряем сигналы пластичности, зависящие от времени всплеска, которые подходят для реализации всплесковых нейронных сетей. Достигнутая высокая производительность и относительно высокий уровень технологической готовности представляют собой заметный прогресс на пути интеграции 2D-материалов в продукты микроэлектроники и мемристивные приложения.

Наши кремниевые микрочипы размером 2 см × 2 см были разработаны с помощью программного обеспечения Synopsys и изготовлены на кремниевой пластине размером 200 мм в промышленной чистой комнате с использованием 180-нм технологического узла КМОП (рис. 1а и расширенные данные, рис. 1). Схемы, изготовленные в этом исследовании, состоят из перемычек 5 × 5 ячеек «один транзистор — один мемристор» (1T1M, рис. 1b, c и дополнительный рисунок 1), хотя для справки были изготовлены некоторые автономные мемристоры и КМОП-транзисторы (дополнительный рисунок). рис. 2). Микрочипы были разработаны для интеграции мемристоров во внутренние соединения (BEOL); то есть они были терминированы на последнем слое металлизации (четвертом на нашей пластине) и остались без пассивации. Следовательно, оксид кремния естественным образом растет на пластинах, когда они извлекаются из промышленной чистой комнаты (рис. 1d), который можно легко вытравить, чтобы обнажить вольфрамовые переходные отверстия (рис. 1e и дополнительный рисунок 3). Затем на микрочипы был перенесен лист гексагонального нитрида бора (h-BN) толщиной примерно 18 слоев (т.е. примерно 6 нм), выращенный на медной подложке методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) (рис. 1е) с использованием низкотемпературного процесса (Методы). Наконец, h-BN на контактных площадках был вытравлен, а верхние электроды, изготовленные из разных материалов (то есть Au-Ti, Au или Ag), были нанесены и нанесены на h-BN для окончательной доработки схем (рис. 1g). .

а: Фотография микрочипов размером 2 × 2 см, содержащих схему КМОП. б, в: изображения части микрочипа, содержащей поперечину 5 × 5 клеток 1T1 M, полученные с помощью оптического микроскопа (б) и после изготовления (в). Размер площадок квадратной формы составляет 50 мкм × 50 мкм. г – е, Топографические карты, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии переходных отверстий в массивах перекладин 5 × 5 на полученных пластинах (г), после травления собственным оксидом (д) и после переноса листа h-BN (е) ). ж, изображение оптического микроскопа готовой матрицы 1Т1М размером 5 × 5, то есть после переноса h-BN и нанесения верхних электродов. h: Кольцевое поперечное сканирующее просвечивающее электронное микроскопическое изображение клетки 1T1M в поперечном сечении в темном поле под большим углом. На вставке размером 20 нм × 16 нм показано ПЭМ-изображение поперечного сечения мемристора Au-Ti-h-BN-W на переходном отверстии; видна правильная слоистая структура h-BN. Масштабные линейки, d–f, 10 мкм; г, 25 мкм; ч, 600 нм.