（原标题：芯片材料，看好谁？）

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自从硅成为晶体管的首选材料，并进一步应用于集成电路后，编削材料的整合在鼓吹基于硅的器件发展中表现了要津作用。连年来，为了进步硅集成电路的性能，新材料得到了快速领受。为了保捏摩尔定律在“More Moore ”和“More than Moore”开发中的有用性，行业鼓吹了无数材料和编削工艺的筹商，并将其引入硅制造过程，从前端线到后端线（FEOL到BEOL）。这一共同奋发旨在增强狡计智商和功能，同期律例资本。将硅沟谈晶体管缩小到纳米级别面对着高大的挑战。新材料的出现，如过渡金属二硫化物、碳纳米管和金属氧化物等二维材料，为进一步的缩放使命提供了但愿。

跟着晶体管和互连续近其物理极限，这些材料通过不只独依赖硅并无意在较低热预算下齐备高性能器件的制造，提供了潜在的处罚决策。此外，这些手艺还不错在后端线（BEOL）中再行利用，为器件添加额外功能，同期减少全体器件的占大地积。近期的冲破，尤其是领受ALD金属氧化物（如In2O3）的高性能器件的成功展示，引发了平淡的高兴。处罚互连缩放问题相似充满挑战。

寻求具有低电阻率、在缩放尺寸下减少电搬动的材料，以及摒除或最小化艰辛层的奋发，有望缩小RC时辰延伸。非易失性存储器，尤其是铁电存储器，将从材料科学的进展中受益。诸如铪酸盐和通过电极堆叠工程增强钙钛矿材料集成手艺等新材料的编削，有助于现存铁电存储器的缩放。新材料的继续引入有望捏续鼓吹缩放奋发，并在翌日多年解锁电子开发的新功能。

前言

昔时七十年来，半导体行业取得了显耀的成功，从20世纪40年代末期的锗基晶体管到今天复杂的硅基集成电路的演变，展现了高大的逾越。这一进展收货于捏续的编削、对电子输运的深入结实和制造冲破，使得该行业成为现在最为复杂的行业之一。鼓吹这一成功的要津因素包括硅晶体管的引入、集成电路的发展、硅单晶孕育的缩放进展以及新材料的捏续整合等。这些材料使得无意在单片晶圆上制造出高性能、复杂的电路，包括逻辑、存储和模拟功能。

面前，行家每东谈主约有560亿个晶体管，自晶体管出身以来，行家分娩的晶体管总量仍是达到惊东谈主的1.3×1022个。尽管行业赶紧增长，但在器件密度缩放、功耗和热平静方面面对着高大的挑战。为了处罚这些难题，新材料四肢要津处罚决策之一，与电路遐想、光刻手艺的逾越（如浸没式、深紫外（DUV）和极紫外（EUV）光刻）以及晶体管三维结构（如FinFETs）相连合，得到了平淡应用。引入硅经由的新材料包括low k介电材料、领受含氮金属障蔽的铜布线、high K栅介电材料、新式金属栅材料以及用于应变工程的SiGe等。

这些材料不仅促进了硅器件的捏续缩放，还在减小气件占大地积的同期进步或保管了其性能。除了通过新材料进步单片器件外，异质集成（使用与硅基集成电路的热和结构不停不兼容的材料）也得到了显耀鼓吹。

这些奋发标记着行业在克服挑战、鼓吹挂牵存储、狡计、东谈主工智能、电力电子、传感器手艺以及模拟和羼杂信号器件方面的编削承诺。在昔时的二十年里，科学界主要集中于开发新材料和器件，以应答超越基于硅的互补金属氧化物半导体（CMOS）器件的“more moore”缩放问题，以及为“More than Moore ”手艺开发新材料和工艺。由于某些针对“More than Moore ”应用的特定器件与硅器件的制造不兼容，它们频繁会在封装层面集成，举例AlGaN/GaN；固然硅上GaN（氮化镓）提供了较低的资本材料，但由于GaN的高热预算和与硅材料集成的工艺蒙胧量较低，因此只可在封装层面与硅器件集成。

如若新材料基于的器件不错在硅器件制造经由中单片集成，况兼其性能无意等同或优于异质集成，那么这是愈加理思的。

在本文中，咱们将不盘问异质集成，因为这是一个畸形平淡且深入的课题，波及到无数的奋发，况兼除非在300毫米的分娩线上进行大领域震入手艺开发，不然像GaN、AlGaN、SiC、Ga?O?等需要在高温下孕育的三维单晶体材料短期内不太可能与通例硅经由集成。本文旨在探讨一些材料，尽管仍是引起了平淡温煦，但尚未绝对融入硅制造经由中。新材料引入硅器件制造经由频繁需要约10年的时辰，前提是关系的物理、化学和材料科学的基础学问已充分红立。

面前，很多材料系统正在被评估其是否适书册成到硅器件经由中，况兼不错用于各式功能，如沟谈材料、非易失性存储器、障蔽和布线等。这些材料包括：（1）二维材料（2dM），如石墨烯、过渡金属二硫化物（TMDs）和六方氮化硼（h-BN）；（2）单壁碳纳米管（SWCNTs）；（3）用于晶体管和铁电存储器的金属氧化物；（4）旨在替代铜嵌入互连的金属材料。

二维材料，像它们的三维同类一样，长久以来在电子学领域占据主导地位，包括绝缘体、半导体和金属。它们的带隙横跨电磁波谱，从六方氮化硼（h-BN）的约6eV到像过渡金属二硫化物（TMDs）这么的半导体，再到像石墨烯这么的半金属，最终是TMD眷属中的金属。它们的种种性使得它们在电子器件应用中尤其具有诱骗力，提供了将器件缩放到极限的处罚决策，尤其是在前端制造（FEOL）中，同期也有望在后端制造（BEOL）器件中进步功能性和性能。此外，它们还具有在最终齐备时无需依赖硅沟谈的寂寥应用后劲。值得着重的是，六方氮化硼通过进步石墨烯的载流子搬动率，显耀改善了器件性能，况兼还可能增强散热智商。

单壁碳纳米管（SWCNTs）也引起了半导体行业的温煦，因其可将晶体管缩放到硅晶体管的极限以外。与石墨烯不同，SWCNTs领有“可调带隙”以及高搬动率。然而，集成SWCNTs面对很多挑战，其中之一即是对王人碳纳米管的千里积问题。

尽管如斯，如若无意克服这些艰辛，潜在的上风将是高大的。

金属氧化物材料，如基于铪的high K栅介电材料、用于存储的high K介电材料、以及压电材料如PbZrTiO?（PZT），以及掺钕的PZT用于铁电存储器（FRAM），仍是四肢先进CMOS节点的栅介电材料和非易失性存储器（NVM）干预分娩。几个金属氧化物也正在斟酌用于电阻式非易失性存储器（NVM）器件。此外，最近报谈的原子薄的In?O?具有优异的晶体管特色，使其成为nFETs的可行选拔。

将这些材料集成到器件经由中，以替代硅晶体管，并在通例硅器件经由的BEOL中引入主动器件，代表了半导体制造中的一个范式转变，就像铁电当场存取存储器（FRAM）单元的引入一样，无意进步器件性能、齐备缩放、镌汰功耗、增多新功能，并有可能镌汰全体资本。将这些材料无缝地集成到现存的硅基工艺中需要仔细斟酌兼容性、工艺集成挑战以及对器件性能的全体影响。

除了晶体管，互连电阻和可靠性是高性能先进CMOS电路遐想的要津限制因素。跟着晶体管间距缩放接近极限，互连成为进一步电路微型化的主要推能源。现存的铜双嵌入金属化工艺在尺寸（接近10纳米）和性能上仍是接近物理极限。为了减少RC延伸，必须引入替代的金属化决策、金属和介电材料。

在接下来的部分中，咱们将盘问这些新材料的引入，它们的优过失，并提供一些对于它们在器件经由中引入的前程。

新兴晶体管沟谈材料

硅沟谈（Si channel）自半导体行业出身以来一直撑捏着所有这个词行业的发展，从平面晶体管到FinFET等三维晶体管。为了连接缩放集成电路以餍足性能和资本需求，现在必须探索超越硅FinFET的第三维度，透澈将晶体管与底层硅基底解耦。

半导体行业在20多年前仍是迈出了高大的一步，不仅替换了栅氧化物（SiO?、SiON），这一材料带来了高度可靠的晶体管，还在替代栅集成决策中替换了栅材料。现在，可能是时候替换沟谈材料了。与其他单晶材料肖似，在非晶或纳米晶基底或名义上孕育高质地的硅单晶瑕瑜常贫苦的。为了处罚这些挑战，需要在晶体管结构中引入新材料，举例图1所示的堆叠纳米带结构，或使用一维、二维或无定形材料的肖似结构。这些材料的使用无意增强对沟谈的静电律例，同期利用第三维度来减小气件的占大地积而不放手性能，并最终镌汰资本。

像过渡金属二硫化物（TMDs）这么的二维材料或像半导体单壁碳纳米管（SWCNTs）这么的单维材料原则上不错替代硅沟谈。低维材料在新式晶体管沟谈结构（如纳米带，图1）中的上风，开始于它们在单层或单管结构下独有的带隙结构和范德瓦尔斯键合特色。以TMDs为例，材料原则上不错以“单晶”体式回荡，而碳纳米管则可在高温下孕育后成列成纳米片。传统的三维材料无法作念到这一丝。

此外，最近的筹商标明，使用原子层千里积（ALD）无定形In?O?可为栅长约7纳米的n型FET提供优秀的特色。

图1. 堆叠多层纳米带集成决策

表1追思了本节盘问的几种沟谈材料的要津性质。每种材料在与硅沟谈偏执他材料的比较中都有其独有的优过失。值得着重的是，除了硅和碳纳米管以外，面前莫得任何单一材料能充分餍足CMOS器件制造中掺杂律例的要求。因此，半导体行业可能需要为n型和p型器件领受不同的材料，可能涵盖多种材料系统。

表1. Si、MoS?、WSe?和SWCNTs沟谈材料的基本物感性质比较

图2. (a) 单层MoS?纳米片器件的TEM横截面，栅堆叠绝对包裹沟谈，并通过能量色散X射线光谱测量相应的元素映射（g)-(e)。

A.

二维材料

二维材料展现出超卓的电学、光学、机械和热学特色，使它们成为很多电子应用的有前程候选材料。尽管二维材料（2dMs）仍是被筹商了数十年，但着实引起平淡温煦的是石墨烯的分离，这引发了东谈主们对半导体二维材料的高大兴趣。最杰出的具有带隙的二维材料包括过渡金属二硫化物（TMDs）、六方氮化硼（h-BN）和黑磷，每种材料都有独有的性能。很多综述著述详备探讨了二维材料在电子器件中的应用，杰出了这一领域继续发展的动态进展。

石墨烯四肢典型的二维材料，具有无与伦比的电导率，尤其是在与h-BN集成时，但其低的Ion/Ioff比使其四肢沟谈材料不具诱骗力。另一方面，石墨烯在集成光子学中已获取了相配多的筹商，尤其是用于数据通讯和电信调制器，因为其高空间带宽密度和低功耗。然而，对于晶体管沟谈，TMDs由于其高径直带隙和单层层级下的半导体特色，使其特等妥当用于领域化晶体管。这是因为其范德瓦尔斯键合特色带来的优异静电律例，可能导致低的名义态密度和高的Ion/Ioff比，因其高径直带隙。

然而，尽管它们有这些上风，很多挑战仍然限制了它们在电子器件制造中的立即应用。为了无意领受这些材料，必须处罚以下要求：1）高质地单晶；2）沟谈材料的掺杂和点残障律例；3）构兵电阻；4）介电材料的均匀律例千里积；5）沟谈材料的刻蚀，以低边际残障界说栅；6）金属千里积过程和清洗过程对沟谈材料的低毁伤/掺杂/混浊；7）低源/漏构兵电阻；8）CMOS器件的掺杂律例。

此外，从制造器具的角度来看，使用硫族化物材料将在可靠的高通量千里积器具的制造中带来很多挑战，这些器具需要具备餍足器件产量目的的粒子性能。

面前，正在奋发将MoS?和WSe?集成，以造成栅全包围晶体管，这是基于TMD的先进CMOS器件的另一种齐备决策，如图2所示；固然图2中的齐备使用的是MoS?，但WSe?的集成将肖似。

如若能在合理的热预算下，在硅基底上孕育300毫米直径的TMD单晶单层，将是一大上风。频繁，高质地的TMDs是在前端工艺（FEOL）热预算下孕育的，温度高达1000oC，以便孕育大单晶。将TMDs单晶单层在高温下孕育在像蓝坚持这么的基底上的上风在于，这些薄膜频繁具有更高的质地，然后需要将薄膜回荡到所需基底（如硅）上，且回荡过程需要低温。尽管单层材料的回荡工艺取得了进展并赶紧发展，但它们还未成为主流。

此外，最近的叙述标明，低于400oC的低温孕育可获取均匀性邃密的纳米晶单层MoS?薄膜，但驱动电流较低，大要为10μA/μm；MoS?集成到BEOL中的走漏图如下所示。

图3. 从硅BEOL工艺发轫的TMD在硅上的异质集成经由走漏图， 起初为已制备好的硅CMOS器件。

尽管率先行者动电流可能未达到预期水平，但仍然有可能开发出利用其可制造性的集成决策，适用于某些利基应用。

另一种正在评估的替代方法是通过挑升遐想的异质成核位点选拔性地孕育过渡金属二硫化物（TMDs）。如若无意开发出合适的先行者体来千里积纯洁的TMD（即最小化先行者体碎屑），这一方法有望处罚晶体质地和回荡挑战。迄今为止，MoS?是筹商最多的TMD材料，已被发现畸形妥当n型MOS晶体管，但尚未展示通过掺杂齐备p型MOS MoS?器件。

另一方面，WSe?已被阐述表现出p型MOS活动，这使得它在CMOS器件的制造中具有潜在的应用；然而，尚未为这两种材料齐备实足低的构兵电阻（参见表1，表1追思了本节将盘问的沟谈材料的基人性质）。每种材料在与硅沟谈偏执他材料的比较中都有其优过失。

值得着重的是，除了硅和单壁碳纳米管（SWCNTs）以外，面前莫得任何单一材料无意充分餍足CMOS器件制造中的掺杂律例要求。因此，半导体行业可能需要为n型和p型器件领受不同的材料，可能涵盖多种材料系统。但愿这一发展蹊径图无意尽早齐备。

由于TMD材料不错在低温下孕育，尽管是纳米晶材料，正如Zhu等东谈主所示，它们在BEOL中的集成用于逻辑、模拟、存储、光源和传感器开发的可能性较大。然而，这些器件的性能最终可能会受到残障的限制，举例晶界等，这些残障经常导致载流子散射，并影响掺杂及掺杂律例。在TMDs无意引入硅开发经由之前，必须处罚TMDs的结构问题、构兵电阻、选拔“更好”的p型MOS材料以及介电材料的均匀千里积问题。一朝这些问题得到处罚，刻下趋向较低的驱动电流可能会增多，从而可能简化全体集成过程，即减少栅全包围齐备中所需的带数（如图1或图2所示）。

B.

单壁碳纳米管（SWCNTs：Single-wall carbon nanotubes ）

单壁碳纳米管（SWCNTs）仍是被筹商了近三十年，但由于平面硅基晶体管的优胜可扩张性、FinFET的引入以及SWCNTs面对的很多挑战，特等是对王人问题，使得其在硅器件经由中的集成变得贫苦。现在，跟着硅器件接近其天然的缩放极限，尽管面对很多手艺难题，SWCNTs变得越来越有诱骗力。此外，由于需要在第三维度中集成高性能晶体管，SWCNTs可能成为一种可行的决策。

然而，SWCNTs与TMDs分享一些相似的挑战，尤其是千里积和构兵电阻问题。SWCNTs的基人性质无疑优于TMDs，因为它们具有更高的化学和热褂讪性，以及更高的热导率。为了提高可靠性并缩小热门效应，热治理需要在电路和晶体管器件级别进行集成。由于SWCNTs具有极高的热导率，因此其应用对于热治理至关伏击。另一方面，TMDs具有更高的Ion/Ioff比。

面前，似乎有更多的资源被干预到TMDs的集成中，因为它们的千里积条目与行业熟习的工艺更为兼容。领受纳米带结构不错使TMDs和SWCNTs的引入险些无缝集成，无论是先引入TMDs照旧SWCNTs。SWCNTs的主要挑战，除了确保可靠供应高度纯洁的（具有特定手性和半导体性质的SWCNT，纯度达到7至9N）材料外，还包括对王人和构兵电阻。对王人是限制SWCNTs高性能的最主要因素。

Yu等东谈主展示了成功集成无举升过程（lift-off free process），使得SWCNTs无意在BEOL硅CMOS经由中使用。尽管集成成功，但由于枯竭对王人的SWCNTs，未能充分表现对王人SWCNTs的后劲。因此，要齐备SWCNTs的最好性能，要津在于处罚对王人SWCNTs的制造问题。

图4. 构兵金属化经由

图5. 顶栅FET的横截面走漏图（a）沿沟谈长度（a）和沟谈宽度（b）。在图案化微滴阵列上制成的顶栅器件的AFM图像（c）和在全疏水阵列上制成的AFM图像（d）。冠军图案化微滴阵列器件的输出弧线（e）和回荡弧线（f, g），沟谈长度为60 nm。比较在LCh = 80 nm下，VD = ?0.6 V时，领受全疏水阵列（红色）和图案化微滴阵列（玄色）的器件ID（h）和gm（i）图。图（d）中的神志范围为60 nm，适用于（c）和（d）。

对于SWCNTs对王人的文件相配丰富，很多履行室级筹商已标明，对王人的SWCNTs具有比等效硅晶体管更优胜的基本器件特色，且彰着优于未对王人的SWCNTs，Yu等东谈主也有关系报谈。这与其他来自好意思国、中国的筹商使命相一致，标明适合答王人的SWCNTs已齐备了难以冷落的性能水平，四肢翌日沟谈材料具有高大的后劲。图6自满了不同材料的平面器件在构兵栅间距（Si器件）和沟谈长度（Lch，其他材料）下的驱动电流比较。频繁，SWCNTs和In?O?的开启电流与硅竞争，且具有不错集成到BEOL中或四肢图1中所示纳米带结构一部分的上风。然而，这仅仅必须餍足的盛大要求之一。

图6. Ion与节点和Lch（Si的节点，其他材料的Lch）的比较，阔别为Si-MOS、MoS2（nFET）、WSe2（pFET）和In2O3。

对于p型FET SWCNTs，量子电阻限制值Rc约为6kΩ/SWCNT，在低温下仍是齐备，使用了10 nm宽的侧构兵。这一演示为SWCNTs在内容器件经由中的集成提供了可能。然而，低n型构兵电阻仍需进一步展示和改造。尽管高性能逻辑应用的构兵电阻需要与硅竞争，但对于模拟应用则不同，因为模拟应用的构兵长度可能会大得多，最小构兵长度可达到100 nm独揽。

除了选拔构兵金属外，SWCNT名义清洗也极为伏击。频繁使用有机分子来操控和转变SWCNT名义，以齐备手性选拔和对王人。这些有机分子在器件制造过程中并未绝对去除，它们的存在不仅增多了构兵电阻，还可能通过电荷散射镌汰沟谈的搬动率。金属（如钇）与石墨烯和SWCNTs名义残留物的反应被用来“清洁”SWCNT名义，以镌汰Rc。通过金属构兵与SWCNT的杂化（构兵长度大于8 nm），也齐备了构兵电阻的进一步镌汰，适用于领域化晶体管。

由于SWCNT的孕育过程、纯化过程以及SWCNT直径/带隙选拔仍是被很好地结实，主要挑战是领域化器件的构兵电阻以及SWCNT在手艺上关系的晶圆上的对王人。因此，成立一个无意确保材料和器具可靠供应链的生态系统，以支捏基于SWCNT的器件和产物制造，是至关伏击的，唯独这么SWCNTs才会在逻辑和模拟应用中得到平淡领受。

抽象来看，由于较大的可情愿构兵面积，SWCNTs可能最先在模拟经由中被领受。尽管存在这些艰辛，SWCNTs的独有性能为晶体管手艺的领域化提供了高大的后劲，并为电子学开辟了新的可能性，尤其是在处罚了构兵电阻和对王人等难题后，不错齐备逻辑领域化（More Moore）以及模拟器件领域化（More than Moore）应用。

C.

金属氧化物

金属氧化物，尤其是过渡金属氧化物（MOx——其中M不错是Ti、Hf、Zr、Mo、Co、Ni等），因其在非易失性存储（NVM）应用中的后劲而受到温煦。这些氧化物由于其较小的物理占大地积，况兼与现存的半导体制造工艺兼容，具备了高密度存储的后劲，使它们成为下一代存储手艺的有前程的候选材料，旨在增多存储容量并减小开发尺寸。然而，这些材料在NVM制造中的应用尚未平淡实行。

与依赖外部造成丝状结构的金属氧化物不同，铁电材料具有自愿的电极化，且不错通过施加电场回转电极化现象。这一特色使得它们无意保捏其电极化现象，因此适用于非易失性存储应用。铁电当场存取存储器（FRAM）已发轫使用PbZr???Ti?O?四肢存储介质，利用铁电材料的电极化现象来走漏存储数据，从而齐备快速的读写操作。与传统存储手艺比拟，FRAM具有高速操作、低功耗和高历久性的上风。下一节将对这一手艺进行更深入的盘问，铁电材料将在接下来的部分中更详备地探讨。

在用于晶体管的多种材料中，In?O?因其在薄膜晶体管（TFT）材料（如InGaZnO）中的平淡应用，正在成为BEOL（后端工艺）晶体管以及可能的缩放逻辑晶体管和存储器的有前程的材料。普利策大学的Ye团队叙述了在低温下通过原子层千里积（ALD）制备纳米薄层In?O?。

迄今为止发布的数据标明，所制备的器件具有超卓的性能和可接受的可靠性。这些令东谈主印象深入的器件特色标明，原子层千里积的In?O?表面上不错用于FEOL（前端工艺）和BEOL晶体管，况兼在可制造性准备度、构兵电阻和驱动电流方面具有彰着的上风。将该材料整合到Si工艺中的主要上风包括：1）与Si工艺兼容，2）构兵电阻极低，3）高驱动电流，4）畸形高的Ion/Ioff比（>101?），5）尺寸可缩放性，6）高带隙（见表1）。其过失包括：1）面前尚无浮现的pMOS开发齐备旅途，2）该材料的热导率畸形低，尽管很多模拟开发仅使用单一沟谈类型。

在将任何新材料引入Si制造环境时，总会遭受一些挑战，固然过程可能较为轻佻，但材料因素、掺杂和残障律必然须精准律例和优化；这些参数会影响构兵电阻、沟谈搬动率和律例（消费模式或增强模式）。左证面前可获取的数据，ALD In?O?是一个不错斟酌用于FEOL和BEOL器件以及存储器的选拔。

铁电材料在先进存储中的应用

铁电材料几十年来一直受到存储应用的温煦，最早是使用钙钛矿结构的铁电材料，如PbZr???Ti?O?（PZT）用于铁电当场存取存储器（FRAM）。尽管基于PZT的存储器开发仍是进入分娩，但其应用尚未平淡实行，主要原因是缩放性挑战。

昔时十年，跟着（掺杂）铪酸盐的铁电正交相的发现，铁电材料在存储手艺中的兴趣再次复苏。由于铪酸盐比PZT更薄，且不错通过原子层千里积（ALD）在BEOL热预算下千里积，因此它们在可扩张性上相较于PZT具有显耀上风。然而，仍然存在一些限制其进入制造的挑战。尽管如斯，针对这一手艺的其他材料类别的引入仍在再行奋发，下一节将盘问这些材料的进一步发展。

铁电存储应用不错分为两种主要的器件类型：铁电场效应晶体管（FeFET）和用于FRAM的一晶体管一电容（1T1C）器件架构，频繁用作非易失性DRAM的替代品。在FeFET器件中，铁电材料替代了典型CMOS晶体管结构中的栅介质。这允许外部电压关闭，同期保捏比特的现象，因为铁电材料的极化现象（进取或向下）是褂讪的（但可切换的），从而造成与矫顽场（Ec：coercive field）成比例的存储窗口。1T1C FRAM器件的存储单元由铁电电容和表率接入晶体管构成。

铁电现象决定了与电容器关系的电荷，并影响接入晶体管给出“1”或“0”的现象，因此在这种情况下，存储窗口与剩余极化（Pr）成比例。因此，每种器件类别所需的铁电特色不同。也即是说，对于FeFET而言，需要较高的Ec以获取邃密的存储窗口，而Pr不错小到中等；对于FRAM而言，较高的Pr和较低的Ec更为理思，无意松驰切换现象，同期猛烈影响接入晶体管。

D.

基于Hf???Zr?O?的铁电材料

氟石结构的铪锆氧化物（Hf1??Zr?O?，简称HZO）被以为是用于铁电器件的有前程的材料，具有低操作电压和纳秒级开关速率，因此无意齐备能效操作。此外，HZO在制造过程中的上风在于其在低厚度（<10 nm）下的化学褂讪性和对降解的抗拒力，以及与CMOS工艺的高度兼容性。此外，HZO是面前唯独报谈无意在如斯低的厚度下齐备高历久性器件轮回次数卓绝1012次的材料。

铁电反馈依赖于HZO薄膜中铁电正交相（o）与非铁电四方相（t）或单斜相（m）之间的比拟率。尽管m重复常被以为在所有铪酸盐相中是最热力学褂讪的，但由于退火和冷却过程中存在的能源学效应，t/o相不错被褂讪化。据信，在孕育态下，t/o相的核会在退火过程中结晶为t相，并在冷却过程中转变为o相，而t/o和m相之间的大能源学艰辛则扼制了m相的演化。通过将Hf替换为Zr偏执他掺杂物，不错改善HZO中o相的褂讪性，同期还需要律例诸如晶粒大小、应力和氧空位等因素以齐备这一褂讪性。

对于工业应用，必须确保在制造过程中，BEOL的兼容性，即工艺温度应≤400°C。然而，由于热预算可能相对不及以绝对结晶，这可能导致电气性能（剩余极化和历久轮回值）下落，如图7所示。这可能归因于低温下晶粒尺寸增多和随后t相向o相转变的有限性，导致HZO薄膜中o相的比例减少，如图8所示。此外，在低温工艺中引入的掺杂物可能进一步不容结晶并中断晶粒孕育。因此，在有限的热预算范围内进行全面的筹商是必需的。

图7. 前东谈主筹商中领受TiN/HZO/TiN结构的铁电电容器的2Pr vs. 历久性轮回图。

图8所示。在HZO热力学相图中绘图出HZO晶粒孕育活动走漏图是齐备HZO充分铁电反馈的必要条目。

在这个布景下，界面工程不错四肢一种可行的处罚决策，通过在HZO和顶部/底部电极（频繁是TiN）之间插入功能层来褂讪o相。底电极和HZO层之间的种子层不错通过模板效应影响HZO的成核和孕育活动。举例，TiO?种子层不错促进La掺杂HZO在垂直方进取具有o(002)取向，这故意于在施加电场下的铁电反馈，同期扼制TiN底电极过度吸氧，这是t相褂讪化的原因之一，频繁奉陪较低的驱动剩余极化。通过界面工程，在2D电容器中使用金属有机基（Hf/Zr）先行者体相助TiO?种子层和Nb?O?帽层，成功齐备了厚度为6.5nm的HZO的约66.5 μC/cm2的双剩余极化（2Pr），但历久性仅限于3×10?次轮回。

此外，作家利用氯化物（Hf/Zr）先行者体，在1011次轮回后齐备了约30 μC/cm2的2Pr高历久性。在这两种情况下，Nb?O?帽层起到了氧源的作用，增多了o相的含量，与单层La掺杂HZO比拟。最近，Walke等东谈主通过使用沟通的三层堆叠（氯化物（Hf/Zr）先行者体）在3D电容器上进行后续筹商，展示了在1012次历久轮回后，2Pr值保捏为26 μC/cm2，且具有BEOL兼容性。

Okuno等东谈主展示了一个1 Mb HZO基1T1C FRAM阵列，领受基于6 nm厚HZO的3D电容器并在1.8 V使命下，无意自满出1011次轮回的历久性。Ramaswamy等东谈主叙述称，领受1.5 V使命电压、5.7 nm厚HZO的情况下，2Pr值为55 μC/cm2，况兼在1012次历久轮回后保捏不变。尽管该使命莫得详备证明加工条目，但强调了电极和界面工程、因素优化及结晶退火在齐备高极化和历久性方面的伏击性。这些基于HZO的堆叠在第一个双层32 Gb非易失性动态当场存取存储器（NVDRAM）中得到了径直应用，这是面前为止容量最高的1T1C结构存储器。

总之，抽象筹商斟酌相演化机制以及电气决策，对于进一步的工程化至关伏击，举例缩小物理厚度并齐备低操作电压以适合工业应用。尽管早期筹商提到，由于与钙钛矿材料比拟，铪基铁电材料的Ec相对较高，因此难以使用，但这一过失是不错绕过的。最近的进展标明，HZO薄膜的隆重可扩张性可达到5-6 nm，可能有助于低电压操作，如上所示。这些最新筹商标明，氟石结构的HZO在齐备高剩余极化、历久性和低矫顽场方面，仍有空间，且在BEOL兼容的存储应用中表现出后来劲尚未达到极限。

A.

超越铪铁电材料：钙钛矿的恢复？

在1T1C类型的结构中，将电容器置于BEOL中的可能性为更多异质材料的使用掀开了大门。频繁，这些材料是单一相材料，显耀减少了多相铪酸盐的叫醒效应。将这些材料集成到BEOL中，还能减少使用新材料时所要求的混浊律例，较FEOL的要求愈加宽松。放宽BEOL的混浊要求使得其他材料类别的引入和使用成为可能。

自从最近发现Al???Sc?N具有极高的剩余极化性以来，对于闪锌矿（wurtzite）结构材料的筹商备受温煦，且其低介电常数和与制造工艺的兼容性增强了其在FRAM应用中的前程。该材料类别的铁电性源于基材（如AlN）和复合材料（如ScN）的闪锌矿结构与岩盐结构之间的结构性摩擦，这减少了肇端压电材料的矫顽场，使其低于介电击穿的阈值。存在一个因素范围，在该范围内，摩擦效应产生作用，低于该范围时，矫顽场高于击穿点。

卓绝此范围后，材料会发生结构性转变，铁电性不再存在。尽管已阐述该材料在厚度缩减到几纳米时仍能保捏铁电性，但频繁需要使用应变工程等复杂的千里积决策智力齐备这一丝。尽管这些决策为该新材料类别的基础筹商提供了可能，但它们尚未准备好集成到内容的存储器器件分娩经由中。

通过在开发兼容堆叠中使用Al???Sc?N，已阐述其厚度不错缩减至15纳米。然而，由于高走电流，低于该厚度时未不雅察到铁电性123。该材料类别中的极化回转化制需要所有这个词原子平面相对于另一个平面的位移。在如Al???Sc?N这么的氮化物中，氮原子平面通过金属平面出动，位于两种极化现象中的上方或下方。这导致了高开关能量艰辛，从而产生极高的矫顽场Ec。此外，要求全体原子平面而不是单元晶胞中单个离子的位移，这与大多数铁电材料不同，扼制了铁电畴的造成，饱读舞造成单一畴结构。这可能减少器件之间的可变性，但高Ec会扼制存储现象的切换，要求较大的操作电压。在切换过程中，氮空位频繁会在界面处生成，导致界面处的带隙出现阶跃效应。这一过程增多了走电流，从而减少了电容器的历久性。

通过应变工程方法，在Al???Sc?N中已将Ec值从约6 MV/cm镌汰到约4 MV/cm。在闪锌矿氧化物中也已阐述铁电性，并具有内在较低的Ec值，但仍在几个MV/cm的量级。在像铪酸盐或闪锌矿等材料中应瞻望会有较高的矫顽性。为了将Ec值降至低于介电击穿，频繁需要掺杂，这经常会导致由于Ec接近介电击穿，从而在极化切换中产生较差的轮回历久性。面前，将这些材料集成到FRAM结构中仍然面对较高的挑战，尤其是在保捏高矫顽性和历久性方面。

钙钛矿铁电材料自己具有铁电性，无需掺杂。在某些钙钛矿材料中，如BiFeO?，其铁电反馈的特征是具有高剩余极化（Pr）和低矫顽场（Ec），且具有最小的叫醒效应和较长的轮回历久性。这些特色源于轻佻的铁电切换机制。其中心阳离子相对于氧八面体的位移（低于居里温度时）会造成一个非中心对称结构，频繁具有多个极化轴且易于切换。第一个FRAM器件便利用了这些上风，领受了钙钛矿PZT，并使用Pt、Ir和IrOx等金属电极。

此外，使用纹理化或单晶SrRuO?电极使得筹商东谈主员无意展示PZT在约15纳米厚度下的高剩余极化。然而，高温千里积过程以及枯竭新的ALD化学方法来在三维结构上千里积PZT，限制了PZT在130纳米节点以下的集成。为了将PZT缩放到更先进的节点，需要进行更大的投资。其时千里积工艺的局限性导致东谈主们以为这些材料在制造所需的多晶层中存在较高的缩放极限，在此极限下铁电性会丧失。氧空位、应变梯度和较差的晶体质地导致了电气领域条目外的无数死层，不容了低厚度下的铁电性。天然，像电静死层这么的内在因素无法克服，但也有很多外部因素不错显耀减少。

如今，对于这一材料类别的FRAM应用筹商再行受到温煦。2004年，曲折不雅察到BaTiO?具有铁电性，厚度达到1纳米，2005年通过极化-电压测量径直不雅察到铁电性，厚度达到5纳米。然而，这些示范是在单晶SrTiO?衬底上使用SrRuO?电极的外延薄膜中进行的；这些工艺和衬底与硅器件经由不径直兼容，因此很难复制。

对于FRAM应用，其中铁电电容器被搁置在BEOL中，薄的多晶层更为理思，因为它简化了集成。然而，在这种层中，充分利用材料的铁电反馈畸形贫苦，主要原因在于极化轴相对于施加电场的处所分散，这可能会使铁电切换反馈变宽。尽管如斯，这在具有多个极化轴的钙钛矿材料中问题较少，而在仅具有单一极化轴的铪酸盐或闪锌矿材料中问题更为严重。

此外，在多晶层中，晶体和微结构残障的密度频繁高于在单晶SrTiO?衬底上孕育的外延薄膜中，这些残障会引入应变梯度，进一步扩大铁电反馈。斟酌到这些因素，特等是在试图缩放器件尺寸时，这对多晶材料尤其伏击。最新筹商仍是通过脉冲激光千里积演示了多晶铁电BaTiO?的厚度缩减，如图9所示。

这通过通过操控孕育能源学和应变工程优化材料质地来齐备。最大化这些材料中的氧含量对于减少走电和确保单元晶胞的静电学得以保捏至关伏击。这必须在同期优化孕育能源学以最小化残障密度和应变梯度的同期进行。与所有铁电材料一样，应变是一个极其伏击的参数，不错通过千里积参数和模板层选拔进行转变；仅1%的应变就能使居里温度变化数百度。底电极堆叠竖立也畸形要津，不仅要转变应变现象，还要律例功函数。钙钛矿材料频繁具有较低的带隙，因此需要优化电极以提供低走电构兵。诸如LaNiO?、La???Sr?MnO?和SrRuO?等钙钛矿电极材料是很好的候选材料，因为它们除了具有邃密的电子性质外，还能为铁电材料提供邃密的模板作用。此外，这些材料是在强氧化条目下孕育的，因此底电极堆叠还需要具备氧障蔽特色。通过在优化的电极堆叠中孕育一层氧化邃密的材料，成功齐备了这一钙钛矿铁电材料的模板化和缩放。

尽管基于BaTiO?的铁电薄膜畸形有前程，况兼已平淡用作存储手艺的模子，但它们的剩余极化（Pr）对很多应用来说仍然过低。然而，刻下的结实可能适用于其他钙钛矿铁电材料，如具有更高Pr的BiFeO?。进一步优化电极堆叠是必需的，且回荡到制造工艺中将面对挑战。钙钛矿的ALD千里积过程较为复杂，特等是在化学计量律例方面，这使得其在3D电容器中的集成变得贫苦。

利用物理气相千里积的非一致性千里积不错简化化学计量律例，但将器件架构限制为仅使用2D电容器。这缩小了钙钛矿铁电材料的选拔范围，因此引入铁电钙钛矿材料成为愈加贫苦的任务。新材料将必须被发明出来。然而，最终的答复可能是使用单相铁电材料的超高性能FRAM，这种材料无意齐备快速叫醒和极长的历久性。

高等互连的编削导体

今天，互连电阻和可靠性是高性能先进CMOS电路的主要限制因素。跟着晶体管险些达到了缩放极限，互连缩放仍是成为电路袖珍化和功耗的主要驱动因素。面前的铜双重切割金属化决策在接近10纳米的要津互连尺寸（线宽）下变得越来越具有挑战性。为了处罚这些问题，必须引入替代金属化决策以减少RC延伸。

铜金属化的一个挑战是，跟着尺寸的减小，线和通孔的电阻（每单元长度）继续增多。电阻的增多源于线或通孔截面的缩小（这是不可幸免的），但由于界面和/或晶界散射的孝顺在小尺寸下急剧增多，这一问题进一步加重。因此，寻找替代导体的筹商集中在对界面和/或晶界散射的明锐性较低的金属上，即那些具有较短载流子开脱程的金属。

此外，可靠的铜基互连操作需要艰辛层和衬底层，以齐备10年介电击穿和电搬动寿命。这些艰辛层和衬底层的厚度不可无穷减小，不然将失去功能，因此它们占据了线体积的越来越大部分，同期对导电性孝顺甚微。不需要扩散障蔽层且电阻率低于铜的替代金属无意填充所有这个词线体积。临了，新的金属也不错齐备新的集成决策，如半双重切割金属化，这可能克服刻下双重切割集成决策的缩放限制。

接下来，咱们将盘问基于元素金属和合金金属以及石墨烯与石墨烯-金属羼杂材料体系的先进互连新式导体的筹商近况。

A.

替代金属：元素金属与金属间化合物

使用特定金属制造具有10纳米金属半周期（线宽）的缩放互连是一项相配复杂的任务，且需要开发多个工艺方式。因此，初步选拔有前程的金属是基于一组启发式表率，既斟酌电阻率，又斟酌小尺寸下的可靠性。由于电阻率对晶粒大小或线尺寸的明锐性取决于金属的内在开脱程，瞻望开脱程较短的金属在缩放互连中表现会更好。然而，较短的内在开脱程也会导致较高的电阻率，因此必须斟酌电阻率/开脱程之间的量度。

有筹商建议，金属的电阻率妥协脱程的乘积（ρ?×λ）四肢金属的一个性能目的（FOM），特等是因为ρ?×λ不错通过第一性旨趣方法高效狡计，从而齐备平淡的金属筛选。然而，仅使用ρ?×λ可能会导致误选那些具有较大体积电阻率和极短开脱程的金属，这些金属在极小尺寸下才具有竞争力的电阻率，因此频繁会辅以体积电阻率ρ?四肢第二个表率来选拔金属。

为了评估可靠性，咱们频繁会温煦金属的内聚能或熔点。耐火金属以其对电搬动的抗拒力而闻名。此外，高内聚能无意缩小金属零碎和扩散到周围介质中的问题，从而减少对扩散艰辛层的需求。这一方法仍是扩张到薄膜或缩放导线的应用。贵金属的一个过失是与介质的粘附性较差，但通过使用超薄粘附层（如TiN），其粘附性不错显耀改善，厚度以致不错低至0.3纳米141。

从这些筹商中，最具前程的替代金属被笃定为Co、Ni、Mo、Rh、Ru和Ir。尽管Co仍是被集成到交易CMOS电路中，但它需要扩散艰辛层，因此不太理思。比拟之下，Mo和Ru不需要扩散艰辛层，况兼在缩放尺寸下具有较低的电阻率。这些金刺面前是扩张金属半周期（线宽）到8纳米，以致可能更小的互连金属化决策的领先者。

除了元素金属，筹商还扩张到二元金属。二元其时局金频繁表现出较大的无序性，况兼具有较高的电阻率，远高于其元素因素的电阻率。面前，兴趣仍是转向有序的金属间化合物，特等是铝化物金属间化合物。然而，针对元素金属开发的筛选方法在很多合金的体积电阻率了解不及的情况下受到限制。因此，初步筛选仅基于ρ?×λ乘积和狡计的内聚能。图10自满了基于铝的金属间化合物的效果。几种铝化物表现出比铜更有前程（较低的ρ?×λ，较高的内聚能），尽管小数数化合物无意与Ru竞争。

图 10. 性能目的 p?×λ与内聚能的关系，（a）单一元素金属139，（b）铝化物与铜和Ru的对比。

从履行角度来看，有序的金属间化合物比拟元素金属具有额外的挑战。对于NiAl，已有筹商标明其电阻率与构成关系密切，尤其是在体积电阻率ρ?实足低时（图10a）。进一步的薄膜履行标明，特等是一些铂族金属在10纳米以下的薄膜中自满出比铜更低的电阻率，尤其是在斟酌到需要确保可靠性的TaN艰辛层时。尽管这些金属具有较高的熔点和耐火性，但铂族金属如Ru、Rh或Ir在约420°C的BEOL兼容温度下（部分）再行结晶。这不错用于获取较大的晶粒，以致在薄膜中也能减少晶界散射，后者频繁主导薄膜的电阻率。

对于金属间化合物，如Al?Sc，如若枯竭实足的构成律例，可能会发生相分离和二次相的造成，这会导致微不雅结构降解并与单元工艺方式（如刻蚀或清洗）不兼容。因此，将金属间化合物径直集成到缩放互连中仍然需要基础性的冲破。面前，NiAl被以为是最有前程的金属，尽管仍然面对很多挑战，且尚未展示出其在性能上卓绝Ru的例证。

除了二元金属间化合物，连年来三元金属间化合物也得到了温煦。由于潜在候选材料的数目高大，且对其性质的了解极为有限，平淡的系统筛选方法变得贫苦；因此需要使用组合方法来选拔材料。因此，筹商面前专注于特定类别的三元金属。一个例子是所谓的Mn+1AXn材料，它们是层状碳化物或氮化物陶瓷。这里，M是（早期的）过渡金属，A是A族元素，X则是C或N。一些MAX材料，如Cr2AlC，具有邃密的导电性，尽管具有较大的各向异性。尽管某些MAX材料的平面电阻率约为10 μΩ·cm或更低，但其垂直处所的电阻率不错高出几个数目级。

因此，领受这些材料四肢互连材料将需要额外律例薄膜和导线的晶体取向。因此，需要造成具有超低密度错位晶粒的高纹理结构，可能在三维中均匀地齐备这一目的将是一个吃力的任务。其他被提议可能具有后劲的三元材料类包括德拉佛斯合氧化物或含稀土的硼化物。进一步的材料类，具有最终可缩放互连后劲的可能是单维金属或拓扑Weyl半金属。尽管这些方法距离内容应用还很远处，但这标明该领域畸形活跃，况兼新材料的筹商管谈已为翌日多个手艺世代作念好了准备。

B.

石墨烯和石墨烯-金属羼杂导体

除了元素金属和合金金属外，石墨烯被提倡四肢一种互连材料，以取代翌日手艺节点中的铜。然而，石墨烯的电导率受到其类型和掺杂的限制。枯竭电荷载流子限制了纯石墨烯在翌日互连中的应用。另一方面，耐火金属如Ru、Mo、W，也被笃定为铜在10纳米金属半周期以下互连的替代材料，如上所述。对Ru的反应离子刻蚀不错齐备半双重切割金属化决策，其中晶界散射成为互连线电阻的主要孝顺因素之一。这种半双重切割决策不错通过造成石墨烯-金属羼杂互连来进一步镌汰线电阻，从而齐备侧壁构兵石墨烯的集成。

通过DFT狡计，已阐述Ru在模拟的金属中提供了最好性能，从而齐备了侧壁构兵电阻的减少。对多层石墨烯封装Ru薄膜的片电阻评估标明，与未封装的Ru薄膜比拟，片电阻减少了约10%-20%（见图11a）。由于Ru晶粒增大，较厚的Ru薄膜自满出答复递减怡悦，且Fermi能级下落0.5 eV，标明石墨烯受金属指令的p型掺杂作用。该电阻减少的提倡机制是，石墨烯扼制了Ru薄膜中的散射机制，或者两种导体并独揽命以镌汰电阻。

图11.(a) 不同钌（Ru）厚度下裸钌和石墨烯包覆钌的电阻率测量(b) 使用石墨烯和氮化硼（h-BN）四肢铜（Cu）障蔽的寿命预测(c) 2D障蔽和少层石墨烯的铜障蔽性能(d) FeCl3插层石墨烯的透射电子显微镜（TEM）和能谱（EDS）映射

这些履行是在单层石墨烯-金属羼杂物上进行的，但使用少层石墨烯的羼杂结构可能由于全体电荷载流子的增多而提供电阻镌汰。然而，由于电荷屏蔽效应和层间电阻导致金属指令掺杂减少，少层石墨烯-金属羼杂物的有用性可能受到限制。尽管如斯，在薄膜履行中，使用在Ru上千里积的少层石墨烯比单层石墨烯具有电阻上风。

与大面积薄膜履行不同，石墨烯-金属羼杂物的集成面对一些挑战；最先，石墨烯千里积温度需要低于400°C，同期保捏均匀性和低残障密度。其次，石墨烯必须选拔性地孕育在Ru的侧壁上，以幸免相邻金属线之间的短路或走电旅途。临了，它必须与创建多层金属的工艺兼容，无论是通过氧化物填隙照旧气隙手艺。前述挑战已成功处罚，为石墨烯-金属羼杂物在300毫米晶圆上的集成提供了进一步筹商的基础。将石墨烯集成到半双重切割Ru互连中的另一种方法可能是在Ru层之间创建石墨烯层。

然而，当Ru千里积在石墨烯上时，初步薄膜测试标明，与纯Ru薄膜比拟，金属-石墨烯羼杂物的电阻有所增多。这不错归因于薄膜湮灭不及和Ru晶粒较小。因此，要齐备Ru在石墨烯上的优胜孕育，以促进结构的创建并镌汰电阻，仍然是一项具有挑战性的任务。

使用石墨烯的上风不仅限于半双重切割金属化决策，传统的双重切割铜集成也不错使用石墨烯四肢扩散艰辛层，以回绝电子搬动。使用回荡的石墨烯艰辛层的铜线的时辰依赖介电击穿（TDDB）测量标明，与未使用艰辛层的对照样品比拟，寿命提高了470倍，如图11b所示。然而，石墨烯在BEOL兼容温度下孕育四肢铜艰辛层并未取得理思的效果，因为其晶粒较小且残障密度较高（见图11c）。通过使用Cu/Co/石墨烯堆栈并改善石墨烯的粘附性，寿命有可能得到提高。原子级薄的石墨烯层有助于减小全体艰辛层厚度，这亦然铜基互连进一步缩放的限制因素之一。尽管DFT狡计预测石墨烯将是邃密的艰辛层，但在BEOL温度下孕育低残障密度且无晶界或点残障的石墨烯仍然极具挑战性。

另一种方法是通过插层石墨烯来增多载流子密度。最近，通过用FeCl3插层石墨烯，得到了比铜更低的电阻率，如图 11d 所示。插层物资无意保捏石墨烯的狄拉克圆锥，同期转变费米能级。然而，插层石墨烯的构兵电阻仍然是一个挑战，不错通过选拔 n 型插层物种来改善。另外，基于铁的插层剂因混浊问题无法在硅器件经由中集成。

总之，上述潜在替代金属的例子明晰地标明，互连金属化是一个畸形动态的领域。由于互连线的器件编削已受到限制，刻下的要点是新材料，很多元素金属、化合物金属或复合金刺面前正在筹商中。然而，必须提到的是，前线仍然有很多挑战。很多新金属比面前使用的铜愈加复杂，需要额外的构成律例、无序度镌汰或元素特定的名义化学等挑战。因此，集成这些新金属到内容的步履化互连中，很多工艺编削（如清洗、刻蚀或抛光）是必需的。

为了齐备这一丝，必须尽早缩小潜在金属的范围。除了金属，改造互连介质材料亦然至关伏击的。空气裂缝不错减少电容，但也会镌汰芯片的机械褂讪性。此外，互连介质材料的热导率变得越来越要津，因此，具有较低介电常数和较高热导率的材料将瑕瑜常有诱骗力的。

氮化硼无定形（α-BN）可能即是这么的材料。近期对α-BN的筹商标明，该材料不仅具有低介电常数，而且还具有高热褂讪性和邃密的机械性能。通过使用原子层千里积（ALD）手艺，将这种材料四肢low K障蔽集成是可行的，从而增多金属通孔的横截面。固然此话题超出了本文的范围，但它自满了互连材料面对的多方面材料挑战，这些挑战将在翌日多个手艺节点中捏续关系。

论断

新材料的引入对于集成电路的成功缩放至关伏击。然而，咱们正在接近这些材料在前端（FEOL）和后端（BEOL）应用中的物理和固有性质的极限。尽管连接使用硅（Si）四肢沟谈具有上风，但3D材料（如硅、硅锗或III-V族化合物）的厚度限制使得向亚纳米步履缩放变得贫苦。低维材料如单壁碳纳米管（SWCNTs）、过渡金属二硫化物（TMDs）以及新发现的原子层千里积（ALD）无定形二维电子气（2DEG）In2O3可能提供有前程的替代决策。

鉴于刻下硅缩放面对的挑战，可能需要领受异质CMOS方法，举例集成 MoS? 用于 nFET 和 WSe? 用于 pFET，或者将 In?O? nFET 与 TMDs 或 SWCNTs 集成，以处罚枯竭 In?O? pFET和p型 WSe? 低导通电流及构兵电阻的问题。然而，在成立可行的/可制造的CMOS工艺之前，所有这三种材料系统选项仍面对显耀艰辛，尤其是构兵、掺杂和制造问题。

比拟之下，将这些材料集成到 BEOL 应用中，在构兵电阻和掺杂方面面对的挑战较小。对于In2O3，已成立的ALD工艺可能提供上风，前提是热平静无意有用治理。过渡金属二硫化物由于其种种的带隙和可调性，可能会在BEOL应用中找到传感器和光源的应用。然而，对于SWCNTs，工业应用进展受到对王人问题的制约，特等是在更大的晶圆上，除非这些挑战得到充分处罚。

对于铁电存储器，通过界面和热工程筹商，氟化钙结构的铪酸盐仍是展示了在可扩张性、极化和器件耐用性方面的高性能。近期的筹商效果标明，在BEOL兼容的存储应用中，齐备高剩余极化、耐用性和低矫顽力电场的后劲仍在连接开发中。基于 HZO 的堆叠材料已被应用于第一款双层32Gb非易失性动态当场存取存储器（NVDRAM）中的 1T1C 结构，展示了该材料的智商。然而，相对较低的剩余极化（Pr）要求在 1T1C 结构中有用影响看望晶体管时使用3D电容器，况兼这些材料的多晶形特色导致较长的叫醒时辰。

具有更高 Pr 的铁电材料不错通过允许更小的2D电容器来增猛烈向扩张性，而单相材料则可能改善叫醒时辰。近期铁电钛酸钡（BaTiO?）在步履化方面的进展再行引发了对钙钛矿材料四肢潜在处罚决策的兴趣，前提是集成问题无意得到处罚。具有较低结晶化温度的高 Pr 钙钛矿材料尤其受到温煦。

除了活跃的晶体管和存储元件外，互连仍是成为电路速率和功耗的主要瓶颈。新材料对于跟从晶体管和存储电容器缩放的互连尺寸缩放至关伏击。一个要津要求是，新的金属化决策无意在不需要通例铜嵌入金属化中频繁所需的障蔽层和衬底层的情况下可靠地运行，而这些层占据了互连的无数体积，但并未提高导电性。

此外，具有较短平均开脱程的金属在较小尺寸下可能在电阻率方面优于铜，这促使了对一系列新金属在互连应用中的探索。像钌（Ru）和钼（Mo）这么的元素金属展示了超卓的可靠性和较低的瓦解电阻，况兼是最接近于在大领域分娩中齐备的材料之一。筹商东谈主员还在探索复合金属和金属-石墨烯羼杂金属化决策，尽管这些选项更为复杂，况兼在构成律例、无序度减少和元素特定的名义化学等方面面对挑战。

跟着互连缩放变得越来越伏击，对编削的无障蔽金属化方法的需求成为翌日手艺节点的要津温煦点。潜在材料的种种性确保了这一领域的筹商将在翌日的手艺逾越中保捏关系性。

致谢作家：

Luigi Colombo, Fellow, IEEE, Salim El Kazzi, Mihaela Popovici, Gilles Delie, Dae Seon Kwon, Sean

RC McMitchell, Christoph Adelmann

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