近年來,隨著晶體管特征尺寸的縮小,由于短溝道效應(yīng)等物理規(guī)律和制造成本的限制,主流硅基材料與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)正發(fā)展到10納米工藝節(jié)點(diǎn)而難以突破。2019年,中芯國際集成電路制造有限公司完成了14納米芯片的量產(chǎn), 并以“N+1”制程沖擊7納米工藝。
從晶體管誕生之初,人類就千方百計(jì)地想將其縮到最小,目前全球最頂尖的7納米工藝已經(jīng)接近物理極限。一旦低于5納米,晶體管中電子的行為將受制于量子不確定性,很容易產(chǎn)生隧穿效應(yīng),晶體管變得不再可靠,芯片制造面臨巨大挑戰(zhàn)。
各國科學(xué)家積極探索各種新技術(shù)、新工藝、新材料,二維材料是這些新興研究領(lǐng)域中的佼佼者。二維材料是指電子僅可在兩個(gè)維度的非納米尺度(1~100nm)上自由運(yùn)動(平面運(yùn)動)的材料。例如,目前備受矚目的“石墨烯”就是一種典型的二維材料,此外還有六方氮化硼(hBN)、二硫化鉬、黑磷等。
根據(jù)摩爾定律表述,當(dāng)價(jià)格不變時(shí),集成電路上可容納的晶體管數(shù)目,約每隔18個(gè)月便會增加一倍,性能也將提升一倍。二維半導(dǎo)體層狀材料為摩爾定律在集成電路的繼續(xù)發(fā)展提供了巨大潛力,而二維半導(dǎo)體的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn),是避免從相鄰的電介質(zhì)形成電荷散射和陷阱位點(diǎn)。其中,六方氮化硼的絕緣范德華層提供了出色的界面電介質(zhì),可有效地減少電荷的散射。
研究表明,在熔融金表面或塊狀銅箔上可以生長出單晶hBN膜。然而,由于熔融金的高成本,交叉污染以及過程控制和可擴(kuò)展性的潛在問題,導(dǎo)致其并不被工業(yè)界所青睞。銅箔可能適用于卷對卷工藝,但不太可能與晶圓上的先進(jìn)微電子工藝兼容。因此,尋求一種可靠的在晶圓上直接生長單晶hBN膜的方法將有助于二維材料在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。
近日,臺積電、臺灣交通大學(xué)的研究人員,成功研制出了一種全球最薄、厚度只有0.7納米的基于氮化硼(BN)的超薄二維半導(dǎo)體絕緣材料,可望借此進(jìn)一步開發(fā)出2納米甚至1納米制程的芯片,相關(guān)研究成果已發(fā)表于《自然》期刊。
此前,在Cu(111)金屬上生長hBN單層的嘗試未能實(shí)現(xiàn)單向性,當(dāng)這些層合并成膜時(shí)會產(chǎn)生不理想的晶界。理論上,學(xué)者們也普遍認(rèn)為在諸如Cu(111)這樣的高對稱性表面上生長單晶hBN是不可能的。盡管如此,臺積電及臺灣交通大學(xué)的研究者們在兩英寸c-plane藍(lán)寶石晶圓上的Cu(111)薄膜上實(shí)現(xiàn)了單晶hBN單層的外延生長。
他們在制備晶圓的單晶Cu(111)薄膜過程中,發(fā)現(xiàn)在高溫(1040~1070 ℃)下,在氫氣的存在下進(jìn)行后退火是去除孿晶的關(guān)鍵;而對于單晶hBN的生長,則存在著最佳的Cu厚度(約500納米)。他們認(rèn)為,實(shí)現(xiàn)單取向hBN三角形薄片的生長是獲得晶圓級單晶hBN的重要步驟,因此他們在熱壁化學(xué)氣相沉積(CVD)爐中將氨硼烷前體流到1英寸單晶Cu(111)薄膜/藍(lán)寶石上來進(jìn)行hBN單層的生長,而消除Cu(111)中的孿晶晶粒將確保在其上生長出單晶hBN。
同時(shí),他們采用更高的溫度(通常為1050 ℃)來確保高質(zhì)量的單晶hBN生長。接下來,通過進(jìn)一步的模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Cu(111)表面具有臺階邊緣是實(shí)現(xiàn)單晶hBN生長的關(guān)鍵。這表明通過hBN側(cè)向?qū)覥u(111)步驟可增強(qiáng)外延生長,從而確保hBN單層的單向性。所獲得的單晶hBN以底柵配置作為二硫化鉬和二氧化鉿之間的界面層并入,提高了晶體管的電性能。
成功地在1英寸Cu(111)薄膜上生長單晶hBN之后,該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大到了兩英寸c-plane藍(lán)寶石晶圓上。鑒于完全生長的hBN層與Cu(111)之間的相互作用僅限于弱范德華力,因此可以借助電化學(xué)過程進(jìn)行聚合物輔助轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)晶圓級hBN的分離。
該團(tuán)隊(duì)表示,與使用厚銅箔或其他金屬相比,單晶晶圓級hBN在Cu(111)薄膜上的生長具有可擴(kuò)展性,并且更具成本效益,對未來芯片制程的縮小具有十分重要的意義,對于微電子行業(yè)而言亦可能是一種首選方法。同時(shí),晶圓級單晶hBN的可用性將刺激并實(shí)現(xiàn)未來二維電子學(xué)的進(jìn)一步研究和開發(fā)。
(責(zé)任編輯:fqj)
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