超薄二維半導(dǎo)體研制成功，1納米芯片不再遙遠

（文章來源：電氣新科技）

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維度的非納米尺度（1～100nm）上自由運動（平面運動）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，當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，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。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單層的嘗試未能實現(xiàn)單向性，當這些層合并成膜時會產(chǎn)生不理想的晶界。理論上，學(xué)者們也普遍認為在諸如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藍寶石晶圓上的Cu（111）薄膜上實現(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）。他們認為，實現(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/藍寶石上來進行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，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，通過進一步的模擬及實驗結(jié)果表明，Cu（111）表面具有臺階邊緣是實現(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，該團隊進一步將生產(chǎn)規(guī)模擴大到了兩英寸c-plane藍寶石晶圓上。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)過程進行聚合物輔助轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)晶圓級hBN的分離。

該團隊表示，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，晶圓級單晶hBN的可用性將刺激并實現(xiàn)未來二維電子學(xué)的進一步研究和開發(fā)。
（責任編輯：fqj）