麻省理工學院的工程師在計算機芯片上“生長”原子級的薄晶體管

來源：半導體芯科技編譯

新興的人工智能應用程序，如能生成人類自然語言的聊天機器人，需要更密集、更強大的計算機芯片。但半導體芯片傳統上是用大批材料制成的，這些材料是四四方方的3D結構，因此堆疊多層晶體管以創(chuàng)建更密集的集成是非常困難的。

然而，由超薄2D材料制成的半導體晶體管，每個只有大約三個原子的厚度，可以堆疊起來制造更強大的芯片。為此，麻省理工學院的研究人員現在已經展示了一種新技術，該技術可以有效且高效地直接在完全制造的硅芯片上“生長”出2D過渡金屬硫族化物（TMD）材料層，以實現更密集的集成。

直接在硅CMOS晶圓上生長2D材料已經構成了一個重大挑戰(zhàn)，因為這一過程通常需要約600攝氏度的溫度，而硅晶體管和電路在加熱到400度以上時可能會發(fā)生故障。現在，麻省理工學院的跨學科研究小組已經開發(fā)出一種不會損壞芯片的低溫生長工藝。該技術使二維半導體晶體管可以直接集成在標準硅電路之上。

過去，研究人員在其他地方種植2D材料，然后將它們轉移到芯片或晶圓上。這通常會導致缺陷，從而妨礙最終器件和電路的性能。此外，在晶圓規(guī)模下順利轉移材料變得極其困難。相比之下，這種新工藝在整個8英寸晶圓上生長出光滑，高度均勻的層。

這項新技術還能夠大大減少生長這些材料的時間。以前的方法需要超過一天的時間來生長單層的二維材料，而新方法可以在不到一個小時的時間里在整個8英寸晶圓上生長出均勻的TMD材料層。

由于其快速的速度和高均勻性，新技術使研究人員能夠成功地將2D材料層集成到比以前更大的表面上。這使得他們的方法更適合用于商業(yè)應用，其中8英寸或更大的晶圓是關鍵。

“使用2D材料是提高集成電路密度的有效方法。我們正在做的就像建造一座多層建筑。如果你只有一層，這是傳統情況，它不會容納很多人。但隨著樓層的增加，這座建筑將容納更多的人，可以實現令人驚嘆的新事物。由于我們正在研究的異構集成，我們將硅作為第一層，然后我們可以在上面直接集成許多層的2D材料,”電氣工程和計算機科學研究生、這項新技術論文的共同主要作者Jiadi Zhu說。

Zhu與共同第一作者麻省理工學院博士后Ji-Hoon Park、通訊作者電子工程和計算機科學（EECS）教授和電子研究實驗室成員Jing Kong、EECS教授和微系統技術實驗室（MTL）主任Tomás Palacios以及麻省理工學院、麻省理工學院林肯實驗室、橡樹嶺國家實驗室和愛立信研究院的其他人共同撰寫了這篇論文。這篇論文今天發(fā)表在《Nature Nanotechnology》上。

具有巨大潛力的超薄材料

研究人員關注的2D材料——二硫化鉬具有柔韌性，透明性，并具有強大的電子和光子特性，使其成為半導體晶體管的理想選擇。它由夾在兩個硫化物原子之間的單原子鉬層組成。

在表面上生長出均勻性良好的二硫化鉬薄膜，通常是通過一種被稱為金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）的工藝完成的。六羰基鉬和二乙烯硫，這兩種含有鉬和硫原子的有機化學化合物，在反應室中汽化并被加熱，在那里它們 "分解 "成更小的分子。然后它們通過化學反應連接起來，在表面形成二硫化鉬鏈。

但是，分解這些被稱為前驅體的鉬和硫化合物需要550攝氏度以上的溫度，而硅電路在溫度超過400度時就會開始退化。

因此，研究人員從突破思維定勢開始——他們?yōu)榻饘儆袡C化學氣相沉積工藝設計并建造了一個全新的爐子。

爐子由兩個室組成，前面是放置硅片的低溫區(qū)，后面是高溫區(qū)。氣化的鉬和硫前軀體被泵入爐內。鉬留在低溫區(qū)，那里的溫度保持在400攝氏度以下——溫度足以分解鉬前驅體，但不會熱到損壞硅片。

硫前驅體流經高溫區(qū)，在那里進行分解。然后它流回低溫區(qū)，在那里發(fā)生化學反應，在晶圓表面生長二硫化鉬。

"你可以想象分解就像制作黑胡椒一樣--你有一整?；ń罚惆阉コ煞勰?。因此，我們在高溫區(qū)域粉碎和研磨胡椒，然后粉末流回低溫區(qū)域，"Zhu解釋說。

生長更快，均勻性更好

這種工藝的一個問題是，硅電路通常將鋁或銅作為頂層，以便芯片在安裝到印刷電路板之前可以連接到封裝或載體上。但是硫會導致這些金屬硫化，就像一些金屬暴露在氧氣中會生銹一樣，從而破壞了它們的導電性。研究人員通過首先在芯片的頂部沉積一層非常薄的鈍化材料來防止硫化。然后，他們可以打開鈍化層來進行連接。

他們還將硅片垂直放入爐子的低溫區(qū)域，而不是水平放置。通過垂直放置，兩端都不會離高溫區(qū)太近，因此硅片的任何部分都不會被高溫損壞。此外，鉬和硫的氣體分子在碰撞到垂直的芯片時，會旋轉起來，而不是在水平表面上流動。這種循環(huán)效應改善了二硫化鉬的生長，并導致了更好的材料均勻性。

除了產生更均勻的層之外，他們的方法也比其他MOCVD工藝快得多。它們可以在不到一個小時內生長出一個層，而通常MOCVD生長過程至少需要一整天。

使用最先進的麻省理工學院納米設施，他們能夠在8英寸硅晶圓上展示出高度的材料均勻性和質量，這對于需要更大晶圓的工業(yè)應用尤其重要。

“通過縮短生長時間，該工藝更加高效，更容易地集成到工業(yè)制造中。此外，這是一種硅兼容的低溫工藝，可用于將2D材料進一步推向半導體行業(yè)，“Zhu說。

在未來，研究人員希望對他們的技術進行微調，用它來生長許多堆疊的2D晶體管。此外，他們希望探索將低溫生長過程用于柔性表面，如聚合物、紡織品，甚至紙張。這可以使半導體集成到衣服或筆記本等日常物品上。

"這項工作在單層二硫化鉬材料的合成技術方面取得了重要進展，"南加州大學Robert G. and Mary G. Lane Endowed Early Career Chair和電子與計算機工程以及化學工程與材料科學副教授Han Wang說，他沒有參與這項研究。"在8英寸規(guī)模上的低熱預算增長的新能力使這種材料與硅CMOS技術的后端整合成為可能，并為其未來的電子應用鋪平了道路。"

這項工作得到了麻省理工學院士兵納米技術研究所、國家科學基金會集成量子材料中心、愛立信、MITRE、美國陸軍研究辦公室和美國能源部的部分資助。該項目也得益于TSMC校園快梭計劃的支持。

審核編輯 黃宇