來(lái)源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志

美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員對(duì)一種低溫生長(zhǎng)技術(shù)進(jìn)行革新，將二維材料集成到硅電路上，為制造出更密集、更強(qiáng)大的芯片鋪平了道路。新方法涉及直接在硅芯片頂部生長(zhǎng)二維過(guò)渡金屬二硫化物材料層，而在傳統(tǒng)方法上這通常需要可能會(huì)損壞硅的高溫。

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，麻省理工學(xué)院（MIT）工程師使用一種新的低溫生長(zhǎng)和制造技術(shù)將二維（2D）材料直接集成到硅電路上，通過(guò)這種技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)更密集和更強(qiáng)大的芯片。

新興的人工智能應(yīng)用，比如生成自然人類語(yǔ)言的聊天機(jī)器人，需要更密集、更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)芯片。但半導(dǎo)體芯片傳統(tǒng)上是用塊狀材料制成的，這些材料是方形的三維（3D）結(jié)構(gòu)，因此通過(guò)堆疊多層晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)更密集的集成非常困難。

MIT的研究人員開(kāi)發(fā)了一種低溫生長(zhǎng)工藝，可將二維材料直接集成到硅芯片上，從而實(shí)現(xiàn)密度更高、功能更強(qiáng)大的半導(dǎo)體。該技術(shù)繞過(guò)了之前與高溫和材料轉(zhuǎn)移缺陷相關(guān)的挑戰(zhàn)。它還縮短了生長(zhǎng)時(shí)間，并允許在更大的8英寸晶圓上形成均勻的層，使其成為商業(yè)應(yīng)用的理想選擇。

由超薄二維材料制成的半導(dǎo)體晶體管，每個(gè)只有大約三個(gè)原子的厚度，可以堆疊起來(lái)制造更強(qiáng)大的芯片。MIT研究人員開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，可以直接在完全制造的硅芯片上有效且高效地“生長(zhǎng)”二維過(guò)渡金屬二硫化物(transition metal dichalcogenide, TMD)材料層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更密集的集成。

研究生Jiadi Zhu拿著一塊帶有二硫化鉬薄膜的8英寸CMOS晶圓。右邊是研究人員專門(mén)開(kāi)發(fā)的外延生長(zhǎng)爐，使他們能夠使用不損壞晶圓的低溫工藝在晶圓上“生長(zhǎng)”一層二硫化鉬。

將二維材料直接生長(zhǎng)到硅CMOS晶圓上是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)樵撨^(guò)程通常需要大約600攝氏度的溫度，而硅晶體管和電路在加熱到400攝氏度以上時(shí)可能會(huì)損壞。現(xiàn)在，MIT研究人員的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種不會(huì)損壞芯片的低溫生長(zhǎng)工藝。該技術(shù)允許將二維半導(dǎo)體晶體管直接集成在標(biāo)準(zhǔn)硅電路之上。

過(guò)去，研究人員是先在其他地方生長(zhǎng)二維材料，然后將它們轉(zhuǎn)移到芯片或晶圓上。這通常會(huì)導(dǎo)致缺陷，從而影響最終器件和電路的性能。此外，在晶圓級(jí)順利轉(zhuǎn)移材料變得極其困難。相比之下，這種新工藝在整個(gè)8英寸晶圓上生長(zhǎng)出了平滑、高度均勻的薄層。

新技術(shù)還能夠顯著減少生長(zhǎng)這些材料所需的時(shí)間。以前的方法生長(zhǎng)單層二維材料需要超過(guò)一天的時(shí)間，而新方法可以在不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)在整個(gè)8英寸晶圓上生長(zhǎng)出均勻的TMD材料層。

由于其速度快和均勻性高，這項(xiàng)新技術(shù)使研究人員能夠成功地將二維材料層集成到比之前展示的更大的表面上。這使得他們的方法更適合用于商業(yè)應(yīng)用，其中8英寸或更大的晶圓是關(guān)鍵。

“使用二維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(tǒng)的情況，它不會(huì)容納很多人。但是隨著樓層的增加，大樓將容納更多的人，從而可以實(shí)現(xiàn)令人驚嘆的新事物。由于我們正在研究異質(zhì)集成，我們將硅作為第一層，然后我們可以將多層二維材料直接集成在上面，”電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生，關(guān)于這項(xiàng)新技術(shù)的論文的共同主要作者Jiadi Zhu說(shuō)。該論文于2023年4月27日發(fā)表在《Nature

Nanotechnology》雜志上。Zhu與共同主要作者、麻省理工學(xué)院博士后Ji-Hoon Park共同撰寫(xiě)了這篇論文；論文通訊作者Jing Kong，電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)(EECS)教授，電子研究實(shí)驗(yàn)室成員；論文作者還有EECS教授兼微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(MTL)主任Tomás Palacios；以及麻省理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室、橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和愛(ài)立信研究中心的其他人。

1具有巨大潛力的超薄材料

研究人員關(guān)注的二維材料二硫化鉬具有柔韌性、透明性，并具有強(qiáng)大的電子和光子特性，使其成為半導(dǎo)體晶體管的理想選擇。它由夾在兩個(gè)硫（化物）原子（層）之間的單原子鉬層組成。

在表面上以良好的均勻性生長(zhǎng)二硫化鉬薄膜通常是通過(guò)稱為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的工藝完成的。六羰基鉬和二亞乙基硫是含有鉬原子和硫原子的兩種有機(jī)化合物，它們?cè)诜磻?yīng)室內(nèi)蒸發(fā)并被加熱，在那里它們“分解”成更小的分子。然后它們通過(guò)化學(xué)反應(yīng)連接起來(lái)，在表面形成二硫化鉬鏈。

但是分解這些被稱為前體的鉬化合物和硫化合物需要550攝氏度以上的溫度，而當(dāng)溫度超過(guò)400攝氏度時(shí)，硅電路就會(huì)開(kāi)始受到損害。

因此，研究人員開(kāi)始跳出框框思考——他們?yōu)榻饘儆袡C(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）工藝設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)全新的外延生長(zhǎng)爐。

爐子的烘箱由兩個(gè)腔室組成，前部是低溫區(qū)，放置硅片，后部是高溫區(qū)。汽化的鉬和硫前體被泵入生長(zhǎng)爐。鉬停留在低溫區(qū)域，溫度保持在400攝氏度以下——熱到足以分解鉬前體，但又不會(huì)熱到損壞硅芯片。

硫前體流入高溫區(qū)域，并在那里分解。然后它流回低溫區(qū)，在那里發(fā)生在晶圓表面生長(zhǎng)二硫化鉬的化學(xué)反應(yīng)。“你可以把分解想象成制作黑胡椒——你有一整粒胡椒，然后把它磨成粉末。所以，我們?cè)诟邷貐^(qū)粉碎和研磨辣椒，然后粉末流回低溫區(qū)，”Zhu解釋道。

2更快的生長(zhǎng)和更好的均勻性

該工藝有一個(gè)問(wèn)題：硅電路通常將鋁或銅作為頂層，因此芯片可以在安裝到印刷電路板上之前連接到封裝或載體。但是硫會(huì)導(dǎo)致這些金屬硫化，就像一些金屬暴露在氧氣中會(huì)生銹一樣，這會(huì)破壞它們的導(dǎo)電性。研究人員通過(guò)首先在芯片頂部沉積一層非常薄的鈍化材料來(lái)防止硫化。然后他們可以打開(kāi)鈍化層再進(jìn)行連接。

他們還將硅片垂直放置到爐子的低溫區(qū)域，而不是水平放置。通過(guò)垂直放置，兩端都不會(huì)太靠近高溫區(qū)域，因此晶圓的任何部分都不會(huì)被熱量損壞。此外，鉬和硫氣體分子在撞擊垂直芯片時(shí)會(huì)旋轉(zhuǎn)，而不是流過(guò)水平表面。這種旋轉(zhuǎn)循環(huán)效應(yīng)促進(jìn)了二硫化鉬的生長(zhǎng)，并提高了材料的均勻性。

除了產(chǎn)生更均勻的沉積層外，他們的方法也比其他MOCVD工藝快得多。他們可以在不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)生長(zhǎng)一層，而通常MOCVD生長(zhǎng)過(guò)程至少需要一整天。MIT使用最先進(jìn)的MIT.Nano設(shè)施，他們能夠在8英寸硅晶圓上生長(zhǎng)高度均勻的優(yōu)質(zhì)材料，這對(duì)于需要更大晶圓的工業(yè)應(yīng)用尤為重要。

“通過(guò)縮短生長(zhǎng)時(shí)間，該工藝效率更高，并且可以更容易地集成到工業(yè)制造中。此外，這是一種與硅兼容的低溫工藝，有助于將二維材料進(jìn)一步推進(jìn)到半導(dǎo)體行業(yè)中?！盳hu說(shuō)。

未來(lái)，研究人員希望微調(diào)他們的技術(shù)，并用它來(lái)生長(zhǎng)多層堆疊的二維晶體管。此外，他們還想探索這種低溫生長(zhǎng)工藝在柔性表面（如聚合物、紡織品甚至紙張）的應(yīng)用。這可能會(huì)實(shí)現(xiàn)將半導(dǎo)體集成到衣服或筆記本等日常用品上。

這項(xiàng)工作在單層二硫化鉬材料的合成技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展，在8英寸規(guī)模的低溫生長(zhǎng)能力使這種材料與硅CMOS技術(shù)的后端集成成為可能，為其未來(lái)的更多電子應(yīng)用鋪平了道路。

這項(xiàng)工作部分由MIT士兵納米技術(shù)研究所、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)綜合量子材料中心、愛(ài)立信、MITRE、美國(guó)陸軍研究辦公室和美國(guó)能源部資助。該項(xiàng)目也得到TSMC University Shuttle的支持。