來源：半導(dǎo)體芯科技編譯

新興的人工智能應(yīng)用程序，如能生成人類自然語言的聊天機(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)上是用大批材料制成的，這些材料是四四方方的3D結(jié)構(gòu)，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(dǎo)體晶體管，每個(gè)只有大約三個(gè)原子的厚度，可以堆疊起來制造更強(qiáng)大的芯片。為此，麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)展示了一種新技術(shù)，該技術(shù)可以有效且高效地直接在完全制造的硅芯片上“生長(zhǎng)”出2D過渡金屬硫族化物（TMD）材料層，以實(shí)現(xiàn)更密集的集成。

直接在硅CMOS晶圓上生長(zhǎng)2D材料已經(jīng)構(gòu)成了一個(gè)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@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(shí)可能會(huì)發(fā)生故障。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的跨學(xué)科研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種不會(huì)損壞芯片的低溫生長(zhǎng)工藝。該技術(shù)使二維半導(dǎo)體晶體管可以直接集成在標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)移到芯片或晶圓上。這通常會(huì)導(dǎo)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(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)出光滑，高度均勻的層。

這項(xiàng)新技術(shù)還能夠大大減少生長(zhǎng)這些材料的時(shí)間。以前的方法需要超過一天的時(shí)間來生長(zhǎng)單層的二維材料，而新方法可以在不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間里在整個(gè)8英寸晶圓上生長(zhǎng)出均勻的TMD材料層。

由于其快速的速度和高均勻性，新技術(shù)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(yīng)用，其中8英寸或更大的晶圓是關(guān)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(tǒng)情況，它不會(huì)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(shí)現(xiàn)令人驚嘆的新事物。由于我們正在研究的異構(gòu)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(jì)算機(jī)科學(xué)研究生、這項(xiàng)新技術(shù)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(xué)院博士后Ji-Hoon Park、通訊作者電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)（EECS）教授和電子研究實(shí)驗(yàn)室成員Jing Kong、EECS教授和微系統(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、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(guān)注的2D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)硫化物原子之間的單原子鉬層組成。

在表面上生長(zhǎng)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(jī)化學(xué)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(jī)化學(xué)化合物，在反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(qū)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(shí)就會(huì)開始退化。

因此，研究人員從突破思維定勢(shì)開始——他們?yōu)榻饘儆袡C(jī)化學(xué)氣相沉積工藝設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)全新的爐子。

爐子由兩個(gè)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(nèi)。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(qū)體，但不會(huì)熱到損壞硅片。

硫前驅(qū)體流經(jīng)高溫區(qū)，在那里進(jìn)行分解。然后它流回低溫區(qū)，在那里發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在晶圓表面生長(zhǎng)二硫化鉬。

"你可以想象分解就像制作黑胡椒一樣--你有一整粒花椒，你把它磨成粉末狀。因此，我們?cè)诟邷貐^(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(zhǎng)更快，均勻性更好

這種工藝的一個(gè)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(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，從而破壞了它們的導(dǎo)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(jìn)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(huì)離高溫區(qū)太近，因此硅片的任何部分都不會(huì)被高溫?fù)p壞。此外，鉬和硫的氣體分子在碰撞到垂直的芯片時(shí)，會(huì)旋轉(zhuǎn)起來，而不是在水平表面上流動(dòng)。這種循環(huán)效應(yīng)改善了二硫化鉬的生長(zhǎng)，并導(dǎo)致了更好的材料均勻性。

除了產(chǎn)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(gè)小時(shí)內(nèi)生長(zhǎng)出一個(gè)層，而通常MOCVD生長(zhǎng)過程至少需要一整天。

使用最先進(jìn)的麻省理工學(xué)院納米設(shè)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(zhì)量，這對(duì)于需要更大晶圓的工業(yè)應(yīng)用尤其重要。

“通過縮短生長(zhǎng)時(shí)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(jìn)一步推向半導(dǎo)體行業(yè)，“Zhu說。

在未來，研究人員希望對(duì)他們的技術(shù)進(jìn)行微調(diào)，用它來生長(zhǎng)許多堆疊的2D晶體管。此外，他們希望探索將低溫生長(zhǎng)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(dǎo)體集成到衣服或筆記本等日常物品上。

"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，"南加州大學(xué)Robert G. and Mary G. Lane Endowed Early Career Chair和電子與計(jì)算機(jī)工程以及化學(xué)工程與材料科學(xué)副教授Han Wang說，他沒有參與這項(xiàng)研究。"在8英寸規(guī)模上的低熱預(yù)算增長(zhǎng)的新能力使這種材料與硅CMOS技術(shù)的后端整合成為可能，并為其未來的電子應(yīng)用鋪平了道路。"

這項(xiàng)工作得到了麻省理工學(xué)院士兵納米技術(shù)研究所、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)集成量子材料中心、愛立信、MITRE、美國(guó)陸軍研究辦公室和美國(guó)能源部的部分資助。該項(xiàng)目也得益于TSMC校園快梭計(jì)劃的支持。

審核編輯 黃宇