華人科學家主導！MIT 造出三原子厚的晶體管
2023-05-02 10:34:53 EETOP編譯新興的人工智能應用，如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塊狀材料制成的，這些材料是方形的3D 結構，因此堆疊多層晶體管以實現更密集的集成非常困難。
然而，由超薄二維材料制成的半導體晶體管，每個只有三個原子的厚度，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展示了一種新技術，可以直接在完全制造的硅芯片上有效且高效地生長二維過渡金屬二硫化物 (TMD) 材料層，以實現更密集的集成。
將二維材料直接生長到硅CMOS 晶圓上是一項重大挑戰，因為該過程通常需要大約600 攝氏度的溫度，而硅晶體管和電路在加熱到400 攝氏度以上時可能會損壞。現在，麻省理工學院研究人員的跨學科團隊已經開發出一種不會損壞芯片的低溫生長工藝。該技術允許將二維半導體晶體管直接集成在標準硅電路之上。
過去，研究人員在其他地方生長二維材料，然后將它們轉移到芯片或晶圓上。這通常會導致缺陷，從而影響最終設備和電路的性能。而且，在晶圓規模上順利轉移材料也變得極其困難。相比之下，這種新工藝可以在整個8英寸晶圓上生長出一個光滑、高度均勻的層。
新技術還能夠顯著減少生長這些材料所需的時間。以前的方法需要超過一天的時間來生長單層二維材料，而新方法可以在不到一個小時的時間內在整個8 英寸晶圓上生長出均勻的TMD 材料層。
由于其速度快和均勻性高，這項新技術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應用，其中8 英寸或更大的晶圓是關鍵。
“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。傳統的情況是只有一層，因此它不會容納很多人。但是隨著樓層的增加，大樓將容納更多的人，從而可以實現令人驚嘆的新事物。由于我們正在研究的異質集成，我們將硅作為第一層，然后可以將多層二維材料直接集成在上面。”電子工程和計算機科學研究生、關于這項新技術的論文的共同主要作者朱佳迪（音譯）說。
朱與共同主要作者、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。該論文近日發表在Nature Nanotechnology上。
具有巨大潛力的超薄材料
研究人員關注的二維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。
在表面上以良好的均勻性生長二硫化鉬薄膜通常是通過稱為金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD)的工藝完成的。六羰基鉬和二亞乙基硫是兩種含有鉬和硫原子的有機化合物，它們在反應室內蒸發并被加熱，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體（precursors）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，研究人員跳出思維定勢——他們為金屬有機化學氣相沉積工藝設計并建造了一個全新的熔爐。
烘箱由兩個腔室組成，前部是低溫區，放置硅片，后部是高溫區。汽化的鉬和硫前體被泵入熔爐。鉬停留在低溫區域，溫度保持在400 攝氏度以下——熱到足以分解鉬前體，但又不會熱到損壞硅芯片。
硫前體流經高溫區，在那里進行分解。然后它流回低溫區，在那里發生化學反應，在硅片的表面上生長出二硫化鉬。
“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，我們在高溫區粉碎和研磨辣椒，然后粉末流回低溫區。”朱解釋道。
更快的生長和更好的均勻性
該工藝的一個問題是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，這會破壞它們的導電性。研究人員通過首先在芯片頂部沉積一層非常薄的鈍化材料來防止硫化。然后再打開鈍化層進行連接。
他們還將硅片垂直放置到爐子的低溫區域，而不是水平放置。通過垂直放置，兩端都不會太靠近高溫區域，因此晶圓的任何部分都不會被熱量損壞。此外，鉬和硫氣體分子在撞擊垂直芯片時會旋轉，而不是流過水平表面。這種循環效應促進了二硫化鉬的生長并導致更好的材料均勻性。
除了產生更均勻的層外，他們的方法也比其他MOCVD 工藝快得多。他們可以在不到一個小時的時間內生長一層，而通常MOCVD 生長過程至少需要一整天。
使用最先進的MIT.Nano設施，他們能夠在 8 英寸硅晶圓上展示高材料均勻性和質量，這對于需要更大晶圓的工業應用尤為重要。
“通過縮短生長時間，該過程效率更高，并且可以更容易地集成到工業制造中。此外，這是一種與硅兼容的低溫工藝，有助于將二維材料進一步推向半導體行業。”朱解釋到。
未來，研究人員希望微調他們的技術，并用它來生長許多堆疊的二維晶體管層。此外，他們還想探索低溫生長過程在柔性表面（如聚合物、紡織品甚至紙張）中的應用。這可以將半導體集成到衣服或筆記本等日常用品上。
“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早期職業教授、電子與計算機工程、化學工程和材料科學副教授王涵(Han Wang)說，他沒有參與這項研究。“在8英寸尺度上的低熱預算增長的新能力使這種材料與硅CMOS技術的后端集成成為可能，并為其未來的電子應用鋪平了道路。”
這項工作部分由麻省理工學院士兵納米技術研究所、國家綜合量子材料科學基金會中心、愛立信、MITRE、美國陸軍研究辦公室和美國能源部資助。該計劃亦受惠于臺積電大學穿梭計劃的支持。
