麻省理工学院的工程师在计算机芯片上“生长”原子级的薄晶体管

来源：半导体芯科技编译

新兴的人工智能应用程序，如能生成人类自然语言的聊天机器人，需要更密集、更强大的计算机芯片。但半导体芯片传统上是用大批材料制成的，这些材料是四四方方的3D结构，因此堆叠多层晶体管以创建更密集的集成是非常困难的。

然而，由超薄2D材料制成的半导体晶体管，每个只有大约三个原子的厚度，可以堆叠起来制造更强大的芯片。为此，麻省理工学院的研究人员现在已经展示了一种新技术，该技术可以有效且高效地直接在完全制造的硅芯片上“生长”出2D过渡金属硫族化物（TMD）材料层，以实现更密集的集成。

直接在硅CMOS晶圆上生长2D材料已经构成了一个重大挑战，因为这一过程通常需要约600摄氏度的温度，而硅晶体管和电路在加热到400度以上时可能会发生故障。现在，麻省理工学院的跨学科研究小组已经开发出一种不会损坏芯片的低温生长工艺。该技术使二维半导体晶体管可以直接集成在标准硅电路之上。

过去，研究人员在其他地方种植2D材料，然后将它们转移到芯片或晶圆上。这通常会导致缺陷，从而妨碍最终器件和电路的性能。此外，在晶圆规模下顺利转移材料变得极其困难。相比之下，这种新工艺在整个8英寸晶圆上生长出光滑，高度均匀的层。

这项新技术还能够大大减少生长这些材料的时间。以前的方法需要超过一天的时间来生长单层的二维材料，而新方法可以在不到一个小时的时间里在整个8英寸晶圆上生长出均匀的TMD材料层。

由于其快速的速度和高均匀性，新技术使研究人员能够成功地将2D材料层集成到比以前更大的表面上。这使得他们的方法更适合用于商业应用，其中8英寸或更大的晶圆是关键。

“使用2D材料是提高集成电路密度的有效方法。我们正在做的就像建造一座多层建筑。如果你只有一层，这是传统情况，它不会容纳很多人。但随着楼层的增加，这座建筑将容纳更多的人，可以实现令人惊叹的新事物。由于我们正在研究的异构集成，我们将硅作为第一层，然后我们可以在上面直接集成许多层的2D材料,”电气工程和计算机科学研究生、这项新技术论文的共同主要作者Jiadi Zhu说。

Zhu与共同第一作者麻省理工学院博士后Ji-Hoon Park、通讯作者电子工程和计算机科学（EECS）教授和电子研究实验室成员Jing Kong、EECS教授和微系统技术实验室（MTL）主任Tomás Palacios以及麻省理工学院、麻省理工学院林肯实验室、橡树岭国家实验室和爱立信研究院的其他人共同撰写了这篇论文。这篇论文今天发表在《Nature Nanotechnology》上。

具有巨大潜力的超薄材料

研究人员关注的2D材料——二硫化钼具有柔韧性，透明性，并具有强大的电子和光子特性，使其成为半导体晶体管的理想选择。它由夹在两个硫化物原子之间的单原子钼层组成。

在表面上生长出均匀性良好的二硫化钼薄膜，通常是通过一种被称为金属有机化学气相沉积（MOCVD）的工艺完成的。六羰基钼和二乙烯硫，这两种含有钼和硫原子的有机化学化合物，在反应室中汽化并被加热，在那里它们 "分解 "成更小的分子。然后它们通过化学反应连接起来，在表面形成二硫化钼链。

但是，分解这些被称为前驱体的钼和硫化合物需要550摄氏度以上的温度，而硅电路在温度超过400度时就会开始退化。

因此，研究人员从突破思维定势开始——他们为金属有机化学气相沉积工艺设计并建造了一个全新的炉子。

炉子由两个室组成，前面是放置硅片的低温区，后面是高温区。气化的钼和硫前躯体被泵入炉内。钼留在低温区，那里的温度保持在400摄氏度以下——温度足以分解钼前驱体，但不会热到损坏硅片。

硫前驱体流经高温区，在那里进行分解。然后它流回低温区，在那里发生化学反应，在晶圆表面生长二硫化钼。

"你可以想象分解就像制作黑胡椒一样--你有一整粒花椒，你把它磨成粉末状。因此，我们在高温区域粉碎和研磨胡椒，然后粉末流回低温区域，"Zhu解释说。

生长更快，均匀性更好

这种工艺的一个问题是，硅电路通常将铝或铜作为顶层，以便芯片在安装到印刷电路板之前可以连接到封装或载体上。但是硫会导致这些金属硫化，就像一些金属暴露在氧气中会生锈一样，从而破坏了它们的导电性。研究人员通过首先在芯片的顶部沉积一层非常薄的钝化材料来防止硫化。然后，他们可以打开钝化层来进行连接。

他们还将硅片垂直放入炉子的低温区域，而不是水平放置。通过垂直放置，两端都不会离高温区太近，因此硅片的任何部分都不会被高温损坏。此外，钼和硫的气体分子在碰撞到垂直的芯片时，会旋转起来，而不是在水平表面上流动。这种循环效应改善了二硫化钼的生长，并导致了更好的材料均匀性。

除了产生更均匀的层之外，他们的方法也比其他MOCVD工艺快得多。它们可以在不到一个小时内生长出一个层，而通常MOCVD生长过程至少需要一整天。

使用最先进的麻省理工学院纳米设施，他们能够在8英寸硅晶圆上展示出高度的材料均匀性和质量，这对于需要更大晶圆的工业应用尤其重要。

“通过缩短生长时间，该工艺更加高效，更容易地集成到工业制造中。此外，这是一种硅兼容的低温工艺，可用于将2D材料进一步推向半导体行业，“Zhu说。

在未来，研究人员希望对他们的技术进行微调，用它来生长许多堆叠的2D晶体管。此外，他们希望探索将低温生长过程用于柔性表面，如聚合物、纺织品，甚至纸张。这可以使半导体集成到衣服或笔记本等日常物品上。

"这项工作在单层二硫化钼材料的合成技术方面取得了重要进展，"南加州大学Robert G. and Mary G. Lane Endowed Early Career Chair和电子与计算机工程以及化学工程与材料科学副教授Han Wang说，他没有参与这项研究。"在8英寸规模上的低热预算增长的新能力使这种材料与硅CMOS技术的后端整合成为可能，并为其未来的电子应用铺平了道路。"

这项工作得到了麻省理工学院士兵纳米技术研究所、国家科学基金会集成量子材料中心、爱立信、MITRE、美国陆军研究办公室和美国能源部的部分资助。该项目也得益于TSMC校园快梭计划的支持。

审核编辑 黄宇