二維半導(dǎo)體材料為三維異構(gòu)集成打開新路徑

在傳統(tǒng)的計(jì)算架構(gòu)中，計(jì)算機(jī)由計(jì)算、存儲(chǔ)等獨(dú)立芯片組成，數(shù)據(jù)在不同芯片之間進(jìn)行傳輸和處理。隨著智能化技術(shù)和數(shù)據(jù)洪流的到來，芯片之間的通信速率限制了計(jì)算效率的進(jìn)一步提升。在這種背景下，三維異構(gòu)集成被產(chǎn)業(yè)界寄予厚望。而二維材料的超薄、高遷移率、可低溫制備、便于轉(zhuǎn)移和集成等優(yōu)勢(shì)屬性，為三維異構(gòu)集成以及半導(dǎo)體器件性能的提升打開了新的思路。斯坦福大學(xué)電氣工程及材料科學(xué)與工程教授Eric Pop（埃里克·波普）在11月18日舉辦的安徽省新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)大會(huì)暨集成電路材料高端論壇上表示，二維材料可以在低溫條件（相對(duì)硅）下進(jìn)行制備和移層的特點(diǎn)，使其能夠作為一個(gè)優(yōu)選項(xiàng)，融合到三維異構(gòu)集成工藝的后道工序中。

材料發(fā)展推動(dòng)半導(dǎo)體及電子設(shè)備演變

半導(dǎo)體材料的發(fā)展史，也是半導(dǎo)體器材乃至智能終端的演變史。20世紀(jì)60年代提出的相變材料理論,在英特爾和美光的推動(dòng)下于2010年前后進(jìn)入商業(yè)化進(jìn)程，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。20世紀(jì)80年代，法國(guó)科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾和德國(guó)科學(xué)家彼得·格林貝格發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)，1991年IBM應(yīng)用該技術(shù)推出首款3.5英寸的1GB硬盤。接下來，OLED、藍(lán)光LED、碳納米管、石墨烯等材料陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)或論證，目前IGZO、OLED、藍(lán)光LED已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化并用于顯示等產(chǎn)業(yè)。

二維材料的提出和論證，為半導(dǎo)體器件的性能提升帶來了全新的想象空間。二維材料是指厚度約為1-3個(gè)原子層的材料，有金屬、絕緣體或半導(dǎo)體等種類。二維材料最經(jīng)典的例子是石墨烯，這種由碳原子形成的單層正六邊形薄膜厚度僅約3埃，也是2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的主要課題。如果將碳原子換成硼原子和氮原子，就能得到結(jié)構(gòu)與石墨烯相似的氮化硼。

Eric Pop以二硫化鉬為例，介紹了二維材料令學(xué)術(shù)界振奮的特征。二硫化鉬的厚度約為3個(gè)原子層，鉬原子層夾在中間，硫原子位于兩側(cè)。其優(yōu)勢(shì)吸引了多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的注意。一是電子和空穴遷移率表現(xiàn)優(yōu)異，超過同樣厚度的硅膜，這對(duì)于電子應(yīng)用非常重要。二是遷移率能夠在薄至亞納米級(jí)別的單層結(jié)構(gòu)中得到保持，這是目前無法在硅材料實(shí)現(xiàn)的。三是二硫化鉬能夠在側(cè)壁上制備，且能夠以一些創(chuàng)新的方式集成。四是二硫化鉬的片層之間靠結(jié)合力較弱的范德華力結(jié)合，這就意味著它不會(huì)牢牢地粘附在任何基材上，能夠與非晶氧化硅等各種類型的基材在低溫條件下集成，且不需要晶格匹配。

斯坦福大學(xué)教授Evan Reed的研究指出，二維材料的數(shù)量在一千種以上，包括帶隙基本為零的石墨烯，帶隙在1到3 eV左右的半導(dǎo)體，以及帶隙較寬的絕緣體。Eric Pop表示，二維材料難以直接與硅競(jìng)爭(zhēng)，但可以彌補(bǔ)硅的短板。

“我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研究了大約10種不同的二維材料，還有一千多種材料有待研究。二維材料需要探索和試驗(yàn)的東西還有很多，前景也非常廣闊。”Eric Pop說。

二維材料是三維異構(gòu)集成的優(yōu)選項(xiàng)

智能化帶來的數(shù)據(jù)洪流，正在對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算架構(gòu)帶來挑戰(zhàn)。當(dāng)前的計(jì)算機(jī)大多由不同的獨(dú)立芯片組成，數(shù)據(jù)在邏輯芯片和存儲(chǔ)芯片間來回穿梭，限制了計(jì)算速度的提升。在這種趨勢(shì)下，從傳統(tǒng)平面集成向垂直立體集成延伸的三維集成技術(shù)，引起了學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的重視。

“我們認(rèn)為未來的計(jì)算架構(gòu)會(huì)對(duì)邏輯芯片和存儲(chǔ)芯片進(jìn)行三維垂直整合。在這個(gè)過程中，上層的設(shè)計(jì)，即后道工序中可以使用二維材料。只要這些二維材料與硅襯底兼容，低層或底層的硅基層就不需要更換?！盓ric Pop說。

目前，Eric Pop研究團(tuán)隊(duì)能夠在相對(duì)較低的溫度下制備或轉(zhuǎn)移二維材料，并能夠在不超過兩個(gè)小時(shí)的制備時(shí)間內(nèi)制造三維異構(gòu)集成芯片。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)能夠利用二維材料制備具有高深寬比（溝槽的深度/溝槽的寬度）的三維測(cè)試結(jié)構(gòu)，在結(jié)晶二維半導(dǎo)體上，Eric Pop團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)13的溝槽高寬比,這是硅難以做到的。

“如今DRAM和閃存的制造過程通?；诠瑁珒烧咧圃焖璧臏囟确秶煌?。這給了我們一個(gè)想法，既然我們可以在相對(duì)低的溫度下進(jìn)行二維材料的制備和移層，那我們可以用二維材料垂直搭建三維晶體管。二維半導(dǎo)體其實(shí)可以作為一個(gè)優(yōu)選項(xiàng)，融合到三維異構(gòu)集成工藝的后道工序邏輯之中。”Eric Pop說。

晶體管是材料特性的試金石。2016年，Eric Pop團(tuán)隊(duì)展示了10nm級(jí)二維晶體管，并實(shí)現(xiàn)了400微安/微米的創(chuàng)紀(jì)錄電流密度。但團(tuán)隊(duì)很快意識(shí)到，彼時(shí)的二維晶體管嚴(yán)重受限于接觸電阻，較高密度的電流通過原子級(jí)薄的材料，會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)熱。

為了解決接觸電阻對(duì)二維晶體管性能提升的限制，Eric Pop團(tuán)隊(duì)使用氧化鋁摻雜并作為二維材料的封裝層，通過對(duì)觸點(diǎn)邊緣進(jìn)行摻雜，團(tuán)隊(duì)可以獲得較高的電流密度和較低的接觸電阻。

另一個(gè)需要解決的問題是發(fā)熱對(duì)于二維晶體管的影響，尤其是在三維異構(gòu)集成中，存在諸多接觸面和低導(dǎo)熱率材料，各種材料、器件“互相煎熬”，會(huì)導(dǎo)致晶體管、連接器發(fā)燙。一旦內(nèi)存發(fā)燙，數(shù)據(jù)保留時(shí)間、可靠性等性能都會(huì)受到影響。

在研究二維材料熱性能的過程中，Eric Pop團(tuán)隊(duì)注意到二維材料在平面內(nèi)和平面間的導(dǎo)熱率是不同的。在平面內(nèi)，二維材料往往具有良好的導(dǎo)熱性。一旦被堆疊起來，二維半導(dǎo)體的導(dǎo)熱率會(huì)變低。基于這一特性，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了二維堆棧的平面外導(dǎo)熱性。

“我們把導(dǎo)熱率設(shè)計(jì)得極低，使用了多層二硒化鎢、硫化鉬和石墨烯，這些材料層的平面內(nèi)和平面間導(dǎo)熱率非常低，達(dá)到0.01瓦/米開爾文，比空氣導(dǎo)熱率還低。這就形成了一個(gè)人工絕熱體?！盓ric Pop表示。

二維材料的跨平面導(dǎo)熱性還被Eric Pop團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用于熱敏晶體管的制作。

“當(dāng)我們?cè)谳^厚的二硫化鉬膜中夾入鋰，跨層導(dǎo)熱率會(huì)明顯下降，大概會(huì)降為原來的1/10。如果把鋰抽出來，跨層導(dǎo)熱率又會(huì)提升10倍左右。盡管切換的速度并不快，但本質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)熱敏晶體管。我們正在進(jìn)行研究如何使它成為一個(gè)反應(yīng)更快的熱敏晶體管，并將它用于操縱電子芯片的熱瞬態(tài)，前提是實(shí)現(xiàn)更快的切換速度?！盓ric Pop表示。

二維材料的商用要充分考慮工程實(shí)現(xiàn)

雖然二維材料的優(yōu)勢(shì)和前景已經(jīng)被學(xué)術(shù)界論證，但如何實(shí)現(xiàn)商用并真正作用于終端設(shè)備，仍然需要學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的聯(lián)合推動(dòng)。

Eric Pop注意到，在已經(jīng)商用化的半導(dǎo)體材料中，IGZO（銦鎵鋅氧化物）從理論提出到的商業(yè)化歷時(shí)最短。從2004年日本東京工業(yè)大學(xué)的細(xì)野秀雄及其團(tuán)隊(duì)發(fā)表相關(guān)論文到2010年初面市，IGZO只用了十年左右的時(shí)間就被LG和蘋果公司用于顯示器的制造。

“IGZO之所以能夠快速完成商業(yè)化，一方面源于明確的市場(chǎng)需求。另一方面是該材料的遷移率和透光率都優(yōu)于當(dāng)時(shí)已有的解決方案。此外，IGZO只需整合已有技術(shù)，即當(dāng)時(shí)用于顯示器的非晶硅技術(shù)就能夠加工生產(chǎn)，因此能夠迅速應(yīng)用于消費(fèi)產(chǎn)品之中?！盓ric Pop表示。

二維材料的商業(yè)化路徑也有著異曲同工之處。Eric Pop指出，能夠取得商業(yè)成功的二維材料具有不尋常的特性，無法被體硅模仿，且能夠滿足工程實(shí)現(xiàn)。

“我們不僅要提出新穎、巧妙的想法，還要考慮制造上是否可行，在基于可信基準(zhǔn)的同時(shí)盡可能使用現(xiàn)存的制造技術(shù)?！盓ric Pop指出。他表示，一方面，諸如提升材料質(zhì)量或接觸電阻等孤立的改進(jìn)是不夠的，需要對(duì)接觸電阻、遷移率、更高質(zhì)量的制備和更少的缺陷等進(jìn)行通盤考慮。另一方面，學(xué)術(shù)界要充分與行業(yè)伙伴交流，彌合業(yè)界和學(xué)界之間的鴻溝。

二維材料的制備技術(shù)正在進(jìn)步。曾經(jīng)英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用膠帶從石墨晶體分離石墨烯，并在2010年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。Eric Pop表示，如今他的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)可以通過化學(xué)氣相沉積或化學(xué)氣相傳輸方法來制備二維材料。

“我們團(tuán)隊(duì)內(nèi)部會(huì)開玩笑說，我們不再使用任何膠帶獲取二維材料。在學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室，我們可以在25毫米到100毫米的芯片或晶圓上制備二維材料。通過與斯坦福大學(xué)教授Andy Mannix合作，我們已經(jīng)能夠以各種方式從不同角度堆疊二維材料，甚至達(dá)到了4英寸晶圓級(jí)別?！盓ric Pop說。

當(dāng)前，臺(tái)積電、英特爾、三星、IMEC都在進(jìn)行二維材料的研究，從制造技術(shù)層面探索二維材料的量產(chǎn)和商用。

“二維材料的量產(chǎn)和商用化已經(jīng)在路上，臺(tái)積電、三星、IMEC紛紛宣布在300mm及以上尺寸晶圓上實(shí)現(xiàn)了二維材料的制備。雖然質(zhì)量還不夠完美，但處于持續(xù)的改進(jìn)中。三星在大約10年前宣布實(shí)現(xiàn)了石墨烯生長(zhǎng)并將其轉(zhuǎn)移到更大體積的卷膜上，用于柔性電子和顯示。二維材料最大的挑戰(zhàn)不是制備，而是如何降低缺陷并實(shí)現(xiàn)良好的一致性。相信持續(xù)的研究經(jīng)費(fèi)投入和業(yè)界對(duì)于二維材料前景的樂觀預(yù)期，能夠推動(dòng)這一目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)?！盓ric Pop在郵件回復(fù)《中國(guó)電子報(bào)》記者中表示。

作者丨張心怡? ?編輯丨陳炳欣

美編丨馬利亞? ?監(jiān)制丨連曉東