华人科学家主导!MIT 造出三原子厚的晶体管

2023-05-02 10:34:53 来源:EETOP编译

新兴的人工智能应用,如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块状材料制成的,这些材料是方形的3D 结构,因此堆叠多层晶体管以实现更密集的集成非常困难。

然而,由超薄二维材料制成的半导体晶体管,每个只有三个原子的厚度,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展示了一种新技术,可以直接在完全制造的硅芯片上有效且高效地生长二维过渡金属二硫化物 (TMD) 材料层,以实现更密集的集成。

将二维材料直接生长到硅CMOS 晶圆上是一项重大挑战,因为该过程通常需要大约600 摄氏度的温度,而硅晶体管和电路在加热到400 摄氏度以上时可能会损坏。现在,麻省理工学院研究人员的跨学科团队已经开发出一种不会损坏芯片的低温生长工艺。该技术允许将二维半导体晶体管直接集成在标准硅电路之上。

过去,研究人员在其他地方生长二维材料,然后将它们转移到芯片或晶圆上。这通常会导致缺陷,从而影响最终设备和电路的性能。而且,在晶圆规模上顺利转移材料也变得极其困难。相比之下,这种新工艺可以在整个8英寸晶圆上生长出一个光滑、高度均匀的层。

新技术还能够显著减少生长这些材料所需的时间。以前的方法需要超过一天的时间来生长单层二维材料,而新方法可以在不到一个小时的时间内在整个8 英寸晶圆上生长出均匀的TMD 材料层。

由于其速度快和均匀性高,这项新技术使研究人员能够成功地将二维材料层集成到比之前展示的更大的表面上。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。

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“使用二维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。传统的情况是只有一层,因此它不会容纳很多人。但是随着楼层的增加,大楼将容纳更多的人,从而可以实现令人惊叹的新事物。由于我们正在研究的异质集成,我们将硅作为第一层,然后可以将多层二维材料直接集成在上面。”电子工程和计算机科学研究生、关于这项新技术的论文的共同主要作者朱佳迪(音译)说。

朱与共同主要作者、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。该论文近日发表在Nature Nanotechnology上。

具有巨大潜力的超薄材料

研究人员关注的二维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。

在表面上以良好的均匀性生长二硫化钼薄膜通常是通过称为金属有机化学气相沉积 (MOCVD)的工艺完成的。六羰基钼和二亚乙基硫是两种含有钼和硫原子的有机化合物,它们在反应室内蒸发并被加热,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体(precursors)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,研究人员跳出思维定势——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熔炉。

烘箱由两个腔室组成,前部是低温区,放置硅片,后部是高温区。汽化的钼和硫前体被泵入熔炉。钼停留在低温区域,温度保持在400 摄氏度以下——热到足以分解钼前体,但又不会热到损坏硅芯片

硫前体流经高温区,在那里进行分解。然后它流回低温区,在那里发生化学反应,在硅片的表面上生长出二硫化钼。

“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,我们在高温区粉碎和研磨辣椒,然后粉末流回低温区。”朱解释道。

更快的生长和更好的均匀性

该工艺的一个问题是硅电路通常将铝或铜作为顶层,因此芯片可以在安装到印刷电路板上之前连接到封装或载体。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,这会破坏它们的导电性。研究人员通过首先在芯片顶部沉积一层非常薄的钝化材料来防止硫化。然后再打开钝化层进行连接。

他们还将硅片垂直放置到炉子的低温区域,而不是水平放置。通过垂直放置,两端都不会太靠近高温区域,因此晶圆的任何部分都不会被热量损坏。此外,钼和硫气体分子在撞击垂直芯片时会旋转,而不是流过水平表面。这种循环效应促进了二硫化钼的生长并导致更好的材料均匀性。

除了产生更均匀的层外,他们的方法也比其他MOCVD 工艺快得多。他们可以在不到一个小时的时间内生长一层,而通常MOCVD 生长过程至少需要一整天。

使用最先进的MIT.Nano设施,他们能够在 8 英寸硅晶圆上展示高材料均匀性和质量,这对于需要更大晶圆的工业应用尤为重要。

“通过缩短生长时间,该过程效率更高,并且可以更容易地集成到工业制造中。此外,这是一种与硅兼容的低温工艺,有助于将二维材料进一步推向半导体行业。”朱解释到。

未来,研究人员希望微调他们的技术,并用它来生长许多堆叠的二维晶体管层。此外,他们还想探索低温生长过程在柔性表面(如聚合物、纺织品甚至纸张)中的应用。这可以将半导体集成到衣服或笔记本等日常用品上。

“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早期职业教授、电子与计算机工程、化学工程和材料科学副教授王涵(Han Wang)说,他没有参与这项研究。“在8英寸尺度上的低热预算增长的新能力使这种材料与硅CMOS技术的后端集成成为可能,并为其未来的电子应用铺平了道路。”

这项工作部分由麻省理工学院士兵纳米技术研究所、国家综合量子材料科学基金会中心、爱立信、MITRE、美国陆军研究办公室和美国能源部资助。该计划亦受惠于台积电大学穿梭计划的支持。

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