作者:九林

 

2D材料是摩尔定律的颠覆者之一。

 

众所周知,当摩尔定律走向终结,芯片未来设计开始面临种种困难,由于功能性器件特征尺寸不断地减小,器件中出现的尺寸效应、量子效应、短沟道效应以及热效应等会导致器件性能下降甚至失效。基于传统半导体材料的硅基功能性器件已经达到极限。

 

如果从设计合理的硬件和算法等方面着手提高性能,达到的效果始终有限,那么,从新型半导体材料本身出发去寻找新的器件性能,无疑是一个好的方向。

 

2D材料的开始

 

2D材料是一种在厚度方向上仅仅具有单个或者多个原子层,并且依靠层间的范德瓦尔斯力堆积而成的层状材料。一开始2D半导体材料主要围绕碳基成果展开,包括碳纳米管、石墨烯等碳基材料。IBM一项研究表明,相比硅基芯片,石墨烯芯片在性能和功耗方面将有较大提升。比如,硅基芯片制程从7nm推进至5nm,芯片速度将有20%的提升;而7nm制程的石墨烯芯片相比7nm制程的硅基芯片,速度提升高达300%。

 

2D材料的本质是延续电子摩尔定律,很多实验室的数据都能够证明,碳基2D材料可以较好的延续电子摩尔定律。随着基于Si的晶体管沟道越来越小,即使栅极上没有电压,电流也开始在其上泄漏。而2D材料可以被构造成几个甚至单个原子层,从而提供了提供非常薄的沟道区域的可能性,并且无需担心短沟道效应。

 

而在石墨烯被发现后,由于二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)具有类似的结构,成为一种新型的类石墨烯材料。因此,除去石墨烯外,以过渡金属硫族化合物为代表的如MoS2、WS2、WSe2以及黑磷等材料,也被认为是2D材料。其中,研究最广泛的是二硫化钼MoS2。理论上,与二硫化钼相比,电子应该更快的穿过二硫化钨(另一种 2D 材料)。但在英特尔的实验中,二硫化钼器件更胜一筹。

 

实验报告,基于MoS2设备的最高迁移率值接近理论值200cm2/Vs。由于在极薄厚度下具有高迁移率,斯坦福大学的研究人员也认为,在10nm以下工艺中MoS2等过渡金属二硫化物 (TMD)是晶体管材料的首要选择。

 

面对如何延续摩尔定律的问题,2D材料是强有力的种子选手。但目前来看,2D材料如何工业化是一个需要突破的问题。

 

何时走出实验室?

 

在工业生产中,要使整个半导体行业采用新材料无疑是一个极具颠覆性的过程。目前的半导体业想要继续保证半导体6000亿美元市场的持续增长,正在为扩展摩尔定律焦头烂额,但仍没有一个新的技术能够保证一定延续摩尔定律。这也是为什么2D材料开始成为业界的关注焦点。

 

但2D材料如今的情况是只能在实验室中小批量生产,用来支持学术研究。从2D材料继承到扩大工业化的过程中面临着诸多问题,其中包括设计工具的改变、材料生长、材料转移和生产线的集成。

 

将2D材料实现工业化的第一个问题就是解决设计工具和工艺。想要按照目前业界的良率标准生产8英寸或者12英寸的晶圆,并不是一件容易的事情。这其中的每一步都需要专门设计和定制专业的生产工具。

 

从材料生产开始,化学气相沉积 (CVD) 是生产石墨烯和其他2D材料(如六方氮化硼)最广泛使用的工艺。

 

生产石墨烯涉及将加热的基板在真空中暴露于含碳气体。随着气体沉积在热基板表面上,碳会生长成石墨烯独特的蜂窝状图案。这个过程需要严格控制温度和其他参数,以确保高质量的材料可以生长到所需的晶圆尺寸。

 

生长过程之后是干转移过程,该过程将材料与生长衬底分离并将其移动到生产晶圆上。

 

这些流程的自动化是保证2D材料能够工业生产的关键。

 

imec为在12英寸集成流程中采用这些2D材料奠定了基础。设计了一系列流程用于研究各种处理条件的影响并努力提高性能。例如,可以使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)演示2D材料在12英寸晶圆上的高质量生长,该过程是通过化学反应在表面沉积晶体的过程。使用该工具,可以在整个12英寸晶圆上以单层精度控制厚度。实验表明,较高的沉积温度(即950°C)对镀层的结晶度和缺陷率有有益的影响。

 

目前,除了沟道材料的质量和缺陷率的控制仍然是提高器件性能的最大挑战外,另一个有待解决掉是关于源极/漏极触点的接触电阻,需要降低到可接受的水平。

 

由于原子级薄的2D材料(如 MoS 2)是扩展摩尔定律的候选材料之一,因此必须优化它们的触点,以便它们成为硅的合适替代品或补充品。降低接触电阻的解决方案,可以实现更高的电流和更好的节能效果。

 

对此,半导体业也提出不同的解决方法。

 

中国台湾大学、台积电和麻省理工(MIT)便共同发布了1nm以下芯片重大研究成果,首度提出利用半金属铋(Bismuth,化学符号Bi)作为2D材料的接触电极。

 

2022年4月斯坦福大学开发了一种在单层二维半导体上制造合金金属触点的新技术。这项研究可以让这些 2D 半导体晶体管可靠且可重复地工作。

 

在旧金山举行的 2021 IEEE 国际电子设备会议 (IEDM 2021) 上,英特尔、斯坦福和台积电的研究人员提出在半导体与金属接触的地方有尖锐的电阻尖峰。

 

台积电则考虑通过使用半金属作为触点材料来降低半导体和触点之间的能垒。半金属(例如锑)是一种处于金属和半导体之间、并且具有零带隙的材料,由此产生的肖特基势垒非常低。

 

2D半导体材料的未来路线图

 

2D 半导体研究始于 2011 年左右。从首次提出至今,石墨烯和2D材料(2DM)在科学和工程领域的研究已经持续了15年。

 

从国外进度来看,美国MIT于2019年开发用碳纳米管制造的超大计算机芯片,一颗由1.4万余个碳纳米管晶体管(CNFET)组成的16位微处理器,证明可以完全由CNFET打造超越硅的微处理器。

 

2021年,欧盟“石墨烯旗舰计划”,提出了一种将石墨烯和2D材料集成到半导体生产线的新方法,耗资2000万欧元的“二维实验试验线(2D-EPL)”,旨在成为首家将石墨烯和层状材料集成到半导体平台的石墨烯晶圆厂,将基于2D材料的创新技术从实验室引向规模化生产和商业化落地。

 

今年,韩国科学技术研究院宣布,由光电材料与器件中心的 Do Kyung Hwang 博士和物理系的 Kimoon Lee 教授领导的联合研究小组在国立群山大学通过开发新型超薄电极材料(Cl-SnSe2),成功实现了基于二维半导体的电子和逻辑器件,其电气性能可以自由控制。

 

国内方面,对于2D材料的研究也热火朝天。

 

中国松山湖材料实验室围绕2D材料研究的关键问题,实验室布局了四大方向,涵盖了从基础科研到应用探索的关键节点,具体是:2D材料的基础物理、高通量计算与理性设计,2D材料规模化制备与极限表征,二维体系中的奇异量子现象研究,基于2D材料的兼容工艺研发与原型器件探索。

 

中国科学院金属研究所于2019年10月制备出“硅-石墨烯-锗晶体管”,大幅缩短延迟时间,并将截止频率由兆赫兹提升至吉赫兹。中国科学院物理研究所张广宇团队在基于2D材料的透明、柔性器件大规模制备工艺方面取得突破性进展,实现了柔性衬底上集成度大于 1000 且良品率达到 97%。

 

此外,北京大学、南京大学、复旦大学等高校都在2D材料的研究上有所突破。

 

北京大学物理学院刘开辉教授、王恩哥院士和俞大鹏院士等围绕大尺寸二维单晶材料制备展开新机理探索和核心技术攻关,提出并发展了一套金属衬底上米级二维单晶的通用原子制造技术,实现了石墨烯单晶的超快生长、米级单晶石墨烯的外延制备、百平方厘米级单晶氮化硼薄膜制备以及30余种A4尺寸高指数单晶铜箔库的制备。

 

南京大学王欣然团队和北京大学刘开辉团队成功实现晶圆级2D材料单晶的生长制备,为2D材料的研究与应用奠定坚实的材料基础。

 

复旦大学周鹏团队和中国科学院物理研究所高鸿钧团队在基于2D材料的浮栅存储器的研究领域取得突破性进展,实现了纳秒级的写入及读取速度,且开关比高达10,从而在性能上形成了对基于传统半导体技术的存储器件的绝对优势。

 

复旦大学周鹏团队致力于基于新型二维(2D)层状材料的低功耗、高能效电子器件及系统集成研究,致力于2D材料在超快存储器中的应用,包括2D准非易失性存储器,半浮栅存储器和神经拟态突触电子学等,近期团队的研究兴趣已扩展至基于2D原子晶体的新型存内计算逻辑器件及存算融合系统。

 

2D材料的喜忧参半

 

总体而言,二维半导体器件的前景是喜忧参半。虽然最近的研究表明材料生长和触点制造方面取得了重大进展,但尚未证明可以与前沿硅竞争的设备。当它们确实出现时,它们很可能涉及与当前晶圆厂不同的材料和工艺。

 

在此前的国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议上,中共中央政治局委员、国务院副总理、国家科技体制改革和创新体系建设领导小组组长刘鹤主持会议,讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。

 

作为新型半导体材料的2D材料,无疑是具有颠覆力的选手。但从实验室到工业厂,2D材料还需要时间。