「智东西」Nature：1纳米芯片将成可能，台积电研制世界最薄二维半导体材料

看点：台积电成功研发出全球最薄的二维绝缘材料， 1纳米芯片工艺要来了。

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近日，台积电联手台湾交通大学成功研制出了一种全球最薄、厚度只有0.7纳米的基于氮化硼的超薄二维半导体绝缘材料，可望借此进一步开发出2纳米甚至1纳米制程的芯片，该成果发表在最近的《自然》期刊上。
氮化硼（BN）并非全新材料，之所以重要是因为其本身不仅具有良好的散热效果，更是一种出色的绝缘体。先进制程中会需要绝缘体的存在，他们存在的意义通常是要协助电子能顺利通过晶体管里的通道，当制程持续往下走，通道势必越来越小。若没有很好的绝缘体，晶体管之间的串扰会很大，导致芯片的效能表现大打折扣。当制程步入3纳米以后，过去7纳米， 5纳米所采用的氧化物绝缘体材料将不再适用，原因是因为这些氧化物绝缘体都是三维的，容易使一些电荷依附在上面，造成电流不易通过。
本期的智能内参，我们推荐台积电的论文《铜（111）面上单层晶圆级六方氮化硼单晶》，权威解读台积电最新研发的二维半导体绝缘材料。
以下为论文全文翻译：
超薄二维半导体层状材料为摩尔定律在集成电路继续发展提供了巨大的潜力。二维半导体的一个关键挑战是避免从相邻的电介质形成电荷散射和陷阱位点。六方氮化硼（hBN）的绝缘范德华层提供了出色的界面电介质，有效地减少了电荷的散射。最近的研究表明，在熔融金表面或块状铜箔上可以生长出单晶hBN膜。然而，由于熔融金的高成本，交叉污染以及过程控制和可扩展性的潜在问题，导致其不被工业界所青睐。铜箔可能适用于卷对卷工艺，但不太可能与晶圆上的先进微电子工艺兼容。
因此，寻求一种可靠的在晶圆上直接生长单晶hBN膜的方法将有助于二维材料在工业中的广泛采用。先前在Cu（111）金属上生长hBN单层的尝试未能实现单向性，当这些层合并成膜时会导致不希望的晶界。即使在理论上，也普遍认为在诸如Cu（111）这样的高对称性表面上生长单晶hBN是不可能的。尽管如此，这篇文章报告了在两英寸c-plane蓝宝石晶圆上的Cu（111）薄膜上单晶hBN单层的外延生长。
作者通过第一性原理计算结果证实了这一令人惊讶的结果，这表明通过hBN侧向对接Cu（111）步骤可增强外延生长，从而确保hBN单层的单向性。所获得的单晶hBN以底栅配置作为二硫化钼和二氧化铪之间的界面层并入，提高了晶体管的电性能。这种生产晶圆级单晶hBN的可靠方法为将来的二维电子学铺平了道路。
首先，需要制备晶圆的单晶Cu（111）薄膜。厚箔中的单晶铜可以通过注入种子引起的重结晶来实现。然而，晶圆上形成Cu（111）薄膜的结晶度强烈依赖于下面的衬底晶格。在这里，我们使用c-plane蓝宝石作为衬底，在其上溅射500nm厚的多晶Cu膜，然后进行热退火以获得单晶Cu（111）膜。这种方法的难点在于， Cu（111）倾向于通过动力学生长过程形成由双晶晶界隔开的双晶。图1a说明了典型的孪晶Cu（111）结构的原子排列。作者发现，在高温（1,040–1,070 ℃）下，在氢气的存在下进行后退火是去除孪晶的关键。
图1b ， c显示了在1,000 ℃和1,050 ℃退火后的Cu（111）薄膜的光学显微照片和电子背散射衍射（EBSD）图。 EBSD结果证实了在1,000 C退火的Cu薄膜中，孪晶Cu（111）多晶在0°和60°面内取向不良的情况下共存。在1050℃下退火后，去除面内取向不良，生成单晶Cu（111）。 X射线衍射结果也证明了这种方法获得单晶Cu（111）薄膜是可行的。这里需要注意的是，优先选用较薄的Cu膜形成Cu（111），但是也需要足够厚的Cu膜以防止在随后的hBN生长期间Cu蒸发。因此，对于单晶hBN生长，存在最佳的Cu厚度（约500 nm）。