[技术]超薄二维半导体研制成功，1纳米芯片或成可能 |中芯国际|台湾积体电路制造公司|蓝宝

近年来，随着晶体管特征尺寸的缩小，由于短沟道效应等物理规律和制造成本的限制，主流硅基材料与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术正发展到10纳米工艺节点而难以突破。 2019年，中芯国际集成电路制造有限公司完成了14纳米芯片的量产，并以“N+1”制程冲击7纳米工艺。
从晶体管诞生之初，人类就千方百计地想将其缩到最小，目前全球最顶尖的7纳米工艺已经接近物理极限。一旦低于5纳米，晶体管中电子的行为将受制于量子不确定性，很容易产生隧穿效应，晶体管变得不再可靠，芯片制造面临巨大挑战。
各国科学家积极探索各种新技术、新工艺、新材料，二维材料是这些新兴研究领域中的佼佼者。二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1～100nm）上自由运动（平面运动）的材料。例如，目前备受瞩目的“石墨烯”就是一种典型的二维材料，此外还有六方氮化硼（hBN）、二硫化钼、黑磷等。
根据摩尔定律表述，当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。二维半导体层状材料为摩尔定律在集成电路的继续发展提供了巨大潜力，而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。其中，六方氮化硼的绝缘范德华层提供了出色的界面电介质，可有效地减少电荷的散射。
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，导致其并不被工业界所青睐。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应用。
近日，台积电、台湾交通大学的研究人员，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（BN）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，相关研究成果已发表于《自然》期刊。

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图1 交大教授张文豪（右二）与台积电处长李连忠（左二）、台积电技术主任陈则安（左一）团队成功开发出全
此前，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产生不理想的晶界。理论上，学者们也普遍认为在诸如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，台积电及台湾交通大学的研究者们在两英寸c-plane蓝宝石晶圆上的Cu（111）薄膜上实现了单晶hBN单层的外延生长。
他们在制备晶圆的单晶Cu（111）薄膜过程中，发现在高温（1040～1070 ℃）下，在氢气的存在下进行后退火是去除孪晶的关键；而对于单晶hBN的生长，则存在着最佳的Cu厚度（约500纳米）。他们认为，实现单取向hBN三角形薄片的生长是获得晶圆级单晶hBN的重要步骤，因此他们在热壁化学气相沉积（CVD）炉中将氨硼烷前体流到1英寸单晶Cu（111）薄膜/蓝宝石上来进行hBN单层的生长，而消除Cu（111）中的孪晶晶粒将确保在其上生长出单晶hBN 。
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图2 将氮化硼转移至硅晶圆上，蓝色可见部分为支撑膜

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图3 hBN转移过程
同时，他们采用更高的温度（通常为1050 ℃）来确保高质量的单晶hBN生长。接下来，通过进一步的模拟及实验结果表明， Cu（111）表面具有台阶边缘是实现单晶hBN生长的关键。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。