生长问题获解决，2D材料或可大规模应用

TechSugar 编者按

一种新的低温生长和制造技术可将2D材料直接集成到硅电路中，制造出更紧凑、性能更强大的芯片。

新兴的AI应用，如能生成自然人类语言的聊天机器人，需要更紧凑、性能更强大的计算芯片。但传统的半导体芯片是用块状材料制成的，这些材料都是方形的3D结构，因此想要堆叠多层晶体管以实现更紧凑的集成非常困难。

但是，由超薄2D材料制成的半导体晶体管——每个只有大约三个原子的厚度——可以实现堆叠并制造出性能更强大的芯片。为此，麻省理工学院的研究人员展示了一种新技术，该技术可以有效、高效地在已有的硅晶圆上直接“生长”2D过渡金属二硫化合物（TMD）材料层，以实现更紧凑的集成。

在硅CMOS晶圆上直接生长2D材料是一项重大挑战，因为该工艺通常需要大约600摄氏度的温度，而硅晶体管和电路在加热到400摄氏度以上时就可能会发生故障。现在，麻省理工学院的跨学科研究团队开发了一种低温生长工艺，它不会损坏芯片。该技术可以让2D半导体晶体管直接集成到标准硅电路上。

过去，研究人员通常在其他地方完成2D材料的生长，再将其转移到芯片或晶圆上。这通常会产生一些缺陷，从而影响器件和电路的最终性能。此外，在晶圆级别，成功转移材料变得极其困难。相比之下，这种新工艺可以在整个8寸晶圆上生长出一层光滑、高度均匀的层。

这项新工艺还能够显著减少这些材料的生长时间。以前的工艺需要一天以上的时间来生长单层2D材料，但新工艺可以在不到一小时的时间内就可在整个8寸晶圆上生长出均匀的TMD材料层。

由于生长速度快和高均匀性，这项新工艺让研究人员能够成功地将2D材料层集成到史无前例的大表面上。这使得他们的方法更适合用于商业应用，这些应用多数采用8寸或更大的晶圆尺寸。

“使用2D材料是提高集成电路密度的一种行之有效的方法。我们的研究就像建造一栋多层建筑。如果如传统情况那样只有一层楼，就不能容纳很多人。但随着楼层的增加，这座建筑就可以容纳更多的人，从而可以实现很多不可思议的新功能。目前正在研发的异构集成技术，可以帮助实现底层是硅材料，然后在上面集成多层2D材料的结构。”电子工程和计算机科学研究生Jiadi Zhu表示。

潜力无限的纤薄材料

研究人员重点研究的2D材料是二硫化钼，它具有柔性、透明性和强大的电子和光子特性，是半导体晶体管的理想材料。它由两个硫化物原子和在它们之间的一层钼原子组成。

在非常均匀的表面上生长二硫化钼薄膜通常采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）的工艺实现。六羰基钼和二亚乙基硫这两种含有钼和硫原子的有机化合物在反应室内加热蒸发后，“分解”成更小的分子。然后，它们通过化学反应，在表面形成二硫化钼链。

但是，分解这些被称为前驱体的钼和硫化合物需要550摄氏度以上的温度，而当温度超过400摄氏度时，硅电路就会开始降解。

因此，研究人员开始另辟蹊径——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炉管。

该炉管由两个腔室组成，一个是放置硅晶圆的前低温区域，另一个是后高温区域。汽化的钼和硫前驱体被泵送至炉管中。钼停留在低温区，温度保持在400摄氏度以下——这一温度足以分解钼前驱体，但不会损坏硅芯片。

硫前驱体流入高温区域，在那里分解。然后回流至低温区，在那里发生化学反应，在晶圆表面生长二硫化钼。

Zhu解释道：“可以将分解步骤想象成制作黑胡椒——一整粒胡椒，将它磨成粉末。即在高温区域打碎并研磨胡椒，然后粉末流回低温区域。”

生长更快，均匀性更佳

这种工艺也存在一个问题，硅电路的顶层通常为铝或铜材料，这样芯片可以在集成到印刷电路板上之前可以和封装或载体进行连接。但硫会导致这些金属硫化，就像一些金属暴露于氧气中时会生锈一样，这会破坏它们的导电性。研究人员通过在芯片顶部先沉积一层非常薄的钝化材料来防止硫化。然后，可以通过去除钝化层后进行连接。

他们还将硅晶圆垂直放置在炉管的低温区域，而不是水平放置。通过垂直放置，硅晶圆的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高温损坏。此外，钼和硫的气体分子在撞击垂直芯片时会旋转，而不是在水平表面上流动。这种循环效应可以改善二硫化钼的生长，让材料均匀性更好。

除了能产生更均匀的层外，他们的方法也比其他MOCVD工艺的生长速度快得多。他们可以在不到一小时的时间内生长出一层，而MOCVD生长过程通常至少需要一整天。

利用麻省理工学院纳米科学与技术中心最先进的设施，他们能够在8寸硅晶圆上生长出高均匀性和高质量的材料，这对需要大晶圆的工业应用尤其重要。

“通过缩短生长时间，该工艺的效率更高，更容易集成到工业制造中。此外，这是一种与硅兼容的低温工艺，有助于将2D材料进一步应用于半导体行业。”Zhu表示。

未来，研究人员希望对他们的技术进行调整，并用它来生长许多堆叠的2D晶体管层。此外，他们还想探索低温生长工艺在聚合物、纺织品甚至纸张等柔性表面的应用，这可以实现将半导体集成到衣服或笔记本等日常用品上。

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