续命摩尔定律!欧盟提出二维芯片材料规模化落地新方法

芯东西 2021-02-23 15:34
二维材料芯片不远了?用热固性“胶水”造出石墨烯芯片。
作者 |  温淑
编辑 |  Panken
芯东西2月23日消息,随着摩尔定律逼近“触顶”瓶颈,二维材料展示出巨大的潜力,能推动芯片向更小尺寸、更多功能发展。拥有独特属性的石墨烯,更是长期被视作能颠覆工业和技术应用现状的明星材料。但要将二维材料集成到半导体生产线中,尚且面临不少挑战。
近日,欧盟“石墨烯旗舰计划”的一项最新实验,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,刚刚发表在国际顶级学术期刊《自然·通讯》上。

▲《基于晶圆键合的二维材料及其异质结构的大面积集成》

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21136-0

这是欧盟2D-EPL项目的一个里程碑。欧盟“石墨烯旗舰计划”是欧洲有史以来最大的多方合作研究计划,投资预算达10亿欧元。
其中,耗资2000万欧元的“二维实验试验线(2D-EPL)”项目在近期启动,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,将基于二维材料的创新技术从实验室引向规模化生产和商业化落地。
根据论文,新转移方法原则上适用于任何二维材料,有望加速光子学、传感、神经拟态计算等技术进展。
“二维材料的整合可能会成为欧洲高科技产业真正的游戏规则改变者。”德国亚琛工业大学Max Lemme教授评价说。
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01.
二维材料:在IC产业前景巨大但落地难


二维材料的特性可能有益于推动芯片微缩化。近年来,研究人员探索越来越多新型二维材料,包括石墨烯、MoS2等半导体、hBN等绝缘体。如果将几种不同的二维材料垂直堆叠,就形成了许多功能更加丰富的新型范德华异质结构。

石墨烯(Graphene)是 一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的,六角型、呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,具备良好的导电性、热传导性、高强度、高电子迁移率等特性。

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%。

▲典型的石墨烯结构图

尽管理论上具备优良特性,但二维材料在集成电路生产线中的应用仍面临种种难点。比如,石墨烯晶体所需的生长温度极高,因此需在特殊基底上长晶。

在石墨烯芯片制备过程中,研究人员需要先在特殊的生长基底上长出石墨烯晶体,然后再将石墨烯晶体转移至另一个基底上,转移成功后才能构建出所需的传感器等器件。

但以往的研究中使用的石墨烯晶体转移方式,要么不适宜于大批量使用,要么会造成二维材料电学性能的严重退化。

而在本项研究中,研究人员利用一种名为双苯环丁烯(BCB)的标准电介质材料,以及传统的晶圆键合设备解决这一难题

论文还提到,研究人员用标准电子束(e-beam)光刻和干法蚀刻发来制作器件。由于依赖常见的集成电路工具和方法,这项研究成果或能加速新一代二维材料器件的出现。


02.
利用热固性聚合物+晶圆键合设备,
提升二维材料转移成功率


本项研究中,研究人员采用直径100mm的铜箔作为化学气相沉积(CVD)制单层石墨烯的生长基底、采用直径为1cm的带氧化层硅片(SiO2/Si)作为二硫化钼的生长基底,并将这两种材料转移至直径100mm的硅基底上。

根据论文,实验在室温下的真空室中进行,具体可以分为四步:

1、研究人员先在目标晶圆(直径100mm的硅基底)上旋涂一层热固性双苯环丁烯(BCB)胶,软烘烤去除溶剂并将其固化。

2、将长有石墨烯或者二硫化钼的生长基底,放置于目标晶圆的顶部,并使二维材料朝向热固性双苯环丁烯胶层。

3、通过使用晶圆键合设备,对晶圆施加热量和均匀的力,使得二维材料和目标晶圆之间形成稳定的键合。

4、晶圆键合后,通过蚀刻、分层,或使液体渗透到2D材料与生长基底之间,移去二维材料的生长基底,使二维材料转移到目标晶圆上。
转移结果显示,两种材料均在直径100mm的硅片上覆盖均匀,并表现出很小的应变。

▲上-二维材料晶圆级转移原理图;下-二维材料异质结构形成的原理图


03.
适用于各类二维材料异质结构转移


论文指出,双苯环丁烯(BCB)是一种热固性聚合物,通过加热,可在黏合层中形成交联的聚合物链,进而形成具有高化学稳定性的网络。
如果在转移过程中,BCB胶交联程度较低,研究人员可以通过适当改变加热温度和加热时间,使得BCB胶层重新成型。
基于此,研究人员亦可利用同一个BCB胶层,在同一目标晶圆上实现多次材料转移,并有可能通过垂直堆积二维材料组成异质结构。
为了探索该转移方法的通用性,研发人员演示了多种二维材料异质结构的转移实验,包括转移单层石墨烯、双层石墨烯结构、多层二硫化钼(MoS2)、多层六方氮化硼(hBN)以及石墨烯/hBN异质结构。
通过统计分析,实验结果证明 ,所有转移的层和异质结构都在100毫米大小的硅片上实现高质量的均匀覆盖,并在转移的二维材料中应变很小,同时转移过程与传统半导体工艺技术兼容。

▲多层hBN和单层石墨烯的异质结构示意图。图c为从非接触式太赫兹近场光谱仪中提取的Rsh空间分辨地图,显示多层hBN和单层石墨烯的异质结构均匀覆盖在整个高阻硅片上。

此外,研究人员还制备出场效应石墨烯器件(field-effect graphene devices)。
石英基底上制备出的石墨烯器件载流子迁移率范围通常在1700±700cm^2/(V ·S),而新型转移方法制备出的石墨烯器件载流子迁移率范围在2800±900 cm^2/(V ·S),最高可达4520 cm^2/(V ·S)。
这说明,采用新型转移方法与采用常规湿转移(wet transfer)相比,最终得到了性能相近的石墨烯器件。

04.
结语:石墨烯集成电路应用仍待解决更多难题


传统硅基集成电路产业赖以生存的摩尔定律日益逼近物理极限,带来产学界对于集成电路产业未来发展的担忧。这一背景下,石墨烯因具备优异的电学特性、导热性等优势,而被视为有望取代硅基材料的后备材料之一。

本项研究提出的新型转移方式,解决了二维材料在各类基底的集成电路上构建器件的一个挑战。但是,石墨烯等材料在集成电路产业中的应用仍有缺乏适合的能隙宽度、成本较高、未得到大规模验证等许多其他难题留待解决。

来源:Nature Communications、Printed Electronics World


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