半導(dǎo)體材料將迎來“黃金時代”

近日，天津大學(xué)納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心的馬雷團隊攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，創(chuàng)造了一種新型穩(wěn)定的半導(dǎo)體石墨烯，再次引發(fā)行業(yè)對石墨烯的關(guān)注。

事實上，在摩爾定律逼近極限之際，通過半導(dǎo)體材料創(chuàng)新提升集成電路性能早已成為行業(yè)關(guān)注的焦點。此前，繼荷蘭ASML、日本佳能相繼官宣2nm制造設(shè)備最新進展后，一眾半導(dǎo)體制造材料廠商紛紛表示：未來十年，半導(dǎo)體制造材料領(lǐng)域?qū)⒂瓉怼包S金時代”。

下一個十年是“材料時代”

德國默克集團電子業(yè)務(wù)CEO凱?貝克曼說，現(xiàn)在電子行業(yè)正在從過去二十年里依靠工具推進技術(shù)的時代，轉(zhuǎn)向“材料時代”的下一個十年。半導(dǎo)體2nm時代，制程工藝逐漸逼近物理極限，簡單依賴更小的尺寸、更高的集成度實現(xiàn)集成電路更新迭代的方式已難以為繼。

在半導(dǎo)體材料制造商英特格CEO詹姆斯·奧尼爾看來，三十年前，先進生產(chǎn)工藝需要利用光刻機制備更小尺寸的晶體管，進而提升半導(dǎo)體性能，但當(dāng)前，材料創(chuàng)新已成為半導(dǎo)體性能提升的主要驅(qū)動力；凱?貝克曼支持這一觀點，認(rèn)為盡管光刻工具非常重要，但現(xiàn)在更重要的是半導(dǎo)體材料。

具體而言，芯片內(nèi)部晶體管的設(shè)計和堆疊日漸復(fù)雜，芯片制造已經(jīng)接近原子尺度的極限，未來半導(dǎo)體的發(fā)展不能僅僅依賴光刻技術(shù)，也需要新材料來共同推進。這一點在2nm時代顯得更為重要。

“2nm制程的芯片代工制造，對半導(dǎo)體材料性能提出了更高的挑戰(zhàn)?！辟惖涎芯吭焊呒?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E5%B8%88/">工程師池憲念向《中國電子報》記者表示，“一是在光刻方面需要光刻膠及輔材滿足更小線寬制造的需求；二是在小線寬布線方面需要接觸電阻低、較寬溫度范圍內(nèi)熱穩(wěn)定好、附著好、橫向均勻、擴散層薄等性能更高的金屬材料；三是在精細(xì)化硅晶圓加工和清洗方案方面，需要更多超細(xì)拋光材料和高純特氣等先進半導(dǎo)體材料?！?/p>

理論概念中的“完美設(shè)計”無遠(yuǎn)弗屆，現(xiàn)實中的芯片制造卻存在物理邊界。無論是針對設(shè)計愈發(fā)復(fù)雜的邏輯芯片，從傳統(tǒng)的平面型晶體管到鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET），再到全環(huán)繞柵極晶體管（Gate-All-Around FET）的多級跨越；還是存儲芯片在3D NAND領(lǐng)域的激烈競爭，以更多的芯片堆疊層數(shù)爭取更大的儲存容量，就像現(xiàn)在三星、SK海力士和美光等廠商生產(chǎn)的芯片層數(shù)已突破230層，正向300乃至更多層發(fā)起沖鋒。這兩個領(lǐng)域能否取得進一步發(fā)展，都不再簡單依賴光刻設(shè)備的升級，也呼喚著全新的尖端材料。

當(dāng)制造工藝和設(shè)備的“內(nèi)卷”逼近天花板，半導(dǎo)體材料有望成為行業(yè)的下一個風(fēng)口。詹姆斯·奧尼爾將當(dāng)前生產(chǎn)3D晶體管芯片比喻成“在直升機上給建筑噴漆”，需要將創(chuàng)新材料“均勻地覆蓋頂部、底部和側(cè)面”，目前材料行業(yè)正在想辦法從原子尺度上實現(xiàn)這一點。

什么樣的材料能擔(dān)當(dāng)大任？

什么樣的材料能擔(dān)當(dāng)如此重任？凱·貝克曼舉了個直接的例子，在當(dāng)前芯片制造中，銅被廣泛用作導(dǎo)電層，但為了制造更小、更先進的芯片，行業(yè)正在探索以鉬為代表的新材料。

以金屬鉬為例，其密度、硬度和熔點較高，導(dǎo)電性和耐高溫性較強，具有很好的抗氧化性和抗腐蝕性，可應(yīng)用于加熱元件、薄膜晶體管（TFT）和離子注入工藝等半導(dǎo)體關(guān)鍵領(lǐng)域。然而，以鉬為代表的貴金屬新材料開發(fā)也面臨諸多挑戰(zhàn)?！氨热缛绾卧诟〕叨壬媳３帚f材料的低接觸電阻、高電導(dǎo)率、低電遷移率、薄膜均勻結(jié)晶性、高熱擴散性、工藝可集成性等特性?！背貞椖钕蛴浾弑硎尽?/p>

雖然鉬的研究探索還在路上，但半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的另一位“老朋友”——半導(dǎo)體石墨烯的研究取得了重大突破。

近日，天津大學(xué)天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心的馬雷團隊，通過對外延石墨烯生長過程的精確調(diào)控，成功地在石墨烯中引入了帶隙，創(chuàng)造了一種新型穩(wěn)定的半導(dǎo)體石墨烯，實現(xiàn)了從“0”到“1”的突破。

據(jù)了解，石墨烯是目前已知的最薄也最堅硬的納米材料，不僅輕薄柔韌，還具有寬帶光響應(yīng)、高載流子遷移率、高熱導(dǎo)率等特性。但其獨特的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了零帶隙的特性，成為長期阻礙“石墨烯電子學(xué)”的難題，研究者們采用柵壓調(diào)控、化學(xué)修飾、缺陷工程及外部場效應(yīng)調(diào)控等多種外部干預(yù)手段均無法攻克。

天津大學(xué)天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心向記者表示，這項前沿科技是通過對生長環(huán)境的溫度、時間及氣體流量進行嚴(yán)格控制實現(xiàn)的，確保了碳原子在碳化硅襯底上能形成高度有序的結(jié)構(gòu)。這種半導(dǎo)體石墨烯的電子遷移率遠(yuǎn)超硅材料，表現(xiàn)出了十倍于硅的性能，并且擁有硅材料所不具備的獨特性質(zhì)。

“在主流石墨烯研究興起之前，外延石墨烯納米電子研究的核心目標(biāo)就是構(gòu)建一個能夠替代硅電子的2D納米電子平臺。這項研究證明原子排列高度有序的半導(dǎo)體石墨烯是一種性能優(yōu)異的2D半導(dǎo)體材料，與其他襯底上的石墨烯相比，外延石墨烯在納米尺度上的邊緣結(jié)構(gòu)更加有序，在其邊緣同樣可以表現(xiàn)出良好的一維導(dǎo)電特性。毫無疑問，該方法制備的超大單層單晶疇半導(dǎo)體外延石墨烯已經(jīng)為2D納米電子領(lǐng)域帶來了全新的可能性?！碧旖虼髮W(xué)天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心告訴記者說。

材料開發(fā)并非“另立門戶”

“隨著先進制程的尺寸不斷縮小，半導(dǎo)體制造已經(jīng)從依賴設(shè)備的情況逐漸過渡到通過優(yōu)化先進半導(dǎo)體材料來掌控 ‘更精細(xì)’工藝技術(shù)的局面。”池憲念告訴記者。

當(dāng)拉長時間線，在過去幾十年里，半導(dǎo)體行業(yè)的進步很大程度上是由設(shè)備，尤其是光刻設(shè)備的發(fā)展推動的。自1958年美國德克薩斯公司利用光刻技術(shù)試制世界上第一塊平面集成電路以來，光刻技術(shù)已經(jīng)支撐了半導(dǎo)體60余年的發(fā)展，這點在歷史進程中已被反復(fù)驗證。

因此，更確切地說，正是由于芯片制程工藝的不斷提升，所需的設(shè)備精密度也越來越高，才相應(yīng)地對材料純度也提出了更高要求。

“舉個例子，環(huán)繞柵極場效應(yīng)晶體管（GAAFET）工藝的應(yīng)用，需要配套更高級別的電子設(shè)計自動化（EDA）工具，這些工具需要與半導(dǎo)體材料進行同步實驗測試，才能實現(xiàn)2nm乃至更先進制程?！睒I(yè)內(nèi)專家告訴記者，材料的創(chuàng)新應(yīng)用仍需要與半導(dǎo)體設(shè)備相配合，才能最大限度發(fā)揮其重要性。與其說材料科學(xué)的開發(fā)探索是“另立門戶”，不如說是“錦上添花”的創(chuàng)新嘗試。

“當(dāng)然，新型半導(dǎo)體材料具備的電子遷移率、熱穩(wěn)定性和制造兼容性等屬性，將是實現(xiàn)更小、更高效芯片的關(guān)鍵?！睒I(yè)內(nèi)專家向記者進一步解釋，“但新材料的開發(fā)也面臨多重困難，最主要的是對現(xiàn)有半導(dǎo)體制造過程的改變。以鉬為例，化學(xué)機械拋光過程需要對漿料、墊片、墊片調(diào)節(jié)器、清潔劑等進行優(yōu)化，沉積過程也需要高純度的原材料和嚴(yán)格的過濾控制，以避免污染。”

不難看出，半導(dǎo)體新材料的開發(fā)也要充分考慮設(shè)備基礎(chǔ)，能否利用現(xiàn)有的制備設(shè)備和方法操作，成為新材料未來大規(guī)模應(yīng)用的重要因素?！斑@款半導(dǎo)體外延石墨烯是在太赫茲（THz）兼容的SiC襯底上生長的?！碧旖虼髮W(xué)研究團隊告訴記者，“SiC本身已經(jīng)成為越來越重要的商業(yè)半導(dǎo)體，能與傳統(tǒng)的微電子加工方法兼容。”

作者：姬曉婷 趙宇彤（實習(xí)記者），編輯：邱江勇，美編：馬麗亞，監(jiān)制：連曉東