麻省理工学院的工程师在计算机芯片上生长原子薄晶体管

新兴的人工智能应用程序，如生成自然人类语言的聊天机器人，需要更密集，更强大的计算机芯片。但半导体芯片传统上是用块状材料制成的，这些材料是四四方方的3D结构，因此堆叠多层晶体管以创建更密集的集成是非常困难的。

然而，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，可以堆叠起来制造更强大的芯片。为此，麻省理工学院的研究人员现在已经展示了一种新技术，该技术可以有效且高效地直接在完全制造的硅芯片上“生长”2D过渡金属硫族化物(TMD)材料层，以实现更密集的集成。

将2D材料直接生长到硅CMOS晶圆上提出了重大挑战，因为该过程通常需要约600摄氏度的温度，而硅晶体管和电路在加热到400度以上时可能会发生故障。现在，麻省理工学院研究人员的跨学科团队开发了一种不会损坏芯片的低温生长过程。该技术允许将2D半导体晶体管直接集成在标准硅电路之上。

过去，研究人员在其他地方种植2D材料，然后将它们转移到芯片或晶圆上。这通常会导致缺陷，从而妨碍最终器件和电路的性能。此外，在晶圆规模下顺利转移材料变得极其困难。相比之下，这种新工艺在整个8英寸晶圆上生长出光滑，高度均匀的层。

新技术还能够显着减少种植这些材料所需的时间。虽然以前的方法需要一天以上的时间来生长单层2D材料，但新方法可以在不到一个小时的时间内在整个8英寸晶圆上生长均匀的TMD材料层。

由于其快速的速度和高均匀性，新技术使研究人员能够成功地将2D材料层集成到比以前证明的更大的表面上。这使得他们的方法更适合用于商业应用，其中8英寸或更大的晶圆是关键。

“使用2D材料是增加集成电路密度的有力方法。我们正在做的就像建造一座多层建筑。如果你只有一层，这是传统情况，它不会容纳很多人。但随着楼层的增加，这座建筑将容纳更多的人，可以实现令人惊叹的新事物。由于我们正在研究的异构集成，我们将硅作为第一层，然后我们可以将许多层的2D材料直接集成在顶部，“电气工程和计算机科学研究生，关于这项新技术的论文的共同主要作者Jiadi Zhu说。

朱与麻省理工学院博士后、共同主要作者朴智勋(Ji-Hoon Park)共同撰写了这篇论文;通讯作者孔静，电气工程与计算机科学(EECS)教授，电子研究实验室成员;以及EECS教授兼微系统技术实验室(MTL)主任托马斯·帕拉西奥斯;以及麻省理工学院、麻省理工学院林肯实验室、橡树岭国家实验室和爱立信研究的其他人员。这篇论文今天发表在Nature Nanotechnology上。

具有巨大潜力的超薄材料

研究人员关注的2D材料二硫化钼具有柔韧性，透明性，并具有强大的电子和光子特性，使其成为半导体晶体管的理想选择。它由夹在两个硫化物原子之间的单原子钼层组成。

在具有良好均匀性的表面上生长二硫化钼薄膜通常通过称为金属有机化学气相沉积(MOCVD)的过程来完成。六羰基钼和二乙烯硫是含有钼和硫原子的两种有机化合物，在反应室内蒸发并加热，在那里它们“分解”成更小的分子。然后它们通过化学反应连接起来，在表面上形成二硫化钼链。

但是分解这些被称为前体的钼和硫化合物需要550摄氏度以上的温度，而硅电路在温度超过400度时开始降解。

因此，研究人员开始跳出框框思考 - 他们设计并建造了一个用于金属有机化学气相沉积过程的全新炉子。

烘箱由两个腔室组成，前部的低温区域(放置硅晶片的位置)和后面的高温区域。汽化的钼和硫前体被泵入炉中。钼停留在低温区域，温度保持在400摄氏度以下 - 足以分解钼前体，但不会太热以至于损坏硅芯片。

硫前体流入高温区域，在那里分解。然后它流回低温区域，在那里发生化学反应，在晶圆表面生长二硫化钼。

“你可以把分解想象成制作黑胡椒——你有一整粒胡椒，把它磨成粉末形式。因此，我们在高温区域粉碎和研磨辣椒，然后粉末流回低温区域，“朱解释说。

生长更快，均匀性更好

这种工艺的一个问题是硅电路通常将铝或铜作为顶层，因此芯片可以在安装到印刷电路板上之前连接到封装或载体。但是硫会导致这些金属硫化，就像一些金属在暴露于氧气时生锈一样，这会破坏它们的导电性。研究人员通过首先在芯片顶部沉积一层非常薄的钝化材料来防止硫化。然后他们可以打开钝化层进行连接。

他们还垂直而不是水平地将硅晶片放置在炉子的低温区域。通过垂直放置，两端都不会太靠近高温区域，因此晶圆的任何部分都不会因热量而损坏。此外，钼和硫气体分子在撞到垂直芯片时会旋转，而不是在水平表面上流动。这种循环效应改善了二硫化钼的生长，并导致更好的材料均匀性。

除了产生更均匀的层外，他们的方法也比其他MOCVD工艺快得多。它们可以在不到一个小时的时间内生长一层，而通常MOCVD的生长过程至少需要一整天。

使用最先进的麻省理工学院。纳米设施，他们能够在8英寸硅晶圆上展示高材料均匀性和质量，这对于需要更大晶圆的工业应用尤其重要。

“通过缩短生长时间，该过程更加高效，并且可以更容易地集成到工业制造中。此外，这是一种硅兼容的低温工艺，可用于将2D材料进一步推向半导体行业，“朱说。

在未来，研究人员希望微调他们的技术，并用它来生长许多堆叠的2D晶体管层。此外，他们希望探索将低温生长工艺用于柔性表面，如聚合物、纺织品甚至纸张。这可以将半导体集成到衣服或笔记本电脑等日常物品上。