（文章來源：電氣新科技）

近年來，隨著晶體管特征尺寸的縮小，由于短溝道效應等物理規律和制造成本的限制，主流硅基材料與互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術正發展到10納米工藝節點而難以突破。2019年，中芯國際集成電路制造有限公司完成了14納米芯片的量產， 并以“N+1”制程沖擊7納米工藝。

從晶體管誕生之初，人類就千方百計地想將其縮到最小，目前全球最頂尖的7納米工藝已經接近物理極限。一旦低于5納米，晶體管中電子的行為將受制于量子不確定性，很容易產生隧穿效應，晶體管變得不再可靠，芯片制造面臨巨大挑戰。

各國科學家積極探索各種新技術、新工藝、新材料，二維材料是這些新興研究領域中的佼佼者。二維材料是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1～100nm）上自由運動（平面運動）的材料。例如，目前備受矚目的“石墨烯”就是一種典型的二維材料，此外還有六方氮化硼（hBN）、二硫化鉬、黑磷等。

根據摩爾定律表述，當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。二維半導體層狀材料為摩爾定律在集成電路的繼續發展提供了巨大潛力，而二維半導體的一個關鍵挑戰，是避免從相鄰的電介質形成電荷散射和陷阱位點。其中，六方氮化硼的絕緣范德華層提供了出色的界面電介質，可有效地減少電荷的散射。

研究表明，在熔融金表面或塊狀銅箔上可以生長出單晶hBN膜。然而，由于熔融金的高成本，交叉污染以及過程控制和可擴展性的潛在問題，導致其并不被工業界所青睞。銅箔可能適用于卷對卷工藝，但不太可能與晶圓上的先進微電子工藝兼容。因此，尋求一種可靠的在晶圓上直接生長單晶hBN膜的方法將有助于二維材料在工業中的廣泛應用。

近日，臺積電、臺灣交通大學的研究人員，成功研制出了一種全球最薄、厚度只有0.7納米的基于氮化硼（BN）的超薄二維半導體絕緣材料，可望借此進一步開發出2納米甚至1納米制程的芯片，相關研究成果已發表于《自然》期刊。

此前，在Cu（111）金屬上生長hBN單層的嘗試未能實現單向性，當這些層合并成膜時會產生不理想的晶界。理論上，學者們也普遍認為在諸如Cu（111）這樣的高對稱性表面上生長單晶hBN是不可能的。盡管如此，臺積電及臺灣交通大學的研究者們在兩英寸c-plane藍寶石晶圓上的Cu（111）薄膜上實現了單晶hBN單層的外延生長。

他們在制備晶圓的單晶Cu（111）薄膜過程中，發現在高溫（1040～1070 ℃）下，在氫氣的存在下進行后退火是去除孿晶的關鍵；而對于單晶hBN的生長，則存在著最佳的Cu厚度（約500納米）。他們認為，實現單取向hBN三角形薄片的生長是獲得晶圓級單晶hBN的重要步驟，因此他們在熱壁化學氣相沉積（CVD）爐中將氨硼烷前體流到1英寸單晶Cu（111）薄膜/藍寶石上來進行hBN單層的生長，而消除Cu（111）中的孿晶晶粒將確保在其上生長出單晶hBN。

同時，他們采用更高的溫度（通常為1050 ℃）來確保高質量的單晶hBN生長。接下來，通過進一步的模擬及實驗結果表明，Cu（111）表面具有臺階邊緣是實現單晶hBN生長的關鍵。這表明通過hBN側向對接Cu（111）步驟可增強外延生長，從而確保hBN單層的單向性。所獲得的單晶hBN以底柵配置作為二硫化鉬和二氧化鉿之間的界面層并入，提高了晶體管的電性能。

成功地在1英寸Cu（111）薄膜上生長單晶hBN之后，該團隊進一步將生產規模擴大到了兩英寸c-plane藍寶石晶圓上。鑒于完全生長的hBN層與Cu（111）之間的相互作用僅限于弱范德華力，因此可以借助電化學過程進行聚合物輔助轉移來實現晶圓級hBN的分離。

該團隊表示，與使用厚銅箔或其他金屬相比，單晶晶圓級hBN在Cu（111）薄膜上的生長具有可擴展性，并且更具成本效益，對未來芯片制程的縮小具有十分重要的意義，對于微電子行業而言亦可能是一種首選方法。同時，晶圓級單晶hBN的可用性將刺激并實現未來二維電子學的進一步研究和開發。
（責任編輯：fqj）