因為硅材料的物理局限逐漸凸顯，這就驅(qū)使晶圓廠去探索更多的新型材料，以延續(xù)摩爾定律并滿足越來越高的芯片性能需求。而在三星看來，2D材料及其變形非晶氮化硼將會是新方向。 日前，三星高級技術(shù)學院（SAIT）的研究人員與蔚山國立科學技術(shù)學院（UNIST）和劍橋大學合作，揭開了一種名為非晶態(tài)氮化硼（a-BN）的新材料的發(fā)現(xiàn)。該研究發(fā)表在《自然》雜志上。據(jù)透露，這種材料有可能加速下一代半導體的問世。 報道指出，SAIT一直在研究二維（2D）材料——具有單原子層的晶體材料的研究和開發(fā)。具體而言，該研究所一直致力于石墨烯的研究和開發(fā)，并在該領域取得了突破性的研究成果，例如開發(fā)新的石墨烯晶體管以及生產(chǎn)大面積單硅片石墨烯的新方法。除了研究和開發(fā)石墨烯外，SAIT還致力于加速材料的商業(yè)化。 “為了增強石墨烯與基于硅的半導體工藝的兼容性，應在低于400°C的溫度下在半導體襯底上進行晶圓級石墨烯生長。” SAIT的石墨烯項目負責人兼首席研究員Hyeon-Jin Shin說。“我們還在不斷努力，將石墨烯的應用范圍擴展到半導體以外的領域。” 他們進一步指出，其新發(fā)現(xiàn)的材料稱為非晶氮化硼（a-BN），是由具有非晶分子結(jié)構(gòu)的硼和氮原子組成。盡管非晶態(tài)氮化硼衍生自白色石墨烯，其中包括以六邊形結(jié)構(gòu)排列的硼和氮原子，但實際上a-BN的分子結(jié)構(gòu)使其與白色石墨烯具有獨特的區(qū)別。

　　非晶氮化硼具有同類最佳的超低介電常數(shù)1.78，具有強大的電氣和機械性能，可以用作互連隔離材料以最大程度地減少電干擾。還證明了該材料可以在僅400°C的低溫下以晶圓級生長。因此，非晶氮化硼有望被廣泛應用于諸如DRAM和NAND解決方案之類的半導體中，尤其是在大規(guī)模服務器的下一代存儲解決方案中。 “最近，人們對2D材料及其衍生的新材料的興趣不斷增加。但是，將材料應用于現(xiàn)有的半導體工藝仍然存在許多挑戰(zhàn)。” SAIT副總裁兼無機材料實驗室負責人Park Seongjun Park說。“我們將繼續(xù)開發(fā)新材料來引領半導體范式的轉(zhuǎn)變。”

　　臺積電研究出世界最薄二維半導體材料

　　除了三星，臺積電也在看好二維半導體材料。 今年三月份，臺積電和交大聯(lián)手，開發(fā)出全球最薄、厚度只有0.7納米的超薄二維半導體材料絕緣體，可望借此進一步開發(fā)出2納米甚至1納米的電晶體通道，論文本月成功登上國際頂尖期刊自然期刊（nature）。 國立交通大學電子物理系張文豪教授研究團隊在科技部長支持下，與臺灣積體電路制造股份有限公司合作，合作研究開發(fā)出全球最薄、厚度僅0.7納米、大面積晶圓尺寸的二維半導體材料絕緣層，臺積電表示，關(guān)鍵則在于單晶氮化硼技術(shù)的重大突破，將來可望藉由這項技術(shù)，進一步開發(fā)出2納米甚至1納米的電晶體通道。 目前臺積電正在推動3納米的量產(chǎn)計劃，指的就是電晶體通道尺寸，通道做的越小，電晶體尺寸就能越小，而在不斷微縮的過程中，電子就會越來越難傳輸，導致電晶體無法有效工作，目前二維半導體材料是現(xiàn)在科學界認為最有可能解決瓶頸的方案之一。 二維半導體材料特性就是很薄，平面結(jié)構(gòu)只有一兩個原子等級的厚度，張文豪指出，但也因此傳輸中的電子容易受環(huán)境影響，所以需要絕緣層來阻絕干擾，目前半導體使用的絕緣層多半是氧化物，一般做到5納米以下就相當困難，無法小于1納米，團隊開發(fā)出的單晶氮化硼生長技術(shù)，成功達成0.7納米厚度的絕緣層。 文章第一作者臺積電技術(shù)主任陳則安，為清大化學系博士，他表示，單晶是指單一的晶體整齊排列，單晶對于未來半導體結(jié)構(gòu)比較有幫助，因為假設絕緣層不是單晶結(jié)構(gòu)，中間會出現(xiàn)很多缺陷，電阻經(jīng)過的時候可能被缺陷影響，導致效能變差，實驗也已證實會有影響，未來還需要更多研究。 陳則安說，過去科學界認為，銅上不太可能出現(xiàn)單晶生長，但是研究團隊在實驗發(fā)現(xiàn)，微米單位范圍內(nèi)氮化硼有同向生長的狀況，排列出單一晶體，因此透過分析這極小的區(qū)域，調(diào)整實驗參數(shù)和選擇材料，成功克服障礙，不但可以單晶生長，還能做到大面積二吋晶圓的尺寸。

　　臺積電處長李連忠曾經(jīng)是中研院原分所研究員，他表示，臺積電研究團隊經(jīng)過基礎研究后，找到問題和突破可能性，跟交大化學氣相沉積實驗室合作，讓氮化硼單晶在銅上生長，作為保護二維半導體材料的通道，目前無法說明量產(chǎn)時間，還有很多關(guān)鍵技術(shù)要突破，例如金屬接觸和元件優(yōu)化，但是的確對于未來電晶體尺寸再縮小將有幫助。

　　（來源： 半導體行業(yè)觀察 2020年7月7日）