半導體材料將迎來“黃金時代”

近日，天津大學納米顆粒與納米系統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發展的關鍵技術難題，創造了一種新型穩定的半導體石墨烯，再次引發行業對石墨烯的關注。

事實上，在摩爾定律逼近極限之際，通過半導體材料創新提升集成電路性能早已成為行業關注的焦點。此前，繼荷蘭ASML、日本佳能相繼官宣2nm制造設備最新進展后，一眾半導體制造材料廠商紛紛表示：未來十年，半導體制造材料領域將迎來“黃金時代”。

下一個十年是“材料時代”

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

在半導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，進而提升半導體性能，但當前，材料創新已成為半導體性能提升的主要驅動力；凱?貝克曼支持這一觀點，認為盡管光刻工具非常重要，但現在更重要的是半導體材料。

具體而言，芯片內部晶體管的設計和堆疊日漸復雜，芯片制造已經接近原子尺度的極限，未來半導體的發展不能僅僅依賴光刻技術，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，對半導體材料性能提出了更高的挑戰。”賽迪研究院高級工程師池憲念向《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、較寬溫度范圍內熱穩定好、附著好、橫向均勻、擴散層薄等性能更高的金屬材料；三是在精細化硅晶圓加工和清洗方案方面，需要更多超細拋光材料和高純特氣等先進半導體材料。”

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

當制造工藝和設備的“內卷”逼近天花板，半導體材料有望成為行業的下一個風口。詹姆斯·奧尼爾將當前生產3D晶體管芯片比喻成“在直升機上給建筑噴漆”，需要將創新材料“均勻地覆蓋頂部、底部和側面”，目前材料行業正在想辦法從原子尺度上實現這一點。

什么樣的材料能擔當大任？

什么樣的材料能擔當如此重任？凱·貝克曼舉了個直接的例子，在當前芯片制造中，銅被廣泛用作導電層，但為了制造更小、更先進的芯片，行業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，可應用于加熱元件、薄膜晶體管（TFT）和離子注入工藝等半導體關鍵領域。然而，以鉬為代表的貴金屬新材料開發也面臨諸多挑戰。“比如如何在更小尺度上保持鉬材料的低接觸電阻、高電導率、低電遷移率、薄膜均勻結晶性、高熱擴散性、工藝可集成性等特性。”池憲念向記者表示。

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

近日，天津大學天津納米顆粒與納米系統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控，成功地在石墨烯中引入了帶隙，創造了一種新型穩定的半導體石墨烯，實現了從“0”到“1”的突破。

據了解，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、高載流子遷移率、高熱導率等特性。但其獨特的狄拉克錐能帶結構，導致了零帶隙的特性，成為長期阻礙“石墨烯電子學”的難題，研究者們采用柵壓調控、化學修飾、缺陷工程及外部場效應調控等多種外部干預手段均無法攻克。

天津大學天津納米顆粒與納米系統國際研究中心向記者表示，這項前沿科技是通過對生長環境的溫度、時間及氣體流量進行嚴格控制實現的，確保了碳原子在碳化硅襯底上能形成高度有序的結構。這種半導體石墨烯的電子遷移率遠超硅材料，表現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。

“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就是構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體石墨烯是一種性能優異的2D半導體材料，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構更加有序，在其邊緣同樣可以表現出良好的一維導電特性。毫無疑問，該方法制備的超大單層單晶疇半導體外延石墨烯已經為2D納米電子領域帶來了全新的可能性。”天津大學天津納米顆粒與納米系統國際研究中心告訴記者說。

材料開發并非“另立門戶”

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

當拉長時間線，在過去幾十年里，半導體行業的進步很大程度上是由設備，尤其是光刻設備的發展推動的。自1958年美國德克薩斯公司利用光刻技術試制世界上第一塊平面集成電路以來，光刻技術已經支撐了半導體60余年的發展，這點在歷史進程中已被反復驗證。

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

“舉個例子，環繞柵極場效應晶體管（GAAFET）工藝的應用，需要配套更高級別的電子設計自動化（EDA）工具，這些工具需要與半導體材料進行同步實驗測試，才能實現2nm乃至更先進制程。”

業內專家告訴記者，材料的創新應用仍需要與半導體設備相配合，才能最大限度發揮其重要性。與其說材料科學的開發探索是“另立門戶”，不如說是“錦上添花”的創新嘗試。

“當然，新型半導體材料具備的電子遷移率、熱穩定性和制造兼容性等屬性，將是實現更小、更高效芯片的關鍵。”業內專家向記者進一步解釋，“但新材料的開發也面臨多重困難，最主要的是對現有半導體制造過程的改變。以鉬為例，化學機械拋光過程需要對漿料、墊片、墊片調節器、清潔劑等進行優化，沉積過程也需要高純度的原材料和嚴格的過濾控制，以避免污染。”

不難看出，半導體新材料的開發也要充分考慮設備基礎，能否利用現有的制備設備和方法操作，成為新材料未來大規模應用的重要因素。“這款半導體外延石墨烯是在太赫茲（THz）兼容的SiC襯底上生長的。”天津大學研究團隊告訴記者，“SiC本身已經成為越來越重要的商業半導體，能與傳統的微電子加工方法兼容。”