三星正在研究的下一代半导体材料

2020-07-07 14:00:24 来源: 半导体行业观察

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因为硅材料的物理局限逐渐凸显，这就驱使晶圆厂去探索更多的新型材料，以延续摩尔定律并满足越来越高的芯片性能需求。而在三星看来，2D材料及其变形非晶氮化硼将会是新方向。

日前，三星高级技术学院（SAIT）的研究人员与蔚山国立科学技术学院（UNIST）和剑桥大学合作，揭开了一种名为非晶态氮化硼（a-BN）的新材料的发现。该研究发表在《自然》杂志上。据透露，这种材料有可能加速下一代半导体的问世。

报道指出，SAIT一直在研究二维（2D）材料——具有单原子层的晶体材料的研究和开发。具体而言，该研究所一直致力于石墨烯的研究和开发，并在该领域取得了突破性的研究成果，例如开发新的石墨烯晶体管以及生产大面积单硅片石墨烯的新方法。除了研究和开发石墨烯外，SAIT还致力于加速材料的商业化。

“为了增强石墨烯与基于硅的半导体工艺的兼容性，应在低于400°C的温度下在半导体衬底上进行晶圆级石墨烯生长。” SAIT的石墨烯项目负责人兼首席研究员Hyeon-Jin Shin说。“我们还在不断努力，将石墨烯的应用范围扩展到半导体以外的领域。”

他们进一步指出，其新发现的材料称为非晶氮化硼（a-BN），是由具有非晶分子结构的硼和氮原子组成。尽管非晶态氮化硼衍生自白色石墨烯，其中包括以六边形结构排列的硼和氮原子，但实际上a-BN的分子结构使其与白色石墨烯具有独特的区别。

非晶氮化硼具有同类最佳的超低介电常数1.78，具有强大的电气和机械性能，可以用作互连隔离材料以最大程度地减少电干扰。还证明了该材料可以在仅400°C的低温下以晶圆级生长。因此，非晶氮化硼有望被广泛应用于诸如DRAM和NAND解决方案之类的半导体中，尤其是在大规模服务器的下一代存储解决方案中。

“最近，人们对2D材料及其衍生的新材料的兴趣不断增加。但是，将材料应用于现有的半导体工艺仍然存在许多挑战。” SAIT副总裁兼无机材料实验室负责人Park Seongjun Park说。“我们将继续开发新材料来引领半导体范式的转变。”

台积电研究出世界最薄二维半导体材料

除了三星，台积电也在看好二维半导体材料。

今年三月份，台积电和交大联手，开发出全球最薄、厚度只有0.7纳米的超薄二维半导体材料绝缘体，可望借此进一步开发出2纳米甚至1纳米的电晶体通道，论文本月成功登上国际顶尖期刊自然期刊（nature）。

国立交通大学电子物理系张文豪教授研究团队在科技部长支持下，与台湾积体电路制造股份有限公司合作，合作研究开发出全球最薄、厚度仅0.7纳米、大面积晶圆尺寸的二维半导体材料绝缘层，台积电表示，关键则在于单晶氮化硼技术的重大突破，将来可望藉由这项技术，进一步开发出2纳米甚至1纳米的电晶体通道。

目前台积电正在推动3纳米的量产计划，指的就是电晶体通道尺寸，通道做的越小，电晶体尺寸就能越小，而在不断微缩的过程中，电子就会越来越难传输，导致电晶体无法有效工作，目前二维半导体材料是现在科学界认为最有可能解决瓶颈的方案之一。

二维半导体材料特性就是很薄，平面结构只有一两个原子等级的厚度，张文豪指出，但也因此传输中的电子容易受环境影响，所以需要绝缘层来阻绝干扰，目前半导体使用的绝缘层多半是氧化物，一般做到5纳米以下就相当困难，无法小于1纳米，团队开发出的单晶氮化硼生长技术，成功达成0.7纳米厚度的绝缘层。

文章第一作者台积电技术主任陈则安，为清大化学系博士，他表示，单晶是指单一的晶体整齐排列，单晶对于未来半导体结构比较有帮助，因为假设绝缘层不是单晶结构，中间会出现很多缺陷，电阻经过的时候可能被缺陷影响，导致效能变差，实验也已证实会有影响，未来还需要更多研究。

陈则安说，过去科学界认为，铜上不太可能出现单晶生长，但是研究团队在实验发现，微米单位范围内氮化硼有同向生长的状况，排列出单一晶体，因此透过分析这极小的区域，调整实验参数和选择材料，成功克服障碍，不但可以单晶生长，还能做到大面积二吋晶圆的尺寸。

台积电处长李连忠曾经是中研院原分所研究员，他表示，台积电研究团队经过基础研究后，找到问题和突破可能性，跟交大化学气相沉积实验室合作，让氮化硼单晶在铜上生长，作为保护二维半导体材料的通道，目前无法说明量产时间，还有很多关键技术要突破，例如金属接触和元件优化，但是的确对于未来电晶体尺寸再缩小将有帮助。

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