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二維半導(dǎo)體是集成電路工藝發(fā)展到1nm節(jié)點最受關(guān)注的新路徑。雖然國際工業(yè)界認為引入二維半導(dǎo)體可以在CMOS平面工藝中有效解決晶體管尺寸縮放過程中的問題，但其重要發(fā)展瓶頸之一在于需要提供高質(zhì)量、快速生產(chǎn)的大規(guī)模晶圓。迄今為止，世界上主要的頭部企業(yè)例如英特爾，三星，臺積電和歐洲的IMEC研發(fā)中心都在二維半導(dǎo)體上投入了大量資源，并積極引入國際領(lǐng)軍團隊。當前研究人員開發(fā)了多種策略來制備大面積二維半導(dǎo)體，其中化學(xué)氣相沉積（CVD）是普遍看好的技術(shù)。但是主要研究更多注重實驗室級別的性能（Performance）提升，并沒有充分考慮材料生長的規(guī)模（Scale）和成本（Cost）。
北京時間2023年9月29日，復(fù)旦大學(xué)周鵬-包文中團隊取得重大研究進展，發(fā)明了一種面向集成電路制造的二維材料生長方法，能夠在工業(yè)界主流12英寸（300毫米）晶圓上進行均勻和單層材料的快速生長，相關(guān)成果以“12-inch growth of uniform MoS2 monolayer for integrated circuit manufacture”為題發(fā)表于國際頂級期刊《自然·材料》（Nature Materials）。這項工作不僅提供了二維材料CVD生長的新思路，實現(xiàn)了從0到1的突破；同時也聚焦二維半導(dǎo)體的集成電路應(yīng)用，充分考慮了規(guī)模-成本-性能（S-C-P）指標的協(xié)同優(yōu)化，著眼于從1到10的轉(zhuǎn)化。
傳統(tǒng)二維材料CVD生長的難點在于原子級的精準可控與批次重復(fù)性，這需要對諸多控制參數(shù)進行協(xié)同優(yōu)化，包括生長襯底的特殊處理。此成果開創(chuàng)性的采用了海綿緩釋結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體設(shè)計，以及流體動力學(xué)優(yōu)化的多硫源分布，從而實現(xiàn)了二維材料的準靜態(tài)生長；同時在任意襯底（包括硅）通過原子層沉積生長特殊緩沖層，精確控制均勻單層成核，最終獲得了大面積二維半導(dǎo)體均勻生長技術(shù)，并且對于多種二維半導(dǎo)體均可適用，在15分鐘就可快速實現(xiàn)12英寸晶圓內(nèi)低缺陷的二維單層全覆蓋。得益于能夠在任意襯底上進行生長，研究者還展示了絕緣體上硅（SOI）的晶圓結(jié)構(gòu)流程制作晶體管陣列，避免了復(fù)雜轉(zhuǎn)移方法。本成果展示的絕緣體上二維材料（2D-OI）具有原子級的半導(dǎo)體溝道，在先進制程中可以充分發(fā)揮二維半導(dǎo)體的優(yōu)勢。此外材料表征結(jié)果證明，生長的二維薄膜晶粒間有著良好的原子級拼接，在室溫下二維晶體管的電學(xué)性能和晶粒大小、多晶晶界并沒有直接關(guān)聯(lián)，統(tǒng)計結(jié)果顯示了優(yōu)異的器件電學(xué)均一性。這些發(fā)現(xiàn)為二維半導(dǎo)體提供了從實驗室向產(chǎn)業(yè)界過渡的發(fā)展路徑。
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