因?yàn)楣璨牧系奈锢砭窒拗饾u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(lái)越高的芯片性能需求。而在三星看來(lái)，2D材料及其變形非晶氮化硼將會(huì)是新方向。 日前，三星高級(jí)技術(shù)學(xué)院（SAIT）的研究人員與蔚山國(guó)立科學(xué)技術(shù)學(xué)院（UNIST）和劍橋大學(xué)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(dǎo)體的問(wèn)世。 報(bào)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(lǐng)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(qiáng)石墨烯與基于硅的半導(dǎo)體工藝的兼容性，應(yīng)在低于400°C的溫度下在半導(dǎo)體襯底上進(jìn)行晶圓級(jí)石墨烯生長(zhǎng)?！?SAIT的石墨烯項(xiàng)目負(fù)責(zé)人兼首席研究員Hyeon-Jin Shin說(shuō)?！拔覀冞€在不斷努力，將石墨烯的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到半導(dǎo)體以外的領(lǐng)域?！?他們進(jìn)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(shí)際上a-BN的分子結(jié)構(gòu)使其與白色石墨烯具有獨(dú)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(qiáng)大的電氣和機(jī)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(jí)生長(zhǎng)。因此，非晶氮化硼有望被廣泛應(yīng)用于諸如DRAM和NAND解決方案之類的半導(dǎo)體中，尤其是在大規(guī)模服務(wù)器的下一代存儲(chǔ)解決方案中。 “最近，人們對(duì)2D材料及其衍生的新材料的興趣不斷增加。但是，將材料應(yīng)用于現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝仍然存在許多挑戰(zhàn)。” SAIT副總裁兼無(wú)機(jī)材料實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Park Seongjun Park說(shuō)?！拔覀儗⒗^續(xù)開發(fā)新材料來(lái)引領(lǐng)半導(dǎo)體范式的轉(zhuǎn)變?！?/p>

　　臺(tái)積電研究出世界最薄二維半導(dǎo)體材料

　　除了三星，臺(tái)積電也在看好二維半導(dǎo)體材料。 今年三月份，臺(tái)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(dǎo)體材料絕緣體，可望借此進(jìn)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(guó)際頂尖期刊自然期刊（nature）。 國(guó)立交通大學(xué)電子物理系張文豪教授研究團(tuán)隊(duì)在科技部長(zhǎng)支持下，與臺(tái)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(dǎo)體材料絕緣層，臺(tái)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(lái)可望藉由這項(xiàng)技術(shù)，進(jìn)一步開發(fā)出2納米甚至1納米的電晶體通道。 目前臺(tái)積電正在推動(dòng)3納米的量產(chǎn)計(jì)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(guò)程中，電子就會(huì)越來(lái)越難傳輸，導(dǎo)致電晶體無(wú)法有效工作，目前二維半導(dǎo)體材料是現(xiàn)在科學(xué)界認(rèn)為最有可能解決瓶頸的方案之一。 二維半導(dǎo)體材料特性就是很薄，平面結(jié)構(gòu)只有一兩個(gè)原子等級(jí)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(lái)阻絕干擾，目前半導(dǎo)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(dāng)困難，無(wú)法小于1納米，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的單晶氮化硼生長(zhǎng)技術(shù)，成功達(dá)成0.7納米厚度的絕緣層。 文章第一作者臺(tái)積電技術(shù)主任陳則安，為清大化學(xué)系博士，他表示，單晶是指單一的晶體整齊排列，單晶對(duì)于未來(lái)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)比較有幫助，因?yàn)榧僭O(shè)絕緣層不是單晶結(jié)構(gòu)，中間會(huì)出現(xiàn)很多缺陷，電阻經(jīng)過(guò)的時(shí)候可能被缺陷影響，導(dǎo)致效能變差，實(shí)驗(yàn)也已證實(shí)會(huì)有影響，未來(lái)還需要更多研究。 陳則安說(shuō)，過(guò)去科學(xué)界認(rèn)為，銅上不太可能出現(xiàn)單晶生長(zhǎng)，但是研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微米單位范圍內(nèi)氮化硼有同向生長(zhǎng)的狀況，排列出單一晶體，因此透過(guò)分析這極小的區(qū)域，調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)和選擇材料，成功克服障礙，不但可以單晶生長(zhǎng)，還能做到大面積二吋晶圓的尺寸。

　　臺(tái)積電處長(zhǎng)李連忠曾經(jīng)是中研院原分所研究員，他表示，臺(tái)積電研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)研究后，找到問(wèn)題和突破可能性，跟交大化學(xué)氣相沉積實(shí)驗(yàn)室合作，讓氮化硼單晶在銅上生長(zhǎng)，作為保護(hù)二維半導(dǎo)體材料的通道，目前無(wú)法說(shuō)明量產(chǎn)時(shí)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(duì)于未來(lái)電晶體尺寸再縮小將有幫助。

　　（來(lái)源： 半導(dǎo)體行業(yè)觀察 2020年7月7日）