二维半导体是集成电路工艺发展到1 nm节点最受关注的新路径。虽然国际工业界认为引入二维半导体可以在CMOS平面工艺中有效解决晶体管尺寸缩放过程中的问题，但其重要发展瓶颈之一在于需要提供高质量、快速生产的大规模晶圆。迄今为止，世界上主要的头部企业例如英特尔，三星，台积电和欧洲的IMEC研发中心都在二维半导体上投入了大量资源，并积极引入国际领军团队。当前研究人员开发了多种策略来制备大面积二维半导体，其中化学气相沉积（CVD）是普遍看好的技术。但是主要研究更多注重实验室级别的性能（Performance）提升，并没有充分考虑材料生长的规模（Scale）和成本（Cost）。
复旦大学周鹏-包文中团队取得重大研究进展，发明了一种面向集成电路制造的二维材料生长方法，能够在工业界主流12英寸（300毫米）晶圆上进行均匀和单层材料的快速生长，相关成果以“12-inch growth of uniform MoS2 monolayer for integrated circuit manufacture”为题发表于国际顶级期刊《自然·材料》（Nature Materials）。这项工作不仅提供了二维材料CVD生长的新思路，实现了从0到1的突破；同时也聚焦二维半导体的集成电路应用，充分考虑了规模-成本-性能（S-C-P）指标的协同优化，着眼于从1到10的转化。
传统二维材料CVD生长的难点在于原子级的精准可控与批次重复性，这需要对诸多控制参数进行协同优化，包括生长衬底的特殊处理。此成果开创性的采用了海绵缓释结构的前驱体设计，以及流体动力学优化的多硫源分布，从而实现了二维材料的准静态生长；同时在任意衬底（包括硅）通过原子层沉积生长特殊缓冲层，精确控制均匀单层成核，最终获得了大面积二维半导体均匀生长技术，并且对于多种二维半导体均可适用，在15分钟就可快速实现12英寸晶圆内低缺陷的二维单层全覆盖。得益于能够在任意衬底上进行生长，研究者还展示了绝缘体上硅（SOI）的晶圆结构流程制作晶体管阵列，避免了复杂转移方法。本成果展示的绝缘体上二维材料（2D-OI）具有原子级的半导体沟道，在先进制程中可以充分发挥二维半导体的优势。此外材料表征结果证明，生长的二维薄膜晶粒间有着良好的原子级拼接，在室温下二维晶体管的电学性能和晶粒大小、多晶晶界并没有直接关联，统计结果显示了优异的器件电学均一性。这些发现为二维半导体提供了从实验室向产业界过渡的发展路径。
该工作得到了复旦大学张江国际创新中心、国家自然科学基金委，上海市科学技术委员会，国家重点研发项目资助。
文章链接： https://www.nature.com/articles/s41563-023-01671-5
本新闻稿转载自复旦大学微电子学院新闻，原文链接： https://mp.weixin.qq.com/s/KNkjQc8shEf9BEL0gJnvhg