韩国研究团队开发 99%成功率的半导体晶体生长技术

韩国研究人员开发了一种半导体制造技术，能够在 400 个图案化生长区域中以超过 99% 的成功率控制单个晶体的形成，这项技术有望帮助制造商构建垂直堆叠的计算芯片。此技术允许研究人员在预定位置生长单一的二硫化钼（MoS₂）晶体，该半导体仅有几个原子层厚，而非让多个晶体随机形成。由韩国科学技术院（KAIST）领导的团队，与 UNIST、汉阳大学及 TDS Innovation 合作，开发了这一方法，利用从氧化物屏障释放的氧来控制晶体生长的起始位置。

解决堆叠芯片的障碍

研究人员表示，此方法可以解决在制造堆叠芯片时的一个主要障碍，即半导体层必须精确地形成在现有电路的上方，以避免引入影响性能的缺陷。

氧气控制晶体形成。传统半导体生长方法可以定义薄膜形成的大致区域，但控制每个晶体的确切起始点仍然困难。当几个晶体独立生长并相遇时，它们会形成晶界。这些晶界会扰乱原子的规则排列，并可能干扰电子在半导体中的移动。研究人员开发了一种称为蚀刻通量介导单中心成核（EF-SCN）的工艺。成核是晶体形成的初始阶段，此时原子开始排列成有序结构。该工艺使用了一种氧化物屏障，例如氧化铪（HfO₂），包围指定的生长区域。

从屏障释放的氧作为蚀刻剂，抑制不必要的晶体形成。氧的影响在图案区域的边缘最强，并逐渐向中心减弱。这创造了有利于在单一中央点形成晶体的条件。一旦在该处开始生长，该工艺也会抑制附近形成额外的晶体。

二维半导体的未来

使用这种方法，研究人员成功地在 400 个图案中 99% 以上的指定中央位置生长了单个 MoS₂ 晶体。该团队还展示了利用结合二硫化钼和二硒化钼（MoSe₂）结构的选择性金属沉积。在这些结构中，薄薄的铂金属膜在 MoSe₂ 区域上选择性形成，显示了在半导体制造过程中控制材料放置的另一种方法。

堆叠芯片逐渐逼近。由于二维半导体即使只有几个原子层厚，仍保持半导体特性，因此正在被研究作为未来芯片的材料。其小厚度可能使制造商能够将计算和存储元件垂直堆叠，减少数据在它们之间传输的距离。在芯片内部移动数据消耗能量并导致处理延迟，将元件放置得更近可以降低这些成本，尤其是在处理大型计算工作负载的系统中。然而，生产这种芯片需要对在包含先前制造的电路的表面上进行半导体生长的精确控制。

KAIST 的技术提供了一种可能的方法，能够在指定位置直接生长高质量的二维材料，避免了单独制造它们并将其转移到芯片上的需求。

研究人员通过生长实验和模拟来检查该机制，但尚未展示完整的堆叠处理器或测量计算速度或能量消耗的改善。该研究确立了对晶体成核的控制，而非商业芯片性能。需要进一步的开发来确定该方法是否可以大规模集成到半导体制造中。该研究于 10 月 8 日发表在《自然》期刊上。

新技术对半导体制造的潜在影响

这项技术的开发对半导体行业具有重要意义，因为它能有效解决堆叠芯片制造中的精确控制问题。随着二维半导体材料的兴起，这种技术不仅能提高生产效率，还能促进更小型化和高性能计算元件的诞生。这对于未来计算需求的增长及能耗的降低都是至关重要的。然而，技术的商业化应用仍需进一步的验证和改进，这将决定其在市场上的实际价值。