- 南韓研究人員開發的技術能以超過 99% 的成功率控制晶體形成。
- 該方法解決了堆疊晶片製造中的主要障礙，確保半導體層精確形成。
- 研究人員使用氧化物屏障釋放氧來控制晶體生長的起始位置。
- 二維半導體的特性使其成為未來晶片材料的研究重點。
南韓研究人員開發了一種半導體製造技術，能夠在 400 個圖案化生長區域中以超過 99% 的成功率控制單個晶體的形成，這一技術有望幫助製造商建立垂直堆疊的計算晶片。此技術允許研究人員在預定位置生長單一的二硫化鉬（MoS₂）晶體，該半導體僅有幾個原子層厚，而非讓多個晶體隨機形成。由韓國科學技術院（KAIST）領導的團隊，與 UNIST、漢陽大學及 TDS Innovation 合作，開發了這一方法，利用從氧化物屏障釋放的氧來控制晶體生長的起始位置。
解決堆疊晶片的障礙
研究人員表示，此方法可以解決在製造堆疊晶片時的一個主要障礙，即半導體層必須精確地形成在現有電路的上方，以避免引入影響性能的缺陷。
氧氣控制晶體形成。傳統半導體生長方法可以定義薄膜形成的大致區域，但控制每個晶體的確切起始點仍然困難。當幾個晶體獨立生長並相遇時，它們會形成晶界。這些晶界會擾亂原子的規則排列，並可能幹擾電子在半導體中的移動。研究人員開發了一種稱為蝕刻通量介導單中心成核（EF-SCN）的過程。成核是晶體形成的初始階段，此時原子開始排列成有序結構。該過程使用了一種氧化物屏障，例如氧化鉿（HfO₂），包圍指定的生長區域。
從屏障釋放的氧作為蝕刻劑，抑制不必要的晶體形成。氧的影響在圖案區域的邊緣最強，並逐漸向中心減弱。這創造了有利於在單一中央點形成晶體的條件。一旦在該處開始生長，該過程也會抑制附近形成額外的晶體。
二維半導體的未來
使用這種方法，研究人員成功地在 400 個圖案的 99% 以上的指定中央位置生長了單個 MoS₂ 晶體。該團隊還展示了利用結合二硫化鉬和二硒化鉬（MoSe₂）結構的選擇性金屬沉積。在這些結構中，薄薄的鉑金屬膜在 MoSe₂ 區域上選擇性形成，顯示了在半導體製造過程中控制材料放置的另一種方法。
堆疊晶片逐漸逼近。由於二維半導體即使只有幾個原子層厚，仍保持半導體特性，因此正在被研究作為未來晶片的材料。其小厚度可能使製造商能夠將計算和記憶元件垂直堆疊，減少數據在它們之間傳輸的距離。在晶片內部移動數據消耗能量並導致處理延遲，將元件放置得更近可以降低這些成本，尤其是在處理大型計算工作負載的系統中。然而，生產這種晶片需要對在包含先前製造的電路的表面上進行半導體生長的精確控制。
KAIST 的技術提供了一種可能的方法，能夠在指定位置直接生長高質量的二維材料，避免了單獨製造它們並將其轉移到晶片上的需求。
研究人員通過生長實驗和模擬來檢查該機制，但尚未展示完整的堆疊處理器或測量計算速度或能量消耗的改善。該研究確立了對晶體成核的控制，而非商業晶片性能。需要進一步的開發來確定該方法是否可以大規模集成到半導體製造中。該研究於 10 月 8 日發表在《自然》期刊上。
新技術對半導體製造的潛在影響
這項技術的開發對半導體行業具有重要意義，因為它能有效解決堆疊晶片製造中的精確控制問題。隨著二維半導體材料的興起，這種技術不僅能提高生產效率，還能促進更小型化和高效能的計算元件的誕生。這對於未來計算需求的增長及能耗的降低都是至關重要的。然而，技術的商業化應用仍需進一步的驗證和改進，這將決定其在市場上的實際價值。