石墨烯整合到傳統(tǒng)的硅基生產(chǎn)線工藝步驟與集成方案

石墨烯整合到傳統(tǒng)的硅基生產(chǎn)線工藝步驟與集成方案

由于其優(yōu)越的固有特性，包括極高的載流子遷移率、覆蓋遠(yuǎn)紅外（IR）至紫外（UV）范圍的寬光學(xué)吸收和極高的比表面積，石墨烯材料引起了廣泛的關(guān)注。在單個(gè)設(shè)備的水平，這些固有特性已經(jīng)被用于創(chuàng)建超越其既定半導(dǎo)體同行高性能設(shè)備，包括IR光檢測(cè)器，霍爾效應(yīng)的磁場(chǎng)傳感器，氣壓傳感器和氣體傳感器。但五十多年來(lái)，硅材料一直是微電子領(lǐng)域的主角，其相對(duì)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)和加工路線對(duì)于成為大型市場(chǎng)中最方便高效的半導(dǎo)體功不可沒(méi)。這正是其他類似石墨烯等二維材料面臨的生長(zhǎng)、加工和集成到半導(dǎo)體生產(chǎn)線相關(guān)的挑戰(zhàn)。

將石墨烯整合到傳統(tǒng)的硅基生產(chǎn)線中有較大的應(yīng)用前景，因?yàn)榭墒褂靡淹晟频募庸げ襟E，從而減小工程量。在這里，作者使用硅CMOS平臺(tái)為例，概述了如何進(jìn)行石墨烯的集成；具體的工藝步驟和集成方案根據(jù)所開(kāi)發(fā)的具體應(yīng)用而不同。硅MEMS技術(shù)的制造過(guò)程具有多樣性，幾乎每種產(chǎn)品都需要特定和獨(dú)特的制造技術(shù)，可稱為“MEMS法則”。為了討論一般性，作者集中討論最常見(jiàn)的微電子制造步驟中發(fā)生的主要優(yōu)化挑戰(zhàn)及其可能的解決方案。

半導(dǎo)體制造通常分為前端（FEOL）和后端（BEOL），它不僅定義了生產(chǎn)線中設(shè)備的狀態(tài)，還設(shè)置了涉及的工藝步驟的邊界條件，從而影響材料集成的整個(gè)過(guò)程。通常FEOL包括集成電路制造的第一步，其主要涉及晶體管/器件制造。BEOL處理主要涉及金屬互連，相應(yīng)的介電層和擴(kuò)散屏障的制造。圖2a為典型硅CMOS結(jié)構(gòu)的示意圖，表示FEOL和BEOL部件。這種區(qū)別以及FEOL和BEOL之間的選擇非常重要，其定義了集成過(guò)程的參數(shù)空間。

BEOL集成的流程圖。（a）石墨烯集成前CMOS芯片的橫截面示意圖，表示FEOL和BEOL部件。（b）將石墨烯轉(zhuǎn)移到整個(gè)晶片上。（c）使用氧等離子體繪制石墨烯層。（d）使用介電層封裝石墨烯。（e）通過(guò)干蝕刻技術(shù)蝕刻穿過(guò)頂部介電層。（f）通過(guò)金屬填充通孔，提供與石墨烯的邊緣接觸。



如果在BEOL步驟中集成石墨烯，則石墨烯將相對(duì)遠(yuǎn)離活性硅器件，并且與FEOL相比，對(duì)金屬污染的限制將明顯減少，因?yàn)榧傻臄U(kuò)散屏障可防止對(duì)硅器件的損壞。此外，BEOL中的材料不是結(jié)晶的，而是具有無(wú)定形的表面或由聚合物組成的表面。這也是石墨烯的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)和機(jī)遇，其可以在非晶態(tài)表面生長(zhǎng)，也可以在單獨(dú)的襯底上生長(zhǎng)后轉(zhuǎn)移到非晶態(tài)表面上。



石墨烯器件與可用于控制、數(shù)據(jù)讀出和數(shù)據(jù)處理的硅CMOS邏輯電路的集成需要全BEOL集成方案（圖2b-f），以避免影響硅晶體管制造和后續(xù)性能。因此，以下部分將重點(diǎn)討論BEOL集成作為一個(gè)示例，作者希望不同的應(yīng)用程序需要針對(duì)所涉及的流程步驟采用不同的解決方案。



【現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)】



石墨烯集成的第一步是生長(zhǎng)，如前所述，它可以直接發(fā)生在目標(biāo)表面，也可以在單獨(dú)的襯底上進(jìn)行后續(xù)轉(zhuǎn)移。已經(jīng)證明石墨烯在BEOL兼容溫度下在無(wú)定形表面上直接生長(zhǎng)，但是其過(guò)程中的高溫與BEOL不兼容。基于生長(zhǎng)過(guò)程石墨烯在單獨(dú)的模板上生長(zhǎng)然后轉(zhuǎn)移到目標(biāo)表面是非常理想的解決方案，因?yàn)樗鼘⑸L(zhǎng)過(guò)程與最終基板分離。因此，可以使用高溫來(lái)生長(zhǎng)，并且可以在催化活性和結(jié)晶取向方面優(yōu)化下面的基底。



雖然石墨烯在金屬表面上的CVD生長(zhǎng)得到了很好的發(fā)展，并且使載流子遷移率接近理論聲子極限，但轉(zhuǎn)移過(guò)程目前是器件性能的限制步驟。另外，在轉(zhuǎn)移期間處理石墨烯層會(huì)引入機(jī)械損傷或過(guò)度的應(yīng)力，這也會(huì)降低器件性能，甚至可能導(dǎo)致器件完全失效。單晶在預(yù)定位置的模板化生長(zhǎng)或準(zhǔn)單晶生長(zhǎng)提供了石墨烯尺寸限制的解決方案，但是通過(guò)大面積對(duì)應(yīng)物替換微機(jī)械剝落的微米級(jí)hBN是理想的但具有挑戰(zhàn)性。目前尚不清楚石墨烯從金屬表面的機(jī)械分層如何在必要的尺寸范圍內(nèi)起作用。



此外，石墨烯的電接觸對(duì)于任何電子、光子和傳感器裝置是必不可少的。作為一般規(guī)則，如果接觸電阻對(duì)總器件電阻沒(méi)有顯著貢獻(xiàn)，則認(rèn)為接觸電阻是可接受的。在過(guò)去的幾年一直致力于開(kāi)發(fā)石墨烯的低歐姆接觸，并且有幾種選擇可以為大多數(shù)應(yīng)用提供足夠低的接觸電阻。然而，如果石墨烯在接觸制造之前被封裝，則需要接觸孔，已經(jīng)為封裝器件開(kāi)發(fā)了邊緣觸點(diǎn)，其提供大約200-300Ωμm的特定接觸電阻。迄今為止，通過(guò)邊緣和頂部觸點(diǎn)（即穿孔石墨烯上的頂部觸點(diǎn)）的組合實(shí)現(xiàn)了最低的接觸電阻，其值低至23Ωμm。與石墨烯相比，半導(dǎo)體TMD的歐姆接觸仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。事實(shí)上，大多數(shù)金屬與TMD層形成非歐姆肖特基結(jié)，導(dǎo)致相對(duì)較高且偏置相關(guān)的接觸電阻。可以通過(guò)從半導(dǎo)體到金屬相的受控相變來(lái)提供用于形成與TMD的歐姆接觸的替代路線。



盡管目前工業(yè)化尚未實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于石墨烯與BEOL相容的工藝流程的集成所需的所有主要工藝步驟存在解決方案。表1總結(jié)了這些主要步驟，關(guān)鍵參數(shù)和潛在的技術(shù)解決方案。

石墨烯整合到傳統(tǒng)的硅基生產(chǎn)線工藝步驟與集成方案

表1、石墨烯集成到半導(dǎo)體生產(chǎn)線的關(guān)鍵工藝步驟、參數(shù)和可能的解決方案



石墨烯系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前是一個(gè)雞生蛋還是蛋生雞的問(wèn)題。理論上有很多設(shè)備模型允許設(shè)計(jì)電路和系統(tǒng)，但是，如前所述，這些設(shè)備缺乏可重復(fù)性和穩(wěn)定性。因此，早期的設(shè)計(jì)概念不能被概括和標(biāo)準(zhǔn)化。相反，建議采用一種材料-設(shè)備-電路聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，在這種方法中，材料合成和設(shè)備制造方面的專家從技術(shù)發(fā)展的最初階段就與電子電路和系統(tǒng)社區(qū)就電路和系統(tǒng)級(jí)的需求進(jìn)行接觸。必須建立反饋回路，使材料和設(shè)計(jì)能夠根據(jù)回路的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行變化。



【展望】



與Ge、GaAs或InP等其他半導(dǎo)體相比，石墨烯具有與BEOL處理和集成兼容的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。此外，基本的流程步驟可以適應(yīng)其他應(yīng)用技術(shù)的特定需求。盡管挑戰(zhàn)依然存在，但石墨烯器件的晶片級(jí)處理并沒(méi)有基本的障礙，只是工程問(wèn)題如再現(xiàn)性、變異性、制造產(chǎn)量和耐用性的設(shè)備必須加以解決。一旦處理完全自動(dòng)化并在晶片規(guī)模上執(zhí)行，預(yù)計(jì)將朝著統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)集邁出重要一步。接下來(lái)，預(yù)計(jì)將出現(xiàn)中等規(guī)模的市場(chǎng)，不再是手工制造和手工選擇的設(shè)備，但生產(chǎn)成本仍高于獨(dú)立的硅基系統(tǒng)。然而，由于石墨烯的使用，這些基于功能提升的成本也有了合理的解釋。預(yù)計(jì)這種第二次市場(chǎng)滲透將在未來(lái)兩到八年內(nèi)發(fā)生。最后，一旦建立了一個(gè)基本的生態(tài)系統(tǒng)和供應(yīng)鏈，就可以預(yù)期大批量生產(chǎn)。然而對(duì)于預(yù)測(cè)哪一種基于石墨烯的設(shè)備將率先實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，或者在此期間它是否會(huì)被其他2D材料超越，還為時(shí)尚早。

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