特別說(shuō)明：本文由米測(cè)技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。
原創(chuàng)丨米測(cè)MeLab
編輯丨風(fēng)云
研究背景
高質(zhì)量電介質(zhì)與通道材料的集成一直是硅電子器件發(fā)展過(guò)程中的核心任務(wù)，六方氮化硼 (hBN) 已成為下一代大規(guī)模集成電子器件中電介質(zhì)集成的有前途的保護(hù)層。
關(guān)鍵問題
然而，hBN的發(fā)展主要存在以下問題：
1、理想的hBN薄膜應(yīng)具有大面積、超平、單晶的特征
六方氮化硼 (hBN) 具有原子級(jí)平整度和無(wú)懸掛鍵，被廣泛用作高κ電介質(zhì)集成的優(yōu)異界面層和保護(hù)層，這要求hBN 薄膜應(yīng)面積大、超平、單晶并與先進(jìn)的微電子制造兼容。
2、目前仍未實(shí)現(xiàn)晶片級(jí)均勻性的超平整hBN
近來(lái)，人們不斷嘗試?yán)没瘜W(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)在金屬基底上生長(zhǎng)高質(zhì)量的單晶hBN薄膜，例如采用階梯引導(dǎo)外延機(jī)制在鄰位Cu(110)箔、Ni(111)箔和Cu(111)晶片上生長(zhǎng)，或采用自準(zhǔn)直機(jī)制在液態(tài)金上生長(zhǎng)。然而，具有晶片級(jí)均勻性的超平整hBN尚未實(shí)現(xiàn)。
新思路
有鑒于此，北京大學(xué)彭海琳、深圳理工大學(xué)丁峰等人報(bào)告了在 Cu0.8Ni0.2(111)/藍(lán)寶石晶片上外延生長(zhǎng)4英寸超平單晶 hBN。hBN 和 Cu0.8Ni0.2(111) 之間的強(qiáng)耦合抑制了皺紋的形成并確保了平行排列的 hBN 域的無(wú)縫縫合，從而產(chǎn)生了晶圓級(jí)超平單晶 hBN 薄膜。使用超平 hBN 作為保護(hù)層，作者將晶圓級(jí)超薄高κ電介質(zhì)集成到具有無(wú)損傷界面的二維 (2D) 材料上。所獲得的 hBN/HfO2復(fù)合電介質(zhì)表現(xiàn)出超低電流泄漏（2.36?×?10?6?A?cm?2）和 0.52?nm 的超薄等效氧化物厚度，符合國(guó)際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖的目標(biāo)。本工作的發(fā)現(xiàn)為超平二維材料的合成和未來(lái)二維電子產(chǎn)品的集成鋪平了道路。
技術(shù)方案：
1、設(shè)計(jì)了超平整hBN單晶
作者通過(guò)調(diào)控Ni濃度，實(shí)現(xiàn)hBN與CuNi(111) 強(qiáng)耦合，促進(jìn)單取向生長(zhǎng)，制備了超平整hBN薄膜。
2、表征了超平整六方氮化硼薄膜的結(jié)果
作者通過(guò)多種表征證實(shí)Cu0.8Ni0.2(111)晶片上生長(zhǎng)的hBN薄膜具有超平整表面，無(wú)皺紋，粗糙度低至0.5 nm，保持單晶性，轉(zhuǎn)移后平整度不減。
3、解析了Cu0.8Ni0.2(111)基材上褶皺抑制機(jī)制
作者通過(guò)DFT和MD模擬揭示，Cu0.8Ni0.2(111)表面與hBN的強(qiáng)耦合顯著增強(qiáng)粘附能和摩擦力，有效防止褶皺形成，促進(jìn)超平hBN生長(zhǎng)。
4、展示了HKMG在二維材料上的集成
作者證實(shí)了超平hBN薄膜作為2D電子器件的緩沖層，可實(shí)現(xiàn)均勻HfO2層生長(zhǎng)，EOT值0.52nm，漏電流極低，電子遷移率高，具有通用性。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1、實(shí)現(xiàn)了超平整單晶hBN單層的合成
作者在4英寸Cu0.8Ni0.2(111)/藍(lán)寶石晶片上成功合成了超平整單晶 hBN 單層。這種合成方法利用 hBN和Cu0.8Ni0.2(111)之間的強(qiáng)耦合，有效消除了冷卻過(guò)程中的皺紋和臺(tái)階聚束，從而實(shí)現(xiàn)了 hBN 域的平行排列和無(wú)縫拼接。
2、開創(chuàng)了hBN 與金屬基底強(qiáng)耦合的創(chuàng)新應(yīng)用
通過(guò) hBN 與金屬基底之間的強(qiáng)耦合，不僅可以抑制皺紋和臺(tái)階聚束的形成，還能增加粘附能和摩擦力，進(jìn)而抑制吸附原子的遷移，這對(duì)于二維材料的合成具有重要意義，其成功應(yīng)用為二維材料的合成和應(yīng)用提供了新的策略和思路。
技術(shù)細(xì)節(jié)
超平整hBN單晶設(shè)計(jì)
通過(guò)精確控制 CuNi(111) 中 Ni 原子濃度，作者成功實(shí)現(xiàn)了與 hBN 之間的強(qiáng)耦合，通過(guò)工業(yè)兼容的濺射和退火工藝制備單晶CuNi(111)/藍(lán)寶石晶片。獲得的 CuNi(111) 晶片的表面粗糙度降低至約 0.34?nm，幾乎沒有觀察到臺(tái)階聚束。當(dāng) Ni 濃度增加至 20% 時(shí)，hBN 疇區(qū)的取向一致性得到保證，無(wú)縫拼接成連續(xù)薄膜，且薄膜與基底間的距離縮短至 2.7 ?，顯示出比范德華相互作用更強(qiáng)的耦合特征。此外，還開發(fā)了一種循環(huán)退火的后處理方法，以消除 hBN 中的納米起伏，進(jìn)一步提升其防氧化性能。這些成果不僅為高質(zhì)量二維材料的合成提供了新的策略，也為未來(lái)電子器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
圖 Cu0.8Ni0.2（111）晶片上的超平整hBN單晶設(shè)計(jì)
超平整六方氮化硼薄膜的表征
在Cu0.8Ni0.2(111) 晶片上成功生長(zhǎng)的 hBN 薄膜，實(shí)現(xiàn)了大面積超平整表面，表面高度均勻，未觀察到皺紋或粘附層。通過(guò)AFM表征確認(rèn)了無(wú)皺紋和臺(tái)階束，表面高度變化僅為 0.5-1 nm，平均粗糙度 (Ra)約為 0.5 nm，與工業(yè)硅片相當(dāng)。相比之下，在銅箔上生長(zhǎng)的 hBN 表面粗糙，存在密集皺紋和臺(tái)階束。此外，超平整 hBN 薄膜在轉(zhuǎn)移到云母基底后，保持了超平整性，表面粗糙度與原始云母表面相似，為 Ra≈0.2 nm 。通過(guò)低能電子衍射 (LEED) 和選區(qū)電子衍射 (SAED) 表征，確認(rèn)了hBN 薄膜的單晶性。STEM圖像揭示了hBN單層的完美晶格，B原子和N原子清晰分辨，XPS和拉曼光譜展示了 B-N 化學(xué)鍵合結(jié)構(gòu)。
圖 超平整六方氮化硼薄膜的表征
褶皺抑制機(jī)制
通過(guò)密度泛函理論 (DFT) 計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué) (MD) 模擬，作者深入探究了 hBN與Cu0.8Ni0.2(111) 表面之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)。研究表明，hBN與該合金表面之間的粘附能和摩擦力顯著增加，從而有效抑制皺紋的形成。具體來(lái)說(shuō)，hBN 與 Cu0.8Ni0.2(111) 之間的粘附能每對(duì)BN大約增加了 ~90 meV，摩擦力增加了四倍，這種強(qiáng)耦合源于 Ni 3d 帶與 BN π 態(tài)之間的強(qiáng)雜化。此外，通過(guò) MD 模擬，定量解釋了 Cu(111) 表面皺紋的形成和 Cu0.8Ni0.2(111) 表面皺紋的抑制現(xiàn)象，指出 hBN 薄膜的壓應(yīng)變達(dá)到臨界值時(shí)會(huì)突然形成皺紋，而強(qiáng)耦合條件下的臨界應(yīng)變大于在 Cu(111) 上的臨界應(yīng)變。這些發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)超平 hBN 生長(zhǎng)提供了理論依據(jù) 。
圖 Cu0.8Ni0.2(111)基材上褶皺抑制機(jī)制
HKMG在二維材料上的集成
超平 hBN 薄膜因其超平滑特性和單晶性質(zhì)，成為 2D 半導(dǎo)體和柵極電介質(zhì)之間理想的緩沖層。通過(guò)原子層沉積 (ALD) 技術(shù)，作者在 hBN 薄膜上成功生長(zhǎng)了均勻超薄的 HfO2層，構(gòu)建了超薄高κ/金屬柵極 (HKMG)。hBN 上的 HfO2層平整致密，無(wú)針孔，厚度可控，范圍為2 nm 至10 nm 。HKMG的橫截面 STEM 圖像顯示 2 nm HfO2/hBN 層是連續(xù)且均勻的。超薄 HfO2的均勻無(wú)針孔形貌進(jìn)一步保證了介電性能，hBN/HfO2的 EOT值約為 1 nm，當(dāng) HfO2層厚度約為1.40 nm 時(shí)，EOT 值達(dá)到最小0.52 nm 。此外，hBN/HfO2 復(fù)合電介質(zhì)與石墨烯集成表現(xiàn)出優(yōu)異的電子性能，室溫下的遷移率約為 10,000 cm2V?1s?1，載流子密度低于 5 × 1011 cm?2 。這種可轉(zhuǎn)移的 hBN/HfO2電介質(zhì)也顯示出與2D半導(dǎo)體如Bi2O2Se 的通用性。
圖 HKMG 在二維材料上的集成
展望
總之，作者開發(fā)了一種在Cu0.8Ni0.2(111) 上外延生長(zhǎng)4英寸超平單晶 hBN 晶片的方法。通過(guò)利用 hBN 和Cu0.8Ni0.2(111)之間的強(qiáng)相互作用，有效地消除了 hBN 薄膜中的晶粒邊界和皺紋，從而擴(kuò)展了高質(zhì)量均勻二維材料的生長(zhǎng)方法，這對(duì)電子工業(yè)至關(guān)重要。通過(guò)與工業(yè)兼容的 ALD 工藝，成功在 4 英寸超平 hBN 晶片上沉積了均勻的超薄 HfO2 層。hBN/HfO2表現(xiàn)出良好的介電性能，EOT小0.52 nm）且漏電流低（2.36×10-6 A cm-2）。通過(guò)轉(zhuǎn)移工藝將石墨烯封裝在制備好的hBN/HfO2中，確保了石墨烯與電介質(zhì)之間的無(wú)損傷界面，展現(xiàn)了石墨烯的固有特性，在室溫下具有~10,000?cm2?V?1?s?1 的高遷移率，并且石墨烯晶體管具有良好的柵極控制，滯后低至 40?mV。該工作不僅揭示了高質(zhì)量 2D 材料的生長(zhǎng)機(jī)制，還展示了一種將 HKMG 與 2D 材料集成的有效策略，為未來(lái)的 2D 晶體管鋪平了道路。
參考文獻(xiàn)：
Wang, Y., Zhao, C., Gao, X. et al. Ultraflat single-crystal hexagonal boron nitride for wafer-scale integration of a 2D-compatible high-κ metal gate. Nat. Mater. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41563-024-01968-z
