石墨烯整合到傳統的硅基生產線工藝步驟與集成方案
石墨烯整合到傳統的硅基生產線工藝步驟與集成方案
由于其優越的固有特性，包括極高的載流子遷移率、覆蓋遠紅外（IR）至紫外（UV）范圍的寬光學吸收和極高的比表面積，石墨烯材料引起了廣泛的關注。在單個設備的水平，這些固有特性已經被用于創建超越其既定半導體同行高性能設備，包括IR光檢測器，霍爾效應的磁場傳感器，氣壓傳感器和氣體傳感器。但五十多年來，硅材料一直是微電子領域的主角，其相對簡單的生產和加工路線對于成為大型市場中最方便高效的半導體功不可沒。這正是其他類似石墨烯等二維材料面臨的生長、加工和集成到半導體生產線相關的挑戰。
將石墨烯整合到傳統的硅基生產線中有較大的應用前景，因為可使用已完善的加工步驟，從而減小工程量。在這里，作者使用硅CMOS平臺為例，概述了如何進行石墨烯的集成；具體的工藝步驟和集成方案根據所開發的具體應用而不同。硅MEMS技術的制造過程具有多樣性，幾乎每種產品都需要特定和獨特的制造技術，可稱為“MEMS法則”。為了討論一般性，作者集中討論最常見的微電子制造步驟中發生的主要優化挑戰及其可能的解決方案。
半導體制造通常分為前端（FEOL）和后端（BEOL），它不僅定義了生產線中設備的狀態，還設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過程。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，相應的介電層和擴散屏障的制造。圖2a為典型硅CMOS結構的示意圖，表示FEOL和BEOL部件。這種區別以及FEOL和BEOL之間的選擇非常重要，其定義了集成過程的參數空間。
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）將石墨烯轉移到整個晶片上。（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）通過干蝕刻技術蝕刻穿過頂部介電層。（f）通過金屬填充通孔，提供與石墨烯的邊緣接觸。
如果在BEOL步驟中集成石墨烯，則石墨烯將相對遠離活性硅器件，并且與FEOL相比，對金屬污染的限制將明顯減少，因為集成的擴散屏障可防止對硅器件的損壞。此外，BEOL中的材料不是結晶的，而是具有無定形的表面或由聚合物組成的表面。這也是石墨烯的一個重要優勢和機遇，其可以在非晶態表面生長，也可以在單獨的襯底上生長后轉移到非晶態表面上。
石墨烯器件與可用于控制、數據讀出和數據處理的硅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性能。因此，以下部分將重點討論BEOL集成作為一個示例，作者希望不同的應用程序需要針對所涉及的流程步驟采用不同的解決方案。
【現狀與挑戰】
石墨烯集成的第一步是生長，如前所述，它可以直接發生在目標表面，也可以在單獨的襯底上進行后續轉移。已經證明石墨烯在BEOL兼容溫度下在無定形表面上直接生長，但是其過程中的高溫與BEOL不兼容。基于生長過程石墨烯在單獨的模板上生長然后轉移到目標表面是非常理想的解決方案，因為它將生長過程與最終基板分離。因此，可以使用高溫來生長，并且可以在催化活性和結晶取向方面優化下面的基底。
雖然石墨烯在金屬表面上的CVD生長得到了很好的發展，并且使載流子遷移率接近理論聲子極限，但轉移過程目前是器件性能的限制步驟。另外，在轉移期間處理石墨烯層會引入機械損傷或過度的應力，這也會降低器件性能，甚至可能導致器件完全失效。單晶在預定位置的模板化生長或準單晶生長提供了石墨烯尺寸限制的解決方案，但是通過大面積對應物替換微機械剝落的微米級hBN是理想的但具有挑戰性。目前尚不清楚石墨烯從金屬表面的機械分層如何在必要的尺寸范圍內起作用。
此外，石墨烯的電接觸對于任何電子、光子和傳感器裝置是必不可少的。作為一般規則，如果接觸電阻對總器件電阻沒有顯著貢獻，則認為接觸電阻是可接受的。在過去的幾年一直致力于開發石墨烯的低歐姆接觸，并且有幾種選擇可以為大多數應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，已經為封裝器件開發了邊緣觸點，其提供大約200-300Ωμm的特定接觸電阻。迄今為止，通過邊緣和頂部觸點（即穿孔石墨烯上的頂部觸點）的組合實現了最低的接觸電阻，其值低至23Ωμm。與石墨烯相比，半導體TMD的歐姆接觸仍然是一個懸而未決的問題。事實上，大多數金屬與TMD層形成非歐姆肖特基結，導致相對較高且偏置相關的接觸電阻。可以通過從半導體到金屬相的受控相變來提供用于形成與TMD的歐姆接觸的替代路線。
盡管目前工業化尚未實現，但對于石墨烯與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總結了這些主要步驟，關鍵參數和潛在的技術解決方案。
石墨烯整合到傳統的硅基生產線工藝步驟與集成方案
表1、石墨烯集成到半導體生產線的關鍵工藝步驟、參數和可能的解決方案
石墨烯系統設計目前是一個雞生蛋還是蛋生雞的問題。理論上有很多設備模型允許設計電路和系統，但是，如前所述，這些設備缺乏可重復性和穩定性。因此，早期的設計概念不能被概括和標準化。相反，建議采用一種材料-設備-電路聯合設計方法，在這種方法中，材料合成和設備制造方面的專家從技術發展的最初階段就與電子電路和系統社區就電路和系統級的需求進行接觸。必須建立反饋回路，使材料和設計能夠根據回路的優點進行變化。
【展望】
與Ge、GaAs或InP等其他半導體相比，石墨烯具有與BEOL處理和集成兼容的關鍵優勢。此外，基本的流程步驟可以適應其他應用技術的特定需求。盡管挑戰依然存在，但石墨烯器件的晶片級處理并沒有基本的障礙，只是工程問題如再現性、變異性、制造產量和耐用性的設備必須加以解決。一旦處理完全自動化并在晶片規模上執行，預計將朝著統計相關數據集邁出重要一步。接下來，預計將出現中等規模的市場，不再是手工制造和手工選擇的設備，但生產成本仍高于獨立的硅基系統。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。預計這種第二次市場滲透將在未來兩到八年內發生。最后，一旦建立了一個基本的生態系統和供應鏈，就可以預期大批量生產。然而對于預測哪一種基于石墨烯的設備將率先實現這一目標，或者在此期間它是否會被其他2D材料超越，還為時尚早。
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