石墨烯整合到传统的硅基生产线工艺步骤与集成方案

石墨烯整合到传统的硅基生产线工艺步骤与集成方案

由于其优越的固有特性，包括极高的载流子迁移率、覆盖远红外（IR）至紫外（UV）范围的宽光学吸收和极高的比表面积，石墨烯材料引起了广泛的关注。在单个设备的水平，这些固有特性已经被用于创建超越其既定半导体同行高性能设备，包括IR光检测器，霍尔效应的磁场传感器，气压传感器和气体传感器。但五十多年来，硅材料一直是微电子领域的主角，其相对简单的生产和加工路线对于成为大型市场中最方便高效的半导体功不可没。这正是其他类似石墨烯等二维材料面临的生长、加工和集成到半导体生产线相关的挑战。

将石墨烯整合到传统的硅基生产线中有较大的应用前景，因为可使用已完善的加工步骤，从而减小工程量。在这里，作者使用硅CMOS平台为例，概述了如何进行石墨烯的集成；具体的工艺步骤和集成方案根据所开发的具体应用而不同。硅MEMS技术的制造过程具有多样性，几乎每种产品都需要特定和独特的制造技术，可称为“MEMS法则”。为了讨论一般性，作者集中讨论最常见的微电子制造步骤中发生的主要优化挑战及其可能的解决方案。

半导体制造通常分为前端（FEOL）和后端（BEOL），它不仅定义了生产线中设备的状态，还设置了涉及的工艺步骤的边界条件，从而影响材料集成的整个过程。通常FEOL包括集成电路制造的第一步，其主要涉及晶体管/器件制造。BEOL处理主要涉及金属互连，相应的介电层和扩散屏障的制造。图2a为典型硅CMOS结构的示意图，表示FEOL和BEOL部件。这种区别以及FEOL和BEOL之间的选择非常重要，其定义了集成过程的参数空间。

BEOL集成的流程图。（a）石墨烯集成前CMOS芯片的横截面示意图，表示FEOL和BEOL部件。（b）将石墨烯转移到整个晶片上。（c）使用氧等离子体绘制石墨烯层。（d）使用介电层封装石墨烯。（e）通过干蚀刻技术蚀刻穿过顶部介电层。（f）通过金属填充通孔，提供与石墨烯的边缘接触。



如果在BEOL步骤中集成石墨烯，则石墨烯将相对远离活性硅器件，并且与FEOL相比，对金属污染的限制将明显减少，因为集成的扩散屏障可防止对硅器件的损坏。此外，BEOL中的材料不是结晶的，而是具有无定形的表面或由聚合物组成的表面。这也是石墨烯的一个重要优势和机遇，其可以在非晶态表面生长，也可以在单独的衬底上生长后转移到非晶态表面上。



石墨烯器件与可用于控制、数据读出和数据处理的硅CMOS逻辑电路的集成需要全BEOL集成方案（图2b-f），以避免影响硅晶体管制造和后续性能。因此，以下部分将重点讨论BEOL集成作为一个示例，作者希望不同的应用程序需要针对所涉及的流程步骤采用不同的解决方案。



【现状与挑战】



石墨烯集成的第一步是生长，如前所述，它可以直接发生在目标表面，也可以在单独的衬底上进行后续转移。已经证明石墨烯在BEOL兼容温度下在无定形表面上直接生长，但是其过程中的高温与BEOL不兼容。基于生长过程石墨烯在单独的模板上生长然后转移到目标表面是非常理想的解决方案，因为它将生长过程与最终基板分离。因此，可以使用高温来生长，并且可以在催化活性和结晶取向方面优化下面的基底。



虽然石墨烯在金属表面上的CVD生长得到了很好的发展，并且使载流子迁移率接近理论声子极限，但转移过程目前是器件性能的限制步骤。另外，在转移期间处理石墨烯层会引入机械损伤或过度的应力，这也会降低器件性能，甚至可能导致器件完全失效。单晶在预定位置的模板化生长或准单晶生长提供了石墨烯尺寸限制的解决方案，但是通过大面积对应物替换微机械剥落的微米级hBN是理想的但具有挑战性。目前尚不清楚石墨烯从金属表面的机械分层如何在必要的尺寸范围内起作用。



此外，石墨烯的电接触对于任何电子、光子和传感器装置是必不可少的。作为一般规则，如果接触电阻对总器件电阻没有显着贡献，则认为接触电阻是可接受的。在过去的几年一直致力于开发石墨烯的低欧姆接触，并且有几种选择可以为大多数应用提供足够低的接触电阻。然而，如果石墨烯在接触制造之前被封装，则需要接触孔，已经为封装器件开发了边缘触点，其提供大约200-300Ωμm的特定接触电阻。迄今为止，通过边缘和顶部触点（即穿孔石墨烯上的顶部触点）的组合实现了最低的接触电阻，其值低至23Ωμm。与石墨烯相比，半导体TMD的欧姆接触仍然是一个悬而未决的问题。事实上，大多数金属与TMD层形成非欧姆肖特基结，导致相对较高且偏置相关的接触电阻。可以通过从半导体到金属相的受控相变来提供用于形成与TMD的欧姆接触的替代路线。



尽管目前工业化尚未实现，但对于石墨烯与BEOL相容的工艺流程的集成所需的所有主要工艺步骤存在解决方案。表1总结了这些主要步骤，关键参数和潜在的技术解决方案。

石墨烯整合到传统的硅基生产线工艺步骤与集成方案

表1、石墨烯集成到半导体生产线的关键工艺步骤、参数和可能的解决方案



石墨烯系统设计目前是一个鸡生蛋还是蛋生鸡的问题。理论上有很多设备模型允许设计电路和系统，但是，如前所述，这些设备缺乏可重复性和稳定性。因此，早期的设计概念不能被概括和标准化。相反，建议采用一种材料-设备-电路联合设计方法，在这种方法中，材料合成和设备制造方面的专家从技术发展的最初阶段就与电子电路和系统社区就电路和系统级的需求进行接触。必须建立反馈回路，使材料和设计能够根据回路的优点进行变化。



【展望】



与Ge、GaAs或InP等其他半导体相比，石墨烯具有与BEOL处理和集成兼容的关键优势。此外，基本的流程步骤可以适应其他应用技术的特定需求。尽管挑战依然存在，但石墨烯器件的晶片级处理并没有基本的障碍，只是工程问题如再现性、变异性、制造产量和耐用性的设备必须加以解决。一旦处理完全自动化并在晶片规模上执行，预计将朝着统计相关数据集迈出重要一步。接下来，预计将出现中等规模的市场，不再是手工制造和手工选择的设备，但生产成本仍高于独立的硅基系统。然而，由于石墨烯的使用，这些基于功能提升的成本也有了合理的解释。预计这种第二次市场渗透将在未来两到八年内发生。最后，一旦建立了一个基本的生态系统和供应链，就可以预期大批量生产。然而对于预测哪一种基于石墨烯的设备将率先实现这一目标，或者在此期间它是否会被其他2D材料超越，还为时尚早。

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