北京大学/深圳理工合作，最新Nature Materials！
北京大学/深圳理工合作，最新Nature Materials！
北京大学彭海琳教授与深圳理工大学丁峰教授团队在《Nature Materials》上发表重要研究成果，成功在Cu0.8Ni0.2(111)/蓝宝石晶圆上外延生长4英寸超平坦单晶六方氮化硼（hBN）薄膜，并将其应用于高介电常数（high-κ）电介质的集成，取得了突破性进展。
六方氮化硼（hBN）已成为下一代大规模集成电子器件中电介质集成的有前途的保护层。尽管人们为生长单晶六方氮化硼薄膜付出了巨大的努力，但晶圆级超平六方氮化硼仍未实现。在此，北京大学彭海琳教授与深圳理工大学丁峰教授报道了在Cu0.8Ni0.2(111)/蓝宝石晶圆上外延生长4英寸超扁平单晶六方氮化硼（hBN）。hBN和Cu0.8Ni0.2(111)之间的强耦合抑制了皱纹的形成，并确保平行排列的hBN域的无缝拼接，从而形成晶圆级的超平坦单晶hBN薄膜。使用超平坦六方氮化硼作为保护层，他们将晶圆级超薄高κ电介质集成到具有无损伤界面的二维（2D）材料上。所得hBN/HfO2复合电介质具有超低漏电流（2.36 × 10−6 A cm−2）和0.52 nm的超薄等效氧化物厚度，满足国际器件和系统路线图的目标。该研究结果为超扁平二维材料的合成和未来二维电子器件的集成铺平了道路。
早在2023年，彭海琳教授就在《Nature》期刊上发表题为“2D fin field-effect transistors integrated with epitaxial high-κ gate oxide”的研究论文。该研究报道了一种全新二维半导体垂直鳍片/高介电自氧化物外延集成架构（2D fin/oxide Bi2O2Se/Bi2SeO5），并研制了高性能二维鳍式场效应晶体管（2D FinFET）。二维半导体鳍片/自氧化物外延异质结构具有原子级平整界面和超薄的鳍片厚度（可达一个单胞厚度，1.2 nm），并实现了晶圆级单一定向阵列制备以及定点、高密度生长。基于Bi2O2Se/Bi2SeO5外延异质结的二维鳍式场效应晶体管具有高达270 cm2/Vs的电子迁移率、极低的关态电流（1 pA/μm）和很高的开/关态电流比（108），沟道长度为400 nm时开态电流密度高达830 μA/μm，满足国际器件与系统路线图（IRDS）的2028年低功耗器件目标要求。该原创性工作突破了后摩尔时代高速低功耗芯片的关键新材料与新架构三维异质集成瓶颈，为开发突破硅基晶体管极限的未来芯片技术带来新机遇。
工艺设计
该工艺从Cu0.8Ni0.2(111)蓝宝石晶圆的制备开始。晶圆通过溅射和退火工艺制造，形成极其光滑的基板，表面粗糙度约为0.34nm。这种平坦度至关重要，因为它直接影响其上生长的六方氮化硼薄膜的质量。
研究人员采用化学气相沉积（CVD）在准备好的基底上生长六方氮化硼。他们仔细控制铜镍合金中的镍浓度，以实现六方氮化硼薄膜和基底之间所需的强耦合。在较低的镍浓度（低于10%）下，六方氮化硼薄片表现出两个相反的方向（0°和60°）。然而，当镍浓度增加到15%或更高时，六方氮化硼域完美排列，形成无缝、超平坦的单晶薄膜。CVD工艺涉及微调温度、压力和气体流速等参数，以优化生长条件。hBN和Cu0.8Ni0.2(111)之间的强耦合可最大限度地减少吸附原子迁移并抑制皱纹形成，这是CVD生长薄膜中的常见问题。
图 1. Cu0.8Ni0.2(111)晶片上的超扁平六方氮化硼单晶设计
表征
作者使用SEM和AFM对超平六方氮化硼薄膜进行表征。SEM图像揭示了晶圆上六方氮化硼域的对齐和无缝拼接。AFM图像证实没有皱纹和表面粗糙度，高度变化限制在0.5-1 nm，与工业硅晶圆相当。集成微分相差扫描透射电子显微镜(iDPC-STEM)横截面图像提供了对hBN薄膜与Cu0.8Ni0.2(111)基板之间相互作用的详细了解。测得六方氮化硼和基底之间的间隙约为2.7Å，明显小于典型的范德华距离，表明存在强耦合。低能电子衍射(LEED)和选区电子衍射(SAED)用于检查大面积六方氮化硼薄膜的结晶质量，确认其单晶性质。从透射电子显微镜(TEM)获得的SAED图案进一步验证了hBN薄膜的均匀性和取向。密度泛函理论 (DFT) 计算表明六方氮化硼和基材之间的强耦合随着镍浓度的增加而增加，从而确保了六方氮化硼域的单向生长，从而支持了实验结果。
图 2. 超平六方氮化硼薄膜的表征
机制
抑制皱纹的关键因素在于六方氮化硼（hBN）薄膜与Cu0.8Ni0.2(111)衬底之间的强耦合。这种强烈的相互作用是通过仔细控制铜镍合金基材内的镍 (Ni) 浓度来实现的。当镍浓度优化在20%左右时，六方氮化硼和Cu0.8Ni0.2(111)表面之间的晶格匹配得到增强，从而产生更强的耦合。主要控制手段有：原子浓度的控制（Ni浓度）；减少表面应力和应变；基底的原子级平整度；hBN域的外延生长和排列；吸附原子迁移最小化。
图 3. Cu0.8Ni0.2(111)基材的皱纹抑制机制
应用
超平坦hBN薄膜可用作将HfO2等高K电介质集成到2D材料上的保护层。hBN薄膜的平坦度和无缺陷特性可防止对底层2D材料造成损坏，从而保持高性能电子产品所必需的清洁界面。由此产生的hBN/HfO2复合电介质具有超低漏电流和超薄的等效氧化物厚度(EOT)，满足国际设备和系统路线图(IRDS)的严格要求。该研究展示了超平六方氮化硼薄膜在制造二维电子器件（包括晶体管和其他半导体器件）方面的潜力。六方氮化硼薄膜的高质量确保了通道-电介质界面处的电荷散射最小化，这对于原子级器件的性能至关重要。
图 4. HKMG 在 2D 材料上的集成
总结
本文开发了一种在Cu0.8Ni0.2(111)上外延生长4英寸超平单晶六方氮化硼晶圆的方法。通过利用hBN和Cu0.8Ni0.2(111)之间的强相互作用，作者有效地消除了hBN薄膜的晶界和皱纹，从而扩展了高质量均匀二维材料的生长方法，这对于电子工业至关重要。通过行业兼容的ALD工艺，均匀且超薄的HfO2层成功沉积到4英寸超平hBN晶圆上。hBN/HfO2表现出良好的介电性能、小EOT(0.52nm)和低漏电流(2.36×10-6 A cm-2)。通过转移工艺用制造好的hBN/HfO2封装石墨烯，确保石墨烯和电介质之间的界面无损伤，显示出石墨烯的固有特性，在室温下具有约10000 cm2V-1s-1的高迁移率以及具有40mV低磁滞的石墨烯晶体管的良好栅极控制。该工作不仅揭示了高质量2D材料的生长机制，而且展示了将HKMG与2D材料集成的有效策略，为未来基于2D的晶体管铺平了道路。
来源：高分子科学前沿
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