康奈尔大学教授修改微波以均匀掺杂半导体

随着半导体的持续萎缩，该行业面临着一些突出的设计和制造挑战。这些挑战之一是满足硅片中V族元素的必要掺杂浓度。

台积电此前曾预测，这些挑战可以通过微波来解决，但到目前为止，还没有研究人员成功实施这项技术。上周，台积电附属康奈尔大学的研究人员发表了一项新的研究，描述了微波首次成功用于半导体掺杂。

 

James Hwang博士（右）和Gianluca Fabi带着他们改良的微波炉。我图像（修改）由Ryan Young/康奈尔大学提供

 

在这篇文章中，我们将讨论半导体掺杂的现有挑战、台积电的微波理论以及康奈尔大学的新研究。

 

半导体掺杂的挑战

材料掺杂是将杂质原子选择性地添加到硅的晶格中以改变材料的电学性质的过程。对于n型掺杂，硅掺杂有诸如磷的V族元素，而p型掺杂使用诸如硼或镓的III族元素。

从历史上看，掺杂是通过一种称为离子注入的工艺来实现的。离子注入是一种低温过程，其中掺杂剂原子进入硅的晶格，并停留在固体内的某个深度。然后，晶片经过热退火“激活”过程，在该过程中，晶片被加热和冷却，以修复晶格的任何残余损伤。

 

离子注入机示意图。图片由香港城市大学提供

 

然而，随着半导体节点的缩小，有几个问题困扰着这种传统工艺，其中一个问题是更高浓度的自由电子以保持相同的电性能。例如，在当今的半导体尺寸下，磷所需的自由电子浓度目前高于磷在硅中的平衡溶解度。

此外，随着晶体管采用3D纳米线和纳米片MOSFET等新架构，传统的热退火技术不再有效，因为高退火温度会在材料表面产生空位。

 

康奈尔大学教授用改良微波炉找到前进之路

为了解决这些问题，台积电的工程师们提出了一种利用微波激活过量掺杂剂的激活工艺。为了验证这一理论，台积电与康奈尔大学的研究人员合作，由研究教授James Hwang博士领导，开发了一种改良的微波炉，可以选择性地控制硅晶体中掺杂剂的激活。研究人员的微波控制着驻波发生的位置，而不是像微波炉在正常工作中那样产生随机的驻波模式。

微波退火炉的设置。图片由ResearchGate提供

 

通过这种改进的微波炉，Hwang博士的团队在激活过程中实现了高精度，而不会使硅晶体过热，从而避免了损伤和表面空位。研究人员在2.45 GHz下使用12千瓦的微波功率制作了一块30纳米厚的硅纳米片，掺杂了3 x 10²¹厘米^-3六分钟内去除磷。所得晶片的自由电子浓度为4 x 10²⁰厘米^-3以及稳定的掺杂过程，变化小于4%。

 

微波退火如何扩展摩尔定律

通过这项研究，Hwang博士和他的同事证明了台积电的理论，即微波退火确实可以产生有效的激活和热稳定性。根据该团队的说法，这项工作可能会使规模扩大到2nm以上。除此之外，研究人员还引用了这一突破的潜力，为新的晶体管架构让路，在这种架构中，水平堆叠的纳米片可以进一步增加晶体管的密度和控制。

Hwang博士和博士后研究员Gianluca Fabi共同为原型微波退火器申请了两项专利，他们表示，他们的发现最快可能在2025年用于开发半导体材料和电子产品。