1.中國(guó)科學(xué)院微電子所在碳硅三維異質(zhì)集成器件上取得進(jìn)展

2.同濟(jì)大學(xué)關(guān)于極紫外光刻薄膜反射鏡抗輻照損傷性能的研究成果發(fā)表于《納米快報(bào)》

3.上海交大聯(lián)合上海硅酸鹽所在多種脆性半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)塑性“溫加工”

1.中國(guó)科學(xué)院微電子所在碳硅三維異質(zhì)集成器件上取得進(jìn)展

隨著集成電路密度不斷提高,晶體管的工藝節(jié)點(diǎn)不斷微縮,已逼近物理極限。三維互補(bǔ)式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3D CMOS)技術(shù)成為破局的潛在路徑。傳統(tǒng)硅基3D CMOS集成技術(shù)熱預(yù)算較高,導(dǎo)致工藝復(fù)雜成本提高,并可能引發(fā)性能退化等問(wèn)題,限制了其商業(yè)應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院微電子研究所抗輻照實(shí)驗(yàn)室李博研究員、陸芃副研究員團(tuán)隊(duì)基于碳納米管材料低溫成膜能力,提出一種碳納米管/硅異質(zhì)集成(CNT/Si Heterogeneous Integration)的3D CMOS技術(shù),實(shí)現(xiàn)了180nm SOI器件后道的低溫(≤150℃)碳納米管器件集成。團(tuán)隊(duì)提出了面向高性能數(shù)字電路應(yīng)用的工藝優(yōu)化方案,實(shí)現(xiàn)了碳納米管器件閾值電壓的精準(zhǔn)調(diào)控,可完成N、P晶體管電學(xué)特性的匹配,3D CMOS噪聲容限顯著提升(NMH/NML?= 0.404/0.353× VDD),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高增益(~49.9)、超低功耗(390 pW)及高均一性(片間差異<6%)等優(yōu)異性能。為論證該技術(shù)在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)中的集成能力,團(tuán)隊(duì)使用TCAD仿真搭建了14nm FinFET/CNT 3D CMOS電路單元,理論分析顯示其在噪聲容限和功耗方面優(yōu)于商用14nm-FinFET工藝。

基于該研究成果的論文“Low-Thermal-Budget Construction of Carbon Nanotube p-FET on Silicon n-FET toward 3D CMOS FET Circuits with High Noise Margins and Ultra-Low Power Consumption”近期發(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Functional Materials上(DOI:10.1002/adfm.202504068)。本工作由微電子所李博研究員團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)朱馬光研究員團(tuán)隊(duì)、安徽大學(xué)胡海波教授團(tuán)隊(duì)合作完成,微電子所為第一單位。

圖1 碳硅三維異質(zhì)集成CMOS FET器件示意圖

圖2 碳納米管器件與硅基器件的電性匹配

圖3 碳硅CMOS FET器件電學(xué)性能表現(xiàn)

（中國(guó)科學(xué)院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心）

2.同濟(jì)大學(xué)關(guān)于極紫外光刻薄膜反射鏡抗輻照損傷性能的研究成果發(fā)表于《納米快報(bào)》

近日，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院王占山教授和李文斌教授團(tuán)隊(duì)在《納米快報(bào)》（Nano Letters）在線發(fā)表了題為“Enhanced Damage Resistance of Mo/Si Multilayer Mirror with Carbon Barrier Layers Under Intense Nanosecond EUV Irradiation”的論文。該論文首次確定了碳阻隔層的引入能夠有效增強(qiáng)極紫外光刻Mo/Si多層膜的抗極紫外輻照損傷性能。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)傳統(tǒng)的Mo/Si多層膜以及引入碳阻隔層的Mo/C/Si/C多層膜開(kāi)展了納秒極紫外輻照損傷探究，詳細(xì)闡述了Mo/Si多層膜原子擴(kuò)散反應(yīng)的損傷機(jī)制，并首次揭示了Mo/C/Si/C多層膜受EUV輻照誘導(dǎo)發(fā)生的非均勻石墨化損傷過(guò)程。

工作波長(zhǎng)13.5 nm的極紫外光刻技術(shù)是推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心所在。Mo/Si多層膜反射鏡具有高的極紫外正入射反射率，已成為極紫外光刻反射式光學(xué)系統(tǒng)的核心元件。近年來(lái)，為滿足芯片制程需求，高功率的極紫外光源持續(xù)發(fā)展，不論極紫外激光等離子體光源亦或自由電子激光的脈沖功率都在成倍提升。EUV多層膜反射鏡長(zhǎng)期暴露于強(qiáng)極紫外輻照之下，可能會(huì)引起其“災(zāi)難性”的不可逆輻照損傷，最終影響極紫外光刻機(jī)的產(chǎn)能和效率、甚至使用壽命。因此，改善Mo/Si多層膜反射鏡的抗輻照損傷性能，剖析超強(qiáng)極紫外光脈沖與反射鏡的作用機(jī)理，對(duì)極紫外光刻的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了工作波長(zhǎng)13.5 nm的Mo/Si和Mo/C/Si/C多層膜反射鏡，利用實(shí)驗(yàn)室自建的納秒極紫外輻照損傷系統(tǒng)對(duì)反射鏡開(kāi)展了工作波長(zhǎng)EUV輻照損傷實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)兩塊反射鏡具有截然不同的損傷特征，其中Mo/Si呈現(xiàn)光滑的隕石坑狀，而Mo/C/Si/C為鼓包狀凸起（圖1），引入碳插層Mo/Si多層膜的損傷閾值提升了約46％。

圖1、Mo/Si及Mo/C/Si/C多層膜EUV損傷閾值和損傷形貌AFM測(cè)試圖

通過(guò)全方位表征測(cè)試，研究表明Mo/Si多層膜的EUV損傷歸因于Mo和Si原子之間的擴(kuò)散反應(yīng)，生成鉬硅化物（h-MoSi?、t-Mo?Si?）導(dǎo)致多層膜結(jié)構(gòu)塌縮，從而產(chǎn)生光滑的坑狀損傷形貌。然而，Mo/C/Si/C多層膜的損傷行為與碳層的非均勻石墨化有關(guān)，導(dǎo)致輻照區(qū)C/Si/C層出現(xiàn)隨機(jī)分布的膨脹，產(chǎn)生了凸起狀形貌?；诜肿觿?dòng)力學(xué)模擬，研究闡明了非均勻膨脹為無(wú)定型態(tài)碳膜在EUV輻照誘導(dǎo)下發(fā)生了石墨化，隨機(jī)堆疊的石墨結(jié)構(gòu)形成了非均勻膨脹（圖2）。

圖2、Mo/Si多層膜和Mo/C/Si/C多層膜透射電子顯微圖，膜層厚度統(tǒng)計(jì)分布與能量損失譜測(cè)試圖與無(wú)定型碳薄膜石墨化分子動(dòng)力學(xué)模擬

該項(xiàng)研究對(duì)于理解超強(qiáng)納秒EUV光脈沖與多層膜反射鏡之間的作用機(jī)理，提升極紫外光刻核心光學(xué)元件的抗輻照性能具有重要參考價(jià)值。

同濟(jì)大學(xué)李文斌教授和王占山教授是論文共同通訊作者，博士研究生惲超為論文第一作者，對(duì)論文具有重要貢獻(xiàn)的合作者還包括博士生李淑慧和劉翔月、碩士生胡音晫?zhuān)斫淌趶堈芎忘S秋實(shí)教授等。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。（同濟(jì)大學(xué)）

3.上海交大聯(lián)合上海硅酸鹽所在多種脆性半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)塑性“溫加工”

近日，上海交通大學(xué)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，發(fā)現(xiàn)了一批在低溫（約200℃以下）具有良好塑性變形和加工能力的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料，進(jìn)而針對(duì)室溫脆性半導(dǎo)體創(chuàng)新性地運(yùn)用經(jīng)典金屬“溫加工”方法制備出高質(zhì)量、自支撐、厚度可調(diào)的高性能半導(dǎo)體薄膜，并在此基礎(chǔ)上研制出高輸出功率密度熱電器件。該成果為脆性半導(dǎo)體的加工制造提供了新的路徑。相關(guān)工作以“Warm Metalworking for Plastic Manufacturing in Brittle Semiconductors”為題發(fā)表在《自然 材料》（Nature Materials）上。上海交通大學(xué)魏天然教授、上海硅酸鹽所史迅研究員與陳立東院士為論文的共同通訊作者，上海交大博士后（現(xiàn)上海硅酸鹽所助理研究員）高治強(qiáng)博士、上海硅酸鹽所楊世琪副研究員、上海交大馬玉鵬博士為論文的共同第一作者，上海交大曾小勤教授對(duì)工作給予了指導(dǎo)。

圖1.無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的塑性“溫加工”。(a) 塑性溫加工方法示意圖，包括但不限于輥壓軋制、平板壓、熱擠壓等；(b) 通過(guò)溫輥軋獲得的米級(jí)Ag2Se半導(dǎo)體膜；(c) 溫輥壓制備的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料與典型二維材料、有機(jī)半導(dǎo)體材料的室溫遷移率與帶隙；(d) 溫輥壓半導(dǎo)體膜的電導(dǎo)率 (σ) 與澤貝克系數(shù) (S)，其中n型和p型材料分別用紅色與藍(lán)色標(biāo)記

無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料因豐富可調(diào)的功能特性得到廣泛應(yīng)用，但室溫下通常表現(xiàn)為脆性。因此，半導(dǎo)體材料和器件難以像金屬一樣進(jìn)行高效塑性加工，而是廣泛依賴一系列高度精細(xì)制備和精密加工技術(shù)，如薄膜沉積、光刻、刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光等，不僅需要高潔凈度加工環(huán)境、復(fù)雜工藝流程、高成本設(shè)備等，而且還易造成材料成分偏析從而影響物理性能等問(wèn)題。近年來(lái)，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些具有室溫塑性的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料（如Ag2S、InSe晶體等），為變革其加工制造方法提供了潛在路徑。然而，具有室溫塑性的半導(dǎo)體材料仍較稀少、物理性能高度趨同化，無(wú)法滿足半導(dǎo)體材料廣泛的應(yīng)用需求。因此，在數(shù)量極為龐大、種類(lèi)和性能豐富多樣的脆性半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)塑性變形和加工，具有極為重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。

溫度是誘導(dǎo)塑性形變的一個(gè)重要因素，絕大部分材料在高溫下趨向于更軟、更易塑性成型。然而，絕大多數(shù)半導(dǎo)體和陶瓷等無(wú)機(jī)非金屬材料的“韌脆轉(zhuǎn)變溫度”過(guò)高（約熔點(diǎn)的0.5-0.7倍，500-700℃以上），熱加工難度大、成本高。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一系列典型的窄禁帶無(wú)機(jī)半導(dǎo)體（如Cu2Se、Ag2Se、Bi90Sb10）可在略高于室溫的條件下（400-500 K）進(jìn)行輥壓軋制、平板壓、擠壓等塑性“溫加工”（圖1）。例如在420 K下輥軋得到的Ag2Se條帶可達(dá)0.9米長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)軋制延伸率高達(dá)3000%。值得一提的是，這些塑性加工后的材料保留了塊體優(yōu)良的物理性能。例如，厚度僅為數(shù)微米的Ag2Se、Ag2Te、AgCuSe等輥壓膜的遷移率高達(dá)1000-5000 cm2/Vs，顯著高于多數(shù)二維材料和有機(jī)薄膜。因此，與濺射、蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體經(jīng)典制備技術(shù)相比，塑性溫加工方法在制造高質(zhì)量半導(dǎo)體膜方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。第一，該方法可制備自支撐的膜，無(wú)需襯底，避免了襯底帶來(lái)的各種限制和額外成本；第二，該方法能夠在微米至毫米范圍內(nèi)自由調(diào)控薄膜厚度，這對(duì)于制備大尺寸、厚膜的制備尤為有利；第三，工序簡(jiǎn)單，無(wú)額外添加劑或溶劑，所制備的薄膜結(jié)晶性好、元素分布均勻，同時(shí)很好地繼承了塊體材料優(yōu)異可調(diào)的物理性能。

塑性溫加工后的材料表現(xiàn)出豐富的微觀組織結(jié)構(gòu)。如圖2所示，溫壓縮后材料表面廣泛存在臺(tái)階狀的剪切帶，斷面表現(xiàn)出明顯的韌窩；剪切帶內(nèi)部包含明顯的晶格扭轉(zhuǎn)、層錯(cuò)等微結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)密度較低。對(duì)于溫輥軋后的樣品，材料發(fā)生織構(gòu)化，原始的大晶粒沿著變形方向被拉長(zhǎng)并發(fā)生破裂，樣品內(nèi)部同樣觀察到較低的位錯(cuò)密度。這說(shuō)明，此類(lèi)材料在略高于室溫下發(fā)生塑性變形的機(jī)制不以位錯(cuò)為主導(dǎo)，而主要依賴于晶粒的重整變形以及晶格的扭轉(zhuǎn)畸變。

圖2. 塑性溫加工形變對(duì)應(yīng)的微觀組織結(jié)構(gòu)。(a) 溫壓縮后Ag2Se表面上的剪切帶；(b) 升溫?cái)嗔押驛g2Se斷口表面上的韌窩；(c) Ag2Se表面剪切帶的高分辨透射電子顯微鏡圖像；(d) Cu2Se在溫輥壓前（上圖）和溫輥壓后（下圖）的透射電子背散射衍射（TKD）圖像；(e) 溫輥壓后Cu2Se的透射電子顯微鏡圖像；(f) 溫輥壓后Cu2Se的高分辨透射電子顯微鏡圖像

上述豐富的微結(jié)構(gòu)機(jī)制反映了普適的塑性變形原理，即材料極易滑移、難解理。在極低溫度下，材料中原子幾乎被凍結(jié)，振動(dòng)幅度小，即使金屬也表現(xiàn)出顯著的脆性；隨著溫度升高，原子振動(dòng)幅度增大且晶格膨脹，原子、晶面、缺陷等結(jié)構(gòu)單元更易發(fā)生相對(duì)位移，材料易產(chǎn)生塑性形變；當(dāng)溫度接近熔點(diǎn)時(shí)，原子振動(dòng)更加劇烈，甚至在可以一定范圍內(nèi)流動(dòng)，材料因此具有顯著的塑性變形能力。以上物理圖像可用解理能（Ec）和滑移能壘（Es）進(jìn)行量化，兩個(gè)參量分別代表了材料抵抗斷裂和發(fā)生變形的能力。研究團(tuán)隊(duì)首先計(jì)算了0 K下系列材料的Ec和Es值。當(dāng)溫度升高時(shí)，加劇的原子振動(dòng)導(dǎo)致相鄰原子之間更容易成鍵和斷鍵，滑移能壘Es顯著降低；而解理能Ec隨溫度降低并不顯著。團(tuán)隊(duì)基于前期工作，進(jìn)一步建立了解理能和滑移能壘隨溫度的依賴關(guān)系，并以兩者比值（Ec/Es）作為經(jīng)驗(yàn)性的塑性因子，建立了描述溫度相關(guān)的塑性形變物理模型（圖3）?；诘湫筒牧系膶?shí)驗(yàn)結(jié)果，該模型給出了韌脆轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)的Ec/Es因子的臨界范圍（~4.6-5.3）。該模型可計(jì)算與預(yù)測(cè)無(wú)機(jī)非金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，發(fā)現(xiàn)了一批具有低韌脆轉(zhuǎn)變溫度（小于500 K）的半導(dǎo)體材料，包括Ag2Se、Ag2Te、Cu2Se、AgCuS、AgCuSe等，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合。

圖3. 無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的變溫塑性機(jī)制與模型。(a) 不同溫度下初始結(jié)構(gòu)與滑移后結(jié)構(gòu)的示意圖；(b) 解理能與滑移能壘隨溫度的變化趨勢(shì)圖；(c) 理論計(jì)算得到的典型材料的解理能/滑移能比值與溫度的關(guān)系，其中黃色高亮區(qū)域?yàn)轫g脆轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)的閾值區(qū)間；(d) 多種材料的實(shí)驗(yàn)與理論韌脆轉(zhuǎn)變溫度值

塑性溫加工方法獲得的高性能自支撐半導(dǎo)體在電子和能源器件方面有著廣闊的應(yīng)用前景。以熱電能量轉(zhuǎn)換為例，該工作選取了其中三種高性能熱電材料的輥壓薄片（厚度約100微米）：Cu2Se、Ag2Se、Mg3Bi1.5Sb0.49Te0.01。采用表面噴砂粗化和磁控濺射工藝在薄片上下表面構(gòu)筑功能化金屬層，之后經(jīng)過(guò)熱電臂切割、轉(zhuǎn)移和一體化集成焊接等工藝，研制了兩種面外型薄膜熱電器件，其中器件1#由17對(duì)p-Cu2Se與n-Ag2Se組成，填充率27.5%；器件2#由6對(duì)p-Cu2Se與n-Mg3Bi1.5Sb0.49Te0.01器件組成，填充率54.5%（圖4）。得益于熱電薄片的高功率因子以及熱電臂-電極間的高強(qiáng)低阻界面，兩種器件的最大歸一化功率密度達(dá)到43-54 μW cm-2 K-2，約為先前報(bào)道Ag2S基薄膜熱電器件的2倍。

圖4. 基于溫輥壓薄片的高性能熱電器件。(a) 器件制備流程示意圖；(b, c) 兩種熱電器件在不同有效溫差下的電壓-電流（V-I）及功率-電流（P-I）輸出曲線；(d) 兩種熱電器件在不同有效溫差下的最大歸一化功率密度

該工作建立了無(wú)機(jī)半導(dǎo)體溫度依賴的塑性物理模型，在脆性半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)了類(lèi)金屬的塑性加工，為豐富無(wú)機(jī)半導(dǎo)體加工制造方法、拓展應(yīng)用場(chǎng)景提供了重要參考。工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024YFF0505900）和國(guó)家自然科學(xué)基金（T2122013、52232010、92463310）的支持。（上海交通大學(xué)）