研究背景
高质量电介质与沟道材料的集成一直是硅电子学发展中的核心任务。随着二维（2D）电子器件的尺寸缩小至原子级别，由于电荷载流子更容易受到缺陷、杂质和悬空键等因素引起的沟道-电介质界面处的电荷散射的影响，这一任务变得更加具有挑战性。六方氮化硼（hBN）因其原子平坦性和无悬空键，已成为下一代大规模集成电子中有前景的介电集成保护层。可减少集成引起的结构损伤和相关的电荷散射，为探索二维材料的新奇物理特性和制造高性能2D电子器件提供了一个有希望的平台。为了实现这一目标，对hBN的要求极为严格。hBN薄膜应具有大面积、超平坦性、单晶性，并且与先进的微电子制造兼容。近期，科研人员通过化学气相沉积（CVD）在金属基板上生长高质量的单晶hBN薄膜，取得了显著进展。例如，通过台阶引导外延机制在邻近的Cu(110)箔、Ni(111)箔和Cu(111)晶片上生长，或通过自准直机制在液态金上生长hBN。然而，晶片级超平hBN仍未实现。
研究成果
近日，北京大学彭海琳教授&中科院深圳先进院丁峰教授合作报道了，在Cu0.8Ni0.2(111)/蓝宝石基底上外延生长出4英寸的超平单晶hBN薄膜。通过hBN和Cu0.8Ni0.2(111)之间的强耦合，有效抑制了皱纹的形成，并确保了平行排列的hBN畴的无缝缝合，从而在晶片尺度上形成超平的单晶hBN薄膜。利用超平hBN作为保护层，进一步将晶片级超薄高κ电介质与二维（2D）材料无缝集成，所得hBN/HfO2复合电介质表现出超低漏电流（2.36×10-6A·cm-2）和超薄的等效氧化物厚度（0.52nm），复合国际器件和系统路线图（ITRS）的标准。这项发现为超平面二维材料的合成和未来二维电子的集成铺平了道路。
相关研究工作以“Ultraflat single-crystal hexagonal boron nitride for wafer-scale integration of a 2D-compatible high-κ metal gate”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。
研究内容
研究者在4英寸Cu0.8Ni0.2(111)/蓝宝石晶片上成功合成了超平单晶hBN单层。发现hBN和Cu0.8Ni0.2(111)之间的强耦合，不仅有效消除了冷却过程中的皱纹和台阶聚束，还促进了平行排列的hBN畴的无缝缝合（图1a）。首先通过控制CuNi(111)中Ni的原子浓度，来调节hBN和CuNi(110)之间的耦合。单晶CuNi(111)/蓝宝石晶片是通过工业兼容的溅射和退火工艺制备而成，其表面粗糙度降低至~0.34nm，几乎未观察到台阶聚束。在这种平坦的基板表面上，当Ni浓度在0-10%范围内时，生长的hBN三角形薄片表现出0°和60°两种取向（图1b）。当CuNi(111)的Ni浓度增加至15%、20%或更高时，hBN薄片的取向完全平行排列（图1b）。在成核阶段，检查了规则三角形hBN畴的取向，发现99.7%以上的hBN结构域实现了对齐，重要的是，在这些结构域中未观察到明显的底物阶跃聚束或皱纹（图1b插图）。将这些单向排列的hBN畴无缝缝合成连续薄膜后，当Ni浓度从0%增至20%时，hBN薄膜保持其平整度，CuNi(111)上未见皱纹（图1c）。iDPC-STEM图像显示，随着CuNi(111)的Ni浓度增加，生长的hBN和CuNi(110)基板之间的距离逐渐减小。hBN薄膜和Cu0.8Ni0.2(111)之间的距离仅为~2.7Å，明显小于hBN和Cu(111)间的距离~3.8Å（图1d），表明hBN和Cu0.8Ni0.2(111)之间存在强耦合而非范德华相互作用。理论计算表明，随着镍浓度的增加，hBN和下层基板之间的耦合增强（扩展数据）。强耦合导致0°取向和60°取向hBN畴之间的能量差更大，从而确保了hBN在Cu0.8Ni0.2(111)上的单向生长。此外，当Ni浓度进一步增至30%时，成核密度、hBN的生长速率和单晶CuNi(111)衬底的尺寸均会显著减小。因此，为生长超平坦单晶hBN单层，特别定制了4英寸单晶Cu0.8Ni0.2(111)晶片（图1e）。
图1. Cu0.8Ni0.2(111)晶片上的超平坦hBN单晶设计
图2. 超平hBN薄膜的特征
图3. Cu0.8Ni0.2(111)基板上的皱纹抑制机制
图4. HKMG在2D材料上的集成
结论与展望
总之，这项研究开发了一种在Cu0.8Ni0.2(111)上外延生长4英寸超平单晶hBN晶片的方法。通过利用hBN和Cu0.8Ni0.2(111)之间的强相互作用，有效地消除了hBN薄膜中的晶界和皱纹，从而扩展了高质量均匀二维材料的生长方法，对电子工业具有重大意义。通过工业兼容的ALD工艺，在4英寸超平hBN晶片上均匀沉积了超薄的HfO2层。所得hBN/HfO2表现出良好的介电性能，具有小EOT（0.52nm）和低漏电流（2.36×10-6A·cm-2）。通过转移工艺用制备的hBN/HfO2封装石墨烯，确保了石墨烯和电介质之间的无损伤界面，从而显示出石墨烯的内在特性，在室温下具有~10000cm2·V-1·s-1的高迁移率，且石墨烯晶体管表现出良好的栅极控制，磁滞低至40mV。这项工作不仅揭示了高质量二维材料的生长机制，还展示了将HKMG与二维材料集成的有效策略，为未来的二维晶体管铺平了道路。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-024-01968-z
