随着人工智能技术的不断进步，对高性能半导体的需求也迅速增长。为了实现更高性能的半导体，开发新材料和创新结构已变得至关重要。近日，全球首例基于等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术的4英寸异质结构半导体制造技术问世。这一突破使得生产低功耗、高性能的半导体成为可能，其性能超越了传统硅基技术的局限。
PECVD技术，即等离子体增强化学气相沉积技术，是一种在沉积腔室利用辉光放电使气体分子电离后在衬底上进行化学反应沉积的半导体薄膜材料制备和其他材料薄膜的制备方法。这项技术通过等离子体激活作用增强化学气相反应物质活性，提高表面反应速率，并通过高能离子显著降低了薄膜沉积温度。PECVD技术在半导体制造、太阳能电池、涂层技术、显示面板等领域都有着广泛的应用。例如，在半导体制造中，PECVD用于制备栅极电介质、钝化层和互连器件；在太阳能电池中，用于制备抗反射涂层和其他功能层；在显示技术中，用于制备液晶显示器的透明电极和光学膜。此外，PECVD还可用于光学元件涂层以及汽车和航空航天部件的保护涂层。
此次研究由韩国机械与材料研究院（KIMM）半导体制造研究中心的首席研究员金亨宇领导，研究团队与成均馆大学机械工程系的金泰成教授团队通力合作，成功研发了全球首个基于等离子技术的4英寸异质结构半导体制造工艺。通过采用过渡金属二硫化物（TMDc）等新一代半导体材料，这项技术有望应用于AI半导体领域。
研究团队利用PECVD设备成功制造了两种类型的4英寸异质结构。一种是二硫化钨（WS₂）与石墨烯的异质结构：在转移后的石墨烯晶圆上沉积1纳米（nm）厚的钨（W）金属层，然后通过H₂S等离子体硫化来完成制备。
图：韩国团队全球首创4英寸异质结构半导体技术（图源：全球半导体观察）
此外，团队还突破性地制备了由两种不同形式的二硫化钼（MoS₂）薄膜构成的金属-半导体异质结构。相比稳定的六方2H相，正交结构的1T相为亚稳相，因此难以在大面积晶圆上制备。然而，这项新技术成功地在4英寸晶圆上实现了1T相，同时制备了1T-2H异质结构。
传统的异质结构制造方法，如堆叠技术，通常仅能在几微米（μm）的尺寸上实现，且在重复性方面存在问题。研究团队通过PECVD技术突破了这些限制，实现了4英寸晶圆级的异质结构制备。这一创新使得3D集成结构成为可能，显著减少了功耗和热量散失，从而提高了性能和能效——这是低功耗、高性能AI半导体的关键特性。
KIMM的金亨宇首席研究员表示：“这项新开发的技术不仅满足了晶圆尺寸和重复性要求，还使此前仅限于学术研究的实验得以验证。PECVD是一种在半导体行业广泛应用的技术，该技术具备量产潜力，有望推动AI半导体性能和商业化的进一步提升。”
KIMM已经通过在美国和韩国注册专利，获得了两种4英寸异质结构晶圆制造的核心技术。目前该研究成果已发表在《Advanced Materials》和《Energy & Environmental Materials》等知名期刊上。
