康奈尔大学的科学家们一直在使用改进的家用微波炉来帮助克服实际2nm 半导体生产的重大障碍。由此产生的微波退火炉借鉴了台积电关于微波和硅掺杂磷的理论。因此，半导体制造商可以使用新设计的设备和技术突破以前的磷浓度限制。
为了使半导体工艺继续缩小，硅必须掺杂越来越高的磷浓度，以促进准确和稳定的电流传输。就目前而言，随着业界开始大规模生产 3nm组件，传统的退火方法仍然有效。然而，随着工业达到 3nm 以上，需要确保高于其在硅中的平衡溶解度的磷浓度。除了实现更高的浓度水平外，一致性对于制造功能性半导体材料至关重要。
台积电此前曾推测，微波可用于退火（加热）过程，以促进增加磷的掺杂浓度。然而，以前的微波加热源往往会产生驻波，这不利于加热的一致性。简单来说，以前的微波退火设备加热其内容物不均匀。
康奈尔大学的科学家得到台积电和台湾科技部的支持，开展微波退火研究。在本周早些时候由康奈尔大学分享的由此产生的科学论文中，科学家们得出结论，由于他们先进的微波退火方法，他们已经“克服了高于溶解度的高而稳定掺杂的基本挑战”。
改良的微波炉可以做出下一代半导体
康奈尔大学工程学教授改装的家用微波炉正在帮助“烹饪”下一代手机、计算机和其他电子产品，因为这项发明被证明可以克服半导体行业面临的重大挑战。
8 月 3 日发表在 Applied Physics Letters上的一篇论文详细介绍了这项研究。第一作者为材料科学与工程系研究教授James Hwang ；康奈尔大学的其他贡献者是博士生 Chandrasekhar Savant 和前博士后研究员 Mohammed Javad Asadi。
生产构成晶体管和其他微芯片组件的材料类似于烘烤，因为必须将材料成分混合在一起然后加热，以及其他步骤，以产生所需的电流。例如，将磷添加到硅中，然后对混合物进行退火或加热，以将磷原子定位到正确的位置，从而使它们在电流传导中处于活跃状态。
但随着微芯片不断缩小，硅必须掺杂或混合更高浓度的磷才能产生所需的电流。半导体制造商现在正接近一个临界极限，即使用传统方法加热高掺杂材料不再能生产出功能一致的半导体。
“我们需要的磷浓度高于其在硅中的平衡溶解度。这违背了自然，”Huang说。“硅晶体会膨胀，造成巨大的应变，使其可能对电子产品无用。”
台积电 (TSMC) 提出了微波可用于激活过量掺杂剂的理论，但就像家用微波炉有时会不均匀地加热食物一样，以前的微波退火器会产生“驻波”，从而阻止持续的掺杂剂激活。因此，台积电与 Hwang 合作，后者对微波炉进行了改造，以选择性地控制驻波发生的位置。这种精度允许掺杂剂的适当激活，而不会过度加热或损坏硅晶体。
Hwang 说，这一发现可用于生产 2025 年左右出现的半导体材料和电子产品，他已与博士后研究员 Gianluca Fabi 为原型微波退火器申请了两项专利。
“一些制造商目前正在生产 3 纳米的半导体材料，”Hwang 说。“这种新的微波方法有可能使台积电和三星等领先制造商的尺寸缩小到仅 2 纳米。”
这一突破可能会改变微芯片中使用的晶体管的几何形状。20 多年来，晶体管被制成像背鳍一样竖立起来，以便在每个微芯片上封装更多，但制造商最近开始试验一种新架构，其中晶体管作为纳米片水平堆叠，可以进一步增加晶体管的密度和控制。通过微波退火实现的过度掺杂材料将是新架构的关键。
该研究得到了台湾科技部的支持，继续研究得到了康奈尔技术许可中心的 Ignite: Cornell Research Lab to Market 资助的支持。
来源：半导体行业观察