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延长摩尔定律的二维材料发展现况与挑战

  • 林育中

半导体材料领域的全面性查找、研究,就像以前对元素建立周期表类似的努力,正在世界各主要国家开展。Semiconductor Wafer

去年3月ASML在其投资者会议发表了一份半导体产业逻辑与存储器的技术进程,预计在2022年半导体业界将到达3nm的制程。之后呢?2nm要到2030年,一个以往的典型一个世代进程居然要花8年之久!

但是去年开始有学术文章开始展示1nm的CMOS,通道材料是WSe2。虽说基础科研与工程量产有段距离要走,但是二维材料对于延长摩尔定律的方向应该是很明确了,而且步伐比想象中的可能还要快。技术推进却也有其极限,还能比单层再薄吗?

二维材料其实是指单层(monolayer)或数层(few layers)的材料。数层其实不是新鲜事,像MRAM中磁穿隧结(MTJ)的氧化层只有0.4nm,大约只有2层半的分子。但是讲二维材料,是讲因其单层或数层的结构而产生了新的机制可以应用——譬如在自旋电子学,或者有比较优异的传导性质。

二维材料的实际应用面临3个问题,第一个是材料的定性。单层的二维材料就有1,000多种,其性质从绝缘体到金属都有。如果包括实际为三维的数层结构,其种类数、特性更为繁复。但是现在材料科学的研究有系统性方法,研究进展极有效率。譬如3月时的学界大事是3个研究群组依材料晶格对称性对其拓朴性质的分类一下子全做完了——而材料的拓朴性质对于半导体所需的传导性质有保护作用,是半导体先进制程的热门材料。

对于材料做全面性的查找、研究,就像以前对元素建立周期表类似的努力,正在世界各主要国家开展。譬如美国有Materials Genome Initiative,中国大陆也有相应的Materials Genome Engineering。别让Genome这字给误导了,这与生命科学基本上无关,用这字的原因是因为2000年初几组科学家对2万多个人类DNA全面性的定序计画Human Genome Project是这样命名的,现在对材料性质也有同样的雄心壮志,要把所有已知材料的性质建成大数据库。将来产业要特定性质的材料时,一查便知。

台湾的产、学规模也许不够大,不足以独立建构此类的资料库。但是如果可以加入某个研发联盟、获取以后使用资料库使用的权益,对于未来产业发展至关重要。

第二个挑战是长薄膜。长薄膜比较符合量产的方式是气相沈积,但是气相沈积制程通常会伴随600~1,000度的髙温,会影响基板(substrate)矽或二氧化矽的电性,而且在矽与二氧化矽上直接长薄膜无法控制薄膜晶格成长方向(orientation)。二维薄膜可以先长于碳化硅或蓝宝石(sapphire)较耐热的材质后再转印,但这显然会大幅影响生产效率。分子束外延(Molecular Beam Epitaxy;MBE)是个可以用较低温(小于300度)长薄膜的方法,可是生产效率也不高。但这方面的工程进展迅速,晶圆尺度(wafer scale)的薄膜成长是现在科学和科技研究的焦点。

薄膜长在基板上性质可能会受影响,进而影响元件的表现,所以薄膜的原子组成、基板的结构、夹层、电性接触、制造流程等都需要统一标准的量测,这是第三个挑战。

摩尔定律何时终了这样的问题在半导体的历史上已被问了多次,每一次武断式的回答都是错误以终。这次迸出惊奇的是二维材料,是近年来纳米科技对于个别原分子操控能力的具体展现!

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。