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先进制程的「321」

  • 林育中

尺寸微缩逐渐遇到瓶颈,半导体开始寻找新的加值方向。by.yuyang

此时此刻半导体增加价值的方向是「more Moore」和「more than Moore」双轴并行。后者指的是异构集成,是半导体产业中以应用为主要增值手段、以封装为技术手段之新的共同技术路标,而前者沿著临界尺寸微缩遗绪的方向继续前行。

以前的临界尺度(critical dimension)与微影的解像度是直接相关的,譬如逻辑制程的闸极长度或存储器的半金属节距(half metal pitch)都是与当时微影制程的最佳分辨率相符的。但是到了深紫外光后,即使理论上光的波长可以再缩短—譬如γ光,半导体的材质也承受不住因波长缩短、能量升高光束的轰击。想达到如摩耳定律般持续的缩小元件体积、增加元件数量、改进效能,需要别出心裁、另闢蹊径,标题中説的321就是其中三个方法。

3是指3D结构。3D NAND是个中翘楚,不仅元件阵列层层堆叠,而且元件还垂直的长,这与传统半导体制程的一马平川显然的要海阔天空得多,也摆脱了临界尺度步步紧逼的恶梦。逻辑制程虽然不似存储器有重复排列的简单结构,然而自14nm以下单一元件也开始了3D化的路程,先是FinFET,未来可能还有GAA(Gate-All-Around),譬如三星规划的MBCFET (Multi-Bridge Channel FET),就是GAA的一种。这些元件型态都已有复杂的3D结构,因此技术特性-譬如SRAM的密度-的演进得以持续依摩尔定律前进。

2是指2D材料,特别是过渡金属二硫属化合物(TMD;Transition Metal Dichalcogenide),是单层(monolayer)分子的化合物。TMD多才多艺,传导性质从绝缘体、半导体、金属到超导体都有。目前首先被拿到台面上的是做为晶体管通道的半导体材料,解决在极度微缩时通道漏电流的问题,候选材料包括MoS2和WS2,其中WS2与矽材料的集成最佳。

一般3D块材在边界晶格终止时,都有化学键未完成电子配对键结,这些叫悬空键(dangling bond)。当电子流经块材时,电子会聚积在这些悬空键,成为电子流动散射的来源。单层结构天生没有悬空键,层与层之间只有微弱的凡德瓦力,因此电子流经TMD时流动性高、漏电流小。

2D材料还有其它的用途,譬如在矽光子中的波导元件,波导腔中加上一层单层分子就可以大幅减低光子损耗的问题。另外,单纯用2D材料也可以做出2D晶体管-晶体管中的金属、氧化物、半导体全都是2D材料,做为在连通层信号的中继器,这样长距信号就不必上上下下奔波,功耗降低。另外电源管理系统、信号缓冲器、存储器等这些不必用大的驱动电流的元件也可以用2D晶体管来构建。

1指的是对单一粒子的操控,包括对电子、原子、离子、光子等。如果人类应用的自然力仅限于电磁,这就是极限了。看以前纳米科技的定义其实也包括这部分,但是真正能实施就是这几年的事。包括量子点、离子陷阱等。现在已有单电子晶体管(SET;Single Electron Transistor)、单光子光源(single photon source)、单光子传感器(single photon detector)等。

这都是对单一粒子的调控。虽然其调控机制仍需一些支持的元件,但是其密度有可能再提高;而且单一粒子带的讯息是量子位元,反而比其集合体携带更巨量的信息,所以其实质上等效的元件密度及效能得以再增进。

美国最近拟议的Endless Frontier Act其中十大科技项目包含了半导体、量子信息和材料科学,上述的3、2、1全部在内。台湾最近宣布的六大科技方向中的Angstrom technology与2、1有关,这也是6项中我觉得能直接发展成产业或真正对产业有助益的科技政策。

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。