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半导体先进制程研发的质变

  • 林育中
图为生长在石英上的辉钼矿,即二硫化钼,TMD应用于半导体制程研发的代表性材料之一。John Chapman

听过TMD (Transition Metal Dichalcogenides;过渡金属二硫属化物)吗?5年前我也没有听过。现在是半导体先进制程研究的当红炸子鸡,晶圆厂的先进集成制程研发组织中现在纷纷加入此一题目研究小组,就如同之前的MRAM、第一原理计算(first principles calculation)、矽光子、量子点等现在都也加入先进集成制程研发的范畴,而这些从来不是过去半导体制程研发的传统选项。

TMD材料的单位晶格包括一个过渡金属原子,如钼(Molybdenum)、钒(Vanadium)等;硫属指周期表硫那一栏的元素,譬如硫(sulfur)、硒(selenium)、碲(tellurium)等。一个过渡金属原子与两个硫属元素原子所组成的分子就叫TMD,如二硫化钼(MoS2)、二硒化钒(VSe2)等。

TMD变得有趣是石墨烯(graphene)出现后的事。石墨烯是二维材料,就是材料只有一层分子,后来发现原来是三维材料的TMD也容易组成二维材料。并且因为维度下降,有许多过去在三维时不易出现的有趣性质也一一浮现。

TMD在半导体先进制程出现的原因还是因为晶体管漏电流的老问题。制程越微缩、源极和漏极中间的通道越短,即使在栅极不加电压的状况下,也会有电流通过,这会产生能耗和讯号错误等一大堆问题。晶体管开、关状态的差别不明显,用术语来说,就是开关比(on-off ratio)太低。解决问题的方法之一是缩小通道的截面积,截面积再小小不过二维材料-它的截面积只是一条线,所以TMD材料就浮现在半导体制程研发的雷达中。

现在先导入半导体的是二硫化钼,电子于其中机动性(mobility)高,做为晶体管通道开关比也高。而且由于其表面与其它物质之间只存有微弱的凡德瓦力,不像矽和二氧化矽的接口中还存有悬空键(dangling bond),流经的电子会陷入这悬空键中。

石墨烯是2004年发现的,2010年刚得诺贝尔奖,迄今不过10来年,二维TMD的发现当然更迟。我3、4年前开始做这方面的研究,现在这题目仍是研究前沿的领域,但是产业现在也将其放入短期研发的焦点领域之中,科学与科技的界限变模糊了。

这状况让我想起一件事。两年前我带了一位世界级科研机构领导人去拜访国内的对应研究机构。当讨论到一项先进技术时,他突然噤声,他随后解释说,他和三星签有合作合约,没法子谈。面临现在半导体技术极端逼近科学研究前沿时,三星早已改变了他们研发资源配置的方式,我们准备好了吗?

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。