延长摩尔定律的二维材料发展现况与挑战

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时代进程居然要花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，而且步伐比想像中的可能还要快。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，国内大陆也有相应的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全面性的定序计划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数据库。但是如果可以加入某个研发联盟、获取以后使用数据库使用的权益，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矽或蓝宝石(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！