半导体先进制程研发与二维材料

在刚过去的CSTIC2018会议上，FinFET的发明者胡正明教授发表了题为《Will Scaling End？What Then？》的演讲。先说他的结论：1.制程微缩会变得缓慢。2.成本－功耗－速度会由创新的方式来改善。3. IC产业因要满足世界对智能科技的渴求还会持续成长。1和3的理由比较容易想像：制程的进展已接近物理极限，一个原子只比0.1nm大一点，3nm不过只是20几个原子，而且有些复杂一点的化合物，譬如可能用在SOT (Spin-Orbit Torque) MRAM的拓朴绝缘体(topological insulator) Bi2Se3，一个单元细胞就有6nm厚，说制程已经逼近物理极限一点也不为过；人工智能芯片与大量机器学习所需的存储器正是驱动这两年半导体迈向新高的动力，而且势头方兴未艾。

但是怎麽由创新来改善半导体的成本－功耗－速度，这对于过去惯于用制程微缩来改善一切的半导体产业恐怕是新的思维挑战。基本上，这些创新来自于凝态物理与材料科学近年来爆发性的进展：有些是操纵材料的新物性，有些是利用材料的新结构。前者譬如MRAM，利用的是电子自旋的特性。电子自旋是上世纪初就知道的事，只是在纳米年代才逐渐有能力操控利用它，利用自旋比利用电荷来储存、传递信息要省电的多。后者譬如是二维(2D)材料，像是胡正明投影片中用于做晶体管的2D堆叠材料MoS2(molybdenum disulfide)、WSe2(tungsten diselenide)和HfTe2(hafnium telluride)等，这些都是2D晶体，只有一层原子。电性佳、天然厚度只有0.6nm，有利于晶体管进一步的微缩。

2D材料是本世纪的新产物。以前凝态物理有个Mermin-Wagner theorem说2D材料不会有长距秩序(long distance order)，就是2D材料不稳定。2004年石墨烯(graphene)的发现推翻了这定理，从此2D材料如雨后春笋般的生发，主要的族群是过渡金属二硫属化物(TMD；Transition Metal Dichalcogenides)，像前述的2D材料MoS2与WSe2全落在这个范畴。

最近的进展[1]是从约10万种已知3D材料以高效能(high-throughput)计算机预测选出1825种易于剥离(exfoliate)成2D材料的物质，并对其中258种化合物的电性、磁性、震动、拓朴性质详加研习，发现其中有56种有铁磁或逆磁性质。也就是说，可以透过高效能电脑穷尽搜索材料并先预测其物性，然后找出可以让元件效能最佳化的物质，以利微缩。

习惯于以工程批(engineering lot)分批测试各种制造条件以找出制程最佳“食谱(recipe)”的半导体人，对于未来新制程的研发方式你已经准备好了吗？

注：[1] “To-dimensional materials from high-throughput computational exfoliation of experimentally known compound”, N. Mounet et al, Nature Nanotechnology 13, 246-252 (2018).