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延長摩爾定律的二維材料發展現況與挑戰

  • 林育中

半導體材料領域的全面性搜尋、研究,就像以前對元素建立週期表類似的努力,正在世界各主要國家開展。Semiconductor Wafer

去年3月ASML在其投資者會議發表了一份半導體產業邏輯與記憶體的技術進程,預計在2022年半導體業界將到達3nm的製程。之後呢?2nm要到2030年,一個以往的典型一個世代進程居然要花8年之久!

但是去年開始有學術文章開始展示1nm的CMOS,通道材料是WSe2。雖說基礎科研與工程量產有段距離要走,但是二維材料對於延長摩爾定律的方向應該是很明確了,而且步伐比想像中的可能還要快。技術推進卻也有其極限,還能比單層再薄嗎?

二維材料其實是指單層(monolayer)或數層(few layers)的材料。數層其實不是新鮮事,像MRAM中磁穿隧結(MTJ)的氧化層只有0.4nm,大約只有2層半的分子。但是講二維材料,是講因其單層或數層的結構而產生了新的機制可以應用——譬如在自旋電子學,或者有比較優異的傳導性質。

二維材料的實際應用面臨3個問題,第一個是材料的定性。單層的二維材料就有1,000多種,其性質從絕緣體到金屬都有。如果包括實際為三維的數層結構,其種類數、特性更為繁複。但是現在材料科學的研究有系統性方法,研究進展極有效率。譬如3月時的學界大事是3個研究群組依材料晶格對稱性對其拓樸性質的分類一下子全做完了——而材料的拓樸性質對於半導體所需的傳導性質有保護作用,是半導體先進製程的熱門材料。

對於材料做全面性的搜尋、研究,就像以前對元素建立週期表類似的努力,正在世界各主要國家開展。譬如美國有Materials Genome Initiative,中國大陸也有相應的Materials Genome Engineering。別讓Genome這字給誤導了,這與生命科學基本上無關,用這字的原因是因為2000年初幾組科學家對2萬多個人類DNA全面性的定序計畫Human Genome Project是這樣命名的,現在對材料性質也有同樣的雄心壯志,要把所有已知材料的性質建成大數據庫。將來產業要特定性質的材料時,一查便知。

台灣的產、學規模也許不夠大,不足以獨立建構此類的資料庫。但是如果可以加入某個研發聯盟、獲取以後使用資料庫使用的權益,對於未來產業發展至關重要。

第二個挑戰是長薄膜。長薄膜比較符合量產的方式是氣相沈積,但是氣相沈積製程通常會伴隨600~1,000度的髙溫,會影響基板(substrate)矽或二氧化矽的電性,而且在矽與二氧化矽上直接長薄膜無法控制薄膜晶格成長方向(orientation)。二維薄膜可以先長於碳化矽或藍寶石(sapphire)較耐熱的材質後再轉印,但這顯然會大幅影響生產效率。分子束外延(Molecular Beam Epitaxy;MBE)是個可以用較低溫(小於300度)長薄膜的方法,可是生產效率也不高。但這方面的工程進展迅速,晶圓尺度(wafer scale)的薄膜成長是現在科學和科技研究的焦點。

薄膜長在基板上性質可能會受影響,進而影響元件的表現,所以薄膜的原子組成、基板的結構、夾層、電性接觸、製造流程等都需要統一標準的量測,這是第三個挑戰。

摩爾定律何時終了這樣的問題在半導體的歷史上已被問了多次,每一次武斷式的回答都是錯誤以終。這次迸出驚奇的是二維材料,是近年來奈米科技對於個別原分子操控能力的具體展現!

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。