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先進製程的「321」

  • 林育中

尺寸微縮逐漸遇到瓶頸,半導體開始尋找新的加值方向。by.yuyang

此時此刻半導體增加價值的方向是「more Moore」和「more than Moore」雙軸並行。後者指的是異構整合,是半導體產業中以應用為主要增值手段、以封裝為技術手段之新的共同技術路標,而前者沿著臨界尺寸微縮遺緒的方向繼續前行。

以前的臨界尺度(critical dimension)與微影的解像度是直接相關的,譬如邏輯製程的閘極長度或記憶體的半金屬節距(half metal pitch)都是與當時微影製程的最佳解析度相符的。但是到了深紫外光後,即使理論上光的波長可以再縮短—譬如γ光,半導體的材質也承受不住因波長縮短、能量升高光束的轟擊。想達到如摩耳定律般持續的縮小元件體積、增加元件數量、改進效能,需要別出心裁、另闢蹊徑,標題中説的321就是其中三個方法。

3是指3D結構。3D NAND是個中翹楚,不僅元件陣列層層堆疊,而且元件還垂直的長,這與傳統半導體製程的一馬平川顯然的要海闊天空得多,也擺脫了臨界尺度步步緊逼的惡夢。邏輯製程雖然不似記憶體有重複排列的簡單結構,然而自14nm以下單一元件也開始了3D化的路程,先是FinFET,未來可能還有GAA(Gate-All-Around),譬如三星規劃的MBCFET (Multi-Bridge Channel FET),就是GAA的一種。這些元件型態都已有複雜的3D結構,因此技術特性-譬如SRAM的密度-的演進得以持續依摩爾定律前進。

2是指2D材料,特別是過渡金屬二硫屬化合物(TMD;Transition Metal Dichalcogenide),是單層(monolayer)分子的化合物。TMD多才多藝,傳導性質從絕緣體、半導體、金屬到超導體都有。目前首先被拿到檯面上的是做為電晶體通道的半導體材料,解決在極度微縮時通道漏電流的問題,候選材料包括MoS2和WS2,其中WS2與矽材料的整合最佳。

一般3D塊材在邊界晶格終止時,都有化學鍵未完成電子配對鍵結,這些叫懸空鍵(dangling bond)。當電子流經塊材時,電子會聚積在這些懸空鍵,成為電子流動散射的來源。單層結構天生沒有懸空鍵,層與層之間只有微弱的凡德瓦力,因此電子流經TMD時流動性高、漏電流小。

2D材料還有其他的用途,譬如在矽光子中的波導元件,波導腔中加上一層單層分子就可以大幅減低光子損耗的問題。另外,單純用2D材料也可以做出2D電晶體-電晶體中的金屬、氧化物、半導體全都是2D材料,做為在連通層信號的中繼器,這樣長距信號就不必上上下下奔波,功耗降低。另外電源管理系統、信號緩衝器、記憶體等這些不必用大的驅動電流的元件也可以用2D電晶體來構建。

1指的是對單一粒子的操控,包括對電子、原子、離子、光子等。如果人類應用的自然力僅限於電磁,這就是極限了。看以前奈米科技的定義其實也包括這部分,但是真正能實施就是這幾年的事。包括量子點、離子陷阱等。現在已有單電子電晶體(SET;Single Electron Transistor)、單光子光源(single photon source)、單光子感測器(single photon detector)等。

這都是對單一粒子的調控。雖然其調控機制仍需一些支持的元件,但是其密度有可能再提高;而且單一粒子帶的訊息是量子位元,反而比其集合體攜帶更巨量的資訊,所以其實質上等效的元件密度及效能得以再增進。

美國最近擬議的Endless Frontier Act其中十大科技項目包含了半導體、量子信息和材料科學,上述的3、2、1全部在內。台灣最近宣布的六大科技方向中的Angstrom technology與2、1有關,這也是6項中我覺得能直接發展成產業或真正對產業有助益的科技政策。

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。