半導體先進製程研發與二維材料

在剛過去的CSTIC2018會議上，FinFET的發明者胡正明教授發表了題為《Will Scaling End？What Then？》的演講。先說他的結論：1.製程微縮會變得緩慢。2.成本－功耗－速度會由創新的方式來改善。3. IC產業因要滿足世界對智慧科技的渴求還會持續成長。1和3的理由比較容易想像：製程的進展已接近物理極限，一個原子只比0.1nm大一點，3nm不過只是20幾個原子，而且有些複雜一點的化合物，譬如可能用在SOT (Spin-Orbit Torque) MRAM的拓樸絕緣體(topological insulator) Bi2Se3，一個單元細胞就有6nm厚，說製程已經逼近物理極限一點也不為過；人工智慧晶片與大量機器學習所需的記憶體正是驅動這兩年半導體邁向新高的動力，而且勢頭方興未艾。

但是怎麼由創新來改善半導體的成本－功耗－速度，這對於過去慣於用製程微縮來改善一切的半導體產業恐怕是新的思維挑戰。基本上，這些創新來自於凝態物理與材料科學近年來爆發性的進展：有些是操縱材料的新物性，有些是利用材料的新結構。前者譬如MRAM，利用的是電子自旋的特性。電子自旋是上世紀初就知道的事，只是在奈米年代才逐漸有能力操控利用它，利用自旋比利用電荷來儲存、傳遞訊息要省電的多。後者譬如是二維(2D)材料，像是胡正明投影片中用於做電晶體的2D堆疊材料MoS2(molybdenum disulfide)、WSe2(tungsten diselenide)和HfTe2(hafnium telluride)等，這些都是2D晶體，只有一層原子。電性佳、天然厚度只有0.6nm，有利於電晶體進一步的微縮。

2D材料是本世紀的新產物。以前凝態物理有個Mermin-Wagner theorem說2D材料不會有長距秩序(long distance order)，就是2D材料不穩定。2004年石墨烯(graphene)的發現推翻了這定理，從此2D材料如雨後春筍般的生發，主要的族群是過渡金屬二硫屬化物(TMD；Transition Metal Dichalcogenides)，像前述的2D材料MoS2與WSe2全落在這個範疇。

最近的進展[1]是從約10萬種已知3D材料以高效能(high-throughput)計算機預測選出1825種易於剝離(exfoliate)成2D材料的物質，並對其中258種化合物的電性、磁性、震動、拓樸性質詳加研習，發現其中有56種有鐵磁或逆磁性質。也就是說，可以透過高效能電腦窮盡搜索材料並先預測其物性，然後找出可以讓元件效能最佳化的物質，以利微縮。

習慣於以工程批(engineering lot)分批測試各種製造條件以找出製程最佳“食譜(recipe)”的半導體人，對於未來新製程的研發方式你已經準備好了嗎？

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