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半導體先進製程研發的質變

  • 林育中
圖為生長在石英上的輝鉬礦,即二硫化鉬,TMD應用於半導體製程研發的代表性材料之一。John Chapman

聽過TMD (Transition Metal Dichalcogenides;過渡金屬二硫屬化物)嗎?5年前我也沒有聽過。現在是半導體先進製程研究的當紅炸子雞,晶圓廠的先進整合製程研發組織中現在紛紛加入此一題目研究小組,就如同之前的MRAM、第一原理計算(first principles calculation)、矽光子、量子點等現在都也加入先進整合製程研發的範疇,而這些從來不是過去半導體製程研發的傳統選項。

TMD材料的單位晶格包括一個過渡金屬原子,如鉬(Molybdenum)、釩(Vanadium)等;硫屬指週期表硫那一欄的元素,譬如硫(sulfur)、硒(selenium)、碲(tellurium)等。一個過渡金屬原子與兩個硫屬元素原子所組成的分子就叫TMD,如二硫化鉬(MoS2)、二硒化釩(VSe2)等。

TMD變得有趣是石墨烯(graphene)出現後的事。石墨烯是二維材料,就是材料只有一層分子,後來發現原來是三維材料的TMD也容易組成二維材料。並且因為維度下降,有許多過去在三維時不易出現的有趣性質也一一浮現。

TMD在半導體先進製程出現的原因還是因為電晶體漏電流的老問題。製程越微縮、源極和漏極中間的通道越短,即使在柵極不加電壓的狀況下,也會有電流通過,這會產生能耗和訊號錯誤等一大堆問題。電晶體開、關狀態的差別不明顯,用術語來說,就是開關比(on-off ratio)太低。解決問題的方法之一是縮小通道的截面積,截面積再小小不過二維材料-它的截面積只是一條線,所以TMD材料就浮現在半導體製程研發的雷達中。

現在先導入半導體的是二硫化鉬,電子於其中機動性(mobility)高,做為電晶體通道開關比也高。而且由於其表面與其它物質之間只存有微弱的凡德瓦力,不像矽和二氧化矽的介面中還存有懸空鍵(dangling bond),流經的電子會陷入這懸空鍵中。

石墨烯是2004年發現的,2010年剛得諾貝爾獎,迄今不過10來年,二維TMD的發現當然更遲。我3、4年前開始做這方面的研究,現在這題目仍是研究前沿的領域,但是產業現在也將其放入短期研發的焦點領域之中,科學與科技的界限變模糊了。

這狀況讓我想起一件事。兩年前我帶了一位世界級科研機構領導人去拜訪國內的對應研究機構。當討論到一項先進技術時,他突然噤聲,他隨後解釋說,他和三星簽有合作合約,沒法子談。面臨現在半導體技術極端逼近科學研究前沿時,三星早已改變了他們研發資源配置的方式,我們準備好了嗎?

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。