纳米制程技术新突破!台积电、交大找出关键材料首登国际期刊《自然》

当半导体先进制程持续发展,芯片的尺寸也逐渐缩小,每次制程的演进都有许多技术需要突破,芯片代工龙头台积电也无可避免要投入大量研发能力来“超前部署”、解决可能在5纳米、3纳米出现的技术瓶颈。

台积电在科技部“尖端晶体材料开发及制作计划”的支持下,与交大的研究团队合作,发布的最新研究登上国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)。

台积电技术发展组织李连忠处长表示,除依赖公司内部研发团队外,与学术界携手、善用学术界的研究能量突破技术瓶颈也是一种方法,因此近期台积电在科技部“尖端晶体材料开发及制作计划”的支持下,与交大的研究团队合作,共同进行单原子层氮化硼的合成技术研究,成功开发出大面积芯片尺寸的单晶氮化硼,未来将有机会应用在先进的逻辑制程技术上。台积电更是首次与产业合作的研究成果,被刊登于国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)。

步入三纳米制程,“氮化硼”成绝缘体材料新解

氮化硼(BN)并非全新材料,之所以重要是因为其具备良好的散热效果,更是绝佳的绝缘体材料选择。先进制程中会需要绝缘体的存在,通常是要协助电子能顺利通过芯片里的信道,

当制程持续往下走、信道势必越来越小,若没能靠更好的绝缘体排除掉可能依附的电荷所造成的阻碍,芯片的性能表现将会大打折扣。

先进制程步入3纳米以后,李连忠表示过去7纳米、5纳米时所采用的绝缘体材料如氧化物等将不再适用,原因出在过去的氧化物绝缘体都是三维绝缘体,它们像是一个3D的概念、容易有其他键结让芯片中的电荷依附,造成电流不易通过。

三纳米以后的制程偏向二维半导体,类似一个非常薄的架构、趋近于平面,因此李连忠提到这样的情况需要采用的是同为二维绝缘体的材料,氮化硼正是一个好的解决方式。

即便半导体业界都知道要采用“氮化硼”作为未来先进制程可能的绝缘体材料,不过技术上依旧无法突破,这也是为什么这次台积电与交大携手研究的成果能刊登上《自然》期刊的主因。

不只找出绝缘体材料,如何大量生产才是关键

李连忠说到,过去氮化硼的生长只能长成一个不规则的晶体,若要将氮化硼真正应用到芯片片上,就只能将不规则晶体的氮化硼撕下来贴在芯片片上,不但效率不高,大小不一的氮化硼也很难满足半导体制程所需,因此若能直接在芯片上直接生长,将能有效解决问题,只是该如何在芯片上合成高品质单晶的单原子层氮化硼?

李连忠说过去已知的就是利用铜这个材料,但是不同晶面的铜都会影响后续的表现跟价格。

能成功登上《自然》最主要的原因在于台积电跟交大发现,绝缘体材料氮化硼可以通过高温高压的方式,借由铜(111)在芯片上合成高品质单晶的单原子层氮化硼。

就以铜(111)来说,是作为合成绝佳选择,因为它容易取得且稳定,对于未来可能要步入商业化的量产来说,是比较恰当的研究选择。

成功突破过去技术瓶颈的关键,李连忠表示是研究团队发现铜(111)的表面并不是完全平面、而是有类似像阶梯的模样,因此将氮化硼分子依附在这些阶梯的边缘处,并将这个类似阶梯表面的铜(111)先规划好后,氮化硼就能在高温高压的处理下于芯片上被合成、进而完成大面积芯片尺寸的单晶氮化硼。

参与此次研究的交大教授张文豪表示,目前实验室里面是采用2英寸芯片片的大小做实验,未来要复制到其他尺寸的芯片片应该也不是问题。对于正积极布局3纳米研发的台积电来说,此发现无疑是对接下来3纳米可能遇到的瓶颈找到出口。

半导体材料有新变化?硅可能走到尽头

面对材料在半导体业界的重要性逐步提升,李连忠也透露硅在半导体已经有好几十年的应用,若要用全新的材料来取代硅其实也是一大工程,因为周边技术都需要改变、也需要花时间去应证新材料是否真的能有预期中的表现。目前业界以及相关的会议如IEDM等都对于硅材料有走到尽头的预测,因此寻找新材料刻不容缓。

台积电透露,目前内部有将近1/10的人力、约6000-7000人投入研发工作。受到疫情影响,每年3月展开的校园征才预计将视疫情的状况延后举办,届时将会再募集一批生力军。

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