著眼3奈米節點 產學聯手取得2D材料絕緣層生長技術突破

作者 : Judith Cheng,EE Times Taiwan

由新竹交通大學以及晶圓代工龍頭台積電(TSMC)組成的合作團隊,成功實現了以大面積晶圓尺寸生長單晶氮化硼的技術,其成果獲刊於2020年3月的國際學術期刊《Nature》...

隨著半導體製程邁向個位數奈米節點,如何跨越電晶體微縮的物理極限、延續摩爾定律(Moore’s Law)壽命,成為相關技術研發的焦點;其中能取代矽的新材料也是熱門議題之一,像是能達到僅原子厚度(小於0.7奈米)、單層平面結構的二維材料(2D material),例如備受矚目的石墨烯(graphene)以及六方氮化硼(h-BN)。

這些新材料被視為半導體製程邁向3奈米以下節點的關鍵,因此相關技術研發的突破備受全球半導體業界關注。近日有一個台灣的研究團隊成功實現了以大面積晶圓尺寸生長單晶氮化硼的技術,其成果獲刊於2020年3月的國際學術期刊《Nature》;這個團隊是由來自新竹交通大學以及晶圓代工龍頭台積電(TSMC)的研究人員所組成,由科技部的「尖端晶體材料開發及製作計畫」所支持,是台灣產學合作進行創新科技研發的成功案例之一。

率領該團隊的交大電子物理特聘系教授張文豪表示,在二維材料中包括具備高電子遷移率的石墨烯、二硫化鉬(MoS2)等,被視為替代矽等傳統半導體材料的潛力候選方案;然而當電子在這類僅有單原子厚度的二維半導體材料中傳輸,很容易受到鄰近材料的電荷干擾,需要有絕緣效果良好的材料作為保護層;同為二維材料、能隙較大的六方氮化硼(其晶體結構與石墨烯同為六角蜂巢狀)就是一種非常理想的絕緣層材料。

不過要合成高品質的單晶六方氮化硼非常不容易;張文豪指出,傳統的合成方法要在高溫(達到1,500~2,000℃)以及高壓(5~10GPa)環境下進行,且只能形成不規則狀的晶體,難以應用在大量生產的半導體製程中。為此交大電子物理系與台積電研究發展部門聯手突破了技術瓶頸,在科技部的經費支持下以化學氣相沉積(CVD)製程,成功在2吋晶圓大小的銅(111)晶體表面生長出單一晶體整齊排列的六方氮化硼,研究團隊形容,其難度「相當於將人以小於0.5公尺的間距整齊排列在整個地球表面上;」而研究結果也證實,合成的高品質單晶六方氮化硼能有效提升單層二硫化鉬電晶體元件的特性。

交大與台積電的研究結果證實,單晶六方氮化硼能有效提升單層二硫化鉬電晶體元件特性。

(圖片來源:交大電子物理系張文豪教授/交大-台積電聯合研發團隊)

能取得此突破性的成果,台積電研究發展部門的兩位博士級成員──包括處長李連忠以及掛名論文主要作者的陳則安──亦扮演了關鍵的角色;李連忠先前任職中研院時亦曾以CVD製程成功開發生長大面積石墨烯、二硫化鉬等二維材料的技術,而陳則安則是與研究團隊夥伴一起推翻了傳統上認為銅表面不能形成單晶的舊理論。

不過張文豪也強調,此技術何時能進展到可量產階段仍難以預測,其間仍有許多有待克服的挑戰;他認為:「這需要物理、化學、材料、電子…等等不同領域跨學科專家們的通力合作。」而李連忠則表示,氮化硼也是非常優良的散熱材料,除了著眼在下一代二維半導體元件上的應用,研究團隊也將繼續發掘該種材料在半導體製程上的其他應用。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年4月號

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