我相信,石墨烯(graphene)將在未來催生半導體材料的下一個重大創新。

材料創新一直是半導體產業中重要的一環。過去,最重要的是高κ閘極介電質;現在,則是鈷成為在半導體中段製程(middle-of-line;MOL)觸點中替代鎢的重要元素。

2004年發現的石墨烯,是迄今最輕薄但最強大的材料。它是碳的一個原子層,它比鋼更強勁200倍,同時也是人類已知最輕薄的材料——每平方公尺的重量約0.77毫克(mg)。它同時也是室溫下的理想導電和導熱體。

由於石墨烯是一個原子層,因此既柔軟且透明。它還能在可見光與近紅外線頻譜範圍展現均勻吸收光的能力,而且適用於自旋電子元件。

針對即將出現的新半導體製程節點,石墨烯將在其先進封裝與互連材料方面發揮重要作用。在3D IC封裝中,石墨烯可作為散熱片,用於降低整體熱阻,或作為EMI屏蔽,以降低串擾。

主動式石墨烯元件層可經由低溫轉換製程(< 400°C)彼此堆疊,實現支援近記憶體運算(memory-near-compute)的高密度異質元件。這是目前美國國防部先進計劃署(DARPA)目前正積極研究的一個領域,同時也是其15億美元電子振興計劃的一部份。

至於互連,銅的動能逐漸消逝,而成為重大的IC瓶頸,預計在7nm節點時達到40%的延遲。石墨烯由於具有較高的電子遷移率和導熱性,使其成為半導體中段和後段製程中更具吸引力的互連材料,特別是在線寬< 30nm時。

基於石墨烯的半導體應用已經開始進入市場。在今年於巴塞隆納舉行的世界行動通訊大會(MWC 2018)展出了一款整合石墨烯調變器和光探測器的新型光收發器,可實現高達每通道25Gbits/s的速度。美國聖地亞哥一家公司Nanomedical Diagnostics已經開始銷售使用石墨烯生物感測器的醫療裝置了。而在歐洲,Emberion正在打造石墨烯光電感測器,用於改善低光條件下的感測能力,還可望在光達應用中找到一席之地。

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離子佈植(ion implantation)技術的發展歷史正是石墨烯如何用於半導體產業的最佳寫照——從基礎科學發現演變至實驗室研究,再進展到實際於廠房製造的過程。

在離子佈植技術發展之初,半導體產業當時的主流觀點並不看好這種技術實際可行(相對於熱擴散),就算它能起什麼作用,也只是略微提高現有產品的製造產量。從核子物理研究轉移離子轟擊技術到半導體生產並不明顯。

後來,英國物理學家Peter Rose主導的Varian公司打造了一種新的先進離子佈植工具,美國德州DRAM製造商Mostek已經用它製造出具有競爭優勢的MOS IC了。Varian和Mostek雙方的成功合作是離子佈植發展成為主要的半導體製程之轉折點。

在其後幾年,晶片公司在越來越多的製程步驟中導入離子佈植技術。大約在1970年代後,它逐漸成為半導體製造所使用的主要製程之一。

同樣地,石墨烯產業也必須與半導體產業密切合作,共同開發足以克服石墨烯挑戰的工具和技術。唯有如此,我們才能完全實現包含這種2D材料的未來。

石墨烯的挑戰包括在大面積上生長具有良好均勻性的材料。此外,如何以CMOS相容方式轉移石墨烯以及實現高吞吐量等方面也存在需要解決的問題。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Graphene Chips in for Moore’s Law,by Anand Chamarthy)