從材料領域“將軍”三星！臺積電“3nm”團隊曝光

據(jù)今周刊報道，今年1月，三星高調宣布已成功開發(fā)3nm制程，就在三星叫陣的同時，臺積電反將一軍，直接從材料領域關鍵環(huán)節(jié)大步超前。

《自然》雜志3月刊登了一篇由臺積電與臺灣交通大學成員合作發(fā)表的文章，公布了“晶圓級單層單晶氮化硼”生產(chǎn)技術，這是臺積電技術研究處團隊與臺灣交通大學特聘教授張文豪的重要研發(fā)結晶，不僅領先全球，更能有效提升3nm以下芯片性能。

這一篇期刊文章刊出后，廣受半導體界關注，主要原因在于，全球科學家已面臨傳統(tǒng)半導體材料的物理瓶頸，突破瓶頸的方法之一，就是利用二維材料解決電子傳輸干擾問題，這個集結化學、物理、電子三大領域人才研發(fā)出來的結果，巧妙地成為臺積電在先進制程上的優(yōu)勢。

突破半導體材料的物理瓶頸

研究的起點，在于2017年底現(xiàn)任臺積電技術研究處處長的李連忠離開學界，加入臺積電主持技術研究部門的那一刻。

“我比較實際，不做太理論的東西。”原本在臺灣中研院鉆研材料領域的李連忠，加入臺積電后，便著手研究新材料。第一步，就是找上有多年交情的張文豪，“他（張文豪）本來是做物理的，他說我讓他轉變了領域。”

過去，張文豪專注研究光譜分析材料中的電子行為，與李連忠所熱衷的新材料研發(fā)，是兩個不同的專業(yè)領域。既然兩者專業(yè)不同，為什么找上張文豪？

“他（李連忠）那時離開中研院，我就接手他的研究。”張文豪說，當時李連忠也交給他一批化學氣相沉積（CVD）設備，這讓臺灣交通大學開始有了生產(chǎn)二維材料的能力。

正是生產(chǎn)二維材料的能力，讓李連忠進入臺積電開啟相關研究后，回頭找上張文豪。“二維材料有一個好處，它是平面的、非常平整。”李連忠說，二維材料的特性能避免上下端其他材料干擾、確保電子傳輸效率，這對納米尺度的電晶體性能表現(xiàn)極為重要。

談起二維材料，一般大眾相當陌生，不過，早在2010年就有一個二維材料備受關注，就是獲得該年度諾貝爾物理學獎的石墨烯。石墨烯強度是鋼的兩百倍，卻和橡膠一樣柔韌，導熱、導電效率皆高。

而在李連忠心中，他想做的，則是另外一種與石墨烯特性不同的二維材料，這款材料能作為絕緣層減少電子干擾，同時兼具散熱特性，也就是登上期刊、大放異彩的單晶氮化硼。

所謂單晶，是指材料內原子有規(guī)則地排列，能確保材料接合處不會有漏電問題產(chǎn)生。但要生產(chǎn)單晶氮化硼，這是從未有過的事情，張文豪回憶，在實驗最初所生長的氮化硼，“都不是單晶、方向很散亂。”

過去氮化硼晶體最有名的生產(chǎn)單位，就是日本國立材料研究機構（NIMS），“但他們的晶體只能拿來做實驗，沒辦法用在晶圓上。”張文豪說，即使是NIMS，生產(chǎn)出來的仍是小面積且形狀不規(guī)則的氮化硼，且這些氮化硼也只能用“一片一片撕下來”，是早期氮化硼難以商用的主因。

挖掘關鍵實驗數(shù)據(jù)，找出生產(chǎn)秘訣

“2018年初我們還不是很確定，能不能做出來。”李連忠的回答很務實，但他強調，臺積電技術研究團隊對完成目標的信念堅定不移，“我們有陳則安博士，他非常執(zhí)著。”

臺積電技術研究處技術主任陳則安，正是投稿《自然》期刊文章的第一作者，他當時加入臺積電已有3年時間，他的投入，是計劃能迅速突破的關鍵。

就這樣，研發(fā)團隊在2018年成形。只是一開始的實驗并不順利，陳則安指出，單晶氮化硼在當時是全新概念，“之前沒有人做過。”即使有大量的文獻探討與初期實驗，在2018年上半年仍未有顯著進展。

“實驗進行3個月，陳則安發(fā)現(xiàn)銅（111）面有長出單晶的趨勢。”李連忠指出，當天陳則安的報告，帶給團隊很大的激勵，原因在于過去學界普遍認為，銅上面無法生長出單晶氮化硼，“但我們把所有條件過濾一遍，發(fā)現(xiàn)銅（111）面能做到。”

這個意外的發(fā)現(xiàn)，讓實驗團隊開始把重心放在銅的生產(chǎn)上，希望找出生產(chǎn)大面積單晶銅的方法。“我們那時找了很多不同的銅，有濺鍍的、有熱蒸鍍的、也有電子束蒸鍍的。”回憶當時，李連忠直言是個大工程，從臺大、清大、交大找到歐洲鍍銅廠，只為找出最佳生產(chǎn)參數(shù)。

陳則安描述當時，每天就是“實驗＋討論”的循環(huán)，“早上做完一個實驗，下午李處長就會問現(xiàn)在怎么樣？如果有新進展，要有什麼樣的新應對。”直到2018年底逐漸完成單晶銅生產(chǎn)。而在單晶銅生產(chǎn)無虞后，陳則安提到理論解釋成了另一個難題，“因為實驗結果，與當時文獻上的成長行為，有很大的不同。”

突破瓶頸的關鍵，是臺積電技術研究處技術副理褚志彪，他解釋，“隨著實驗參數(shù)的最佳化，我們了解在較低溫的范圍，氮化硼也能在銅（111）基板上單晶成長。”靠著大量的實驗與討論，終于讓實驗結果有了理論支持。

若說這份研究有什么最引人注意的數(shù)據(jù)，莫過于“電子移動速度”的改善。

一般來說，電子移動速度愈快，代表電晶體性能愈好。李連忠透露，在初期的實驗上，電子移動速度有兩倍以上的提升，“但我們（臺積電）有興趣的是100倍（的速度提升），希望速度愈快愈好。”

研究最大亮點，電子移動速度提升2倍

張文豪進一步解釋， 電子移動速度提升有其難度。電晶體愈做愈小，“電子很難穿過幾納米的通道。”如何通過有效的絕緣材料，確保電子移動中，不受上下層材料的干擾，相當重要。

這是臺積電首次以產(chǎn)學合作登上《自然》期刊的研究，業(yè)界與學術單位都相當關注。李連忠指出，這項技術仍須持續(xù)發(fā)展，“我們目前是生產(chǎn)在兩英寸（直徑的）晶圓上，臺積電要用工程方法，放大到12英寸晶圓上。”

張文豪也提到，要如何將大面積的氮化硼完整取下，也是團隊接下來要費心的地方。“全臺灣，從來沒有過因為產(chǎn)學合作，登上《自然》。”張文豪說得淡然，卻也點出這項研究的可貴。

褚志彪說，“整個研究的過程就像登山，克服了重重的困難，只為在山頭一瞥日出的美景。”雖然市場近年總是不斷唱衰摩爾定律失效，但臺積電對基礎研究的重視，讓臺積電在一次次的技術革新中，延續(xù)摩爾定律前行。

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