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三星叫陣!台積如何反將一軍?關鍵材料團隊曝光

2020-04-08
作者: 譚偉晟

▲台積電技術研究處處長李連忠。(圖/今周刊)

除了極紫外光(EUV)微影、3D封裝,台積電還有哪些延續「摩爾定律」的絕招?看一個登上《自然》的材料研發成果,如何替台積電取得三奈米以下製程的發展優勢。

今年1月,三星高調宣布已成功開發三奈米晶片製程,就在三星叫陣的同時,台積電反將一軍,直接從材料領域關鍵環節大步超前。

頂尖學術期刊《自然》(Nature)3月刊物,一篇由台積電與交通大學成員合作發表的文章,揭露「晶圓級單層單晶氮化硼」生產技術,這是台積電技術研究處團隊與交通大學特聘教授張文豪的重要研發結晶,不僅領先全球,更能有效提升三奈米以下晶片效能。

這一篇期刊文章刊出後,廣受半導體界關注,主要原因在於,全球科學家已面臨傳統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出來的結果,巧妙地成為台積電在先進製程上的優勢。

登上《自然》期刊受矚 突破半導體材料的物理瓶頸

台積電技術研究處處長李連忠說,這項研究計畫是要解決製程微縮後出現的電子干擾難題,能有幸刊登在《自然》上,靠的是團隊實驗精神,找出過去未曾發現的新理論。

研究的起點,在於2017年底李連忠離開學界,加入台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。」原本在中研院鑽研材料領域的李連忠,加入台積電後,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,與李連忠所熱中的新材料研發,是兩個不同的專業領域。既然兩者專業不同,為什麼找上張文豪?

「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,這讓交通大學開始有了生產二維材料的能力。

正是生產二維材料的能力,讓李連忠進入台積電開啟相關研究後,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,這對奈米尺度的電晶體效能表現極為重要。

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則地排列,能確保材料接合處不會有漏電問題產生。但要生產單晶氮化硼,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,生產出來的仍是小面積且形狀不規則的氮化硼,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。

挖掘關鍵實驗數據 攜手交大 找出生產祕訣

「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,台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,他非常執著。」

台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,他當時加入台積電已有3年時間,他的投入,是計畫能迅速突破的關鍵。

就這樣,研發團隊在2018年成形。只是一開始的實驗並不順利,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,陳則安發現銅(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,原因在於過去學界普遍認為,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,發現銅(111)面能做到。」

這個意外的發現,讓實驗團隊開始把重心放在銅的生產上,希望找出生產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,從台大、清大、交大找到歐洲鍍銅廠,只為找出最佳生產參數。

陳則安描述當時,每天就是「實驗+討論」的迴圈,「早上做完一個實驗,下午李處長就會問現在怎麼樣?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。而在單晶銅生產無虞後,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,是台積電技術研究處技術副理褚志彪,他解釋,「隨著實驗參數的最佳化,我們了解在較低溫的範圍,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,終於讓實驗結果有了理論支持。

若說這份研究有什麼最引人注意的數據,莫過於「電子移動速度」的改善。

一般來說,電子移動速度愈快,代表電晶體效能愈好。李連忠透露,在初期的裝置實驗上,電子移動速度有兩倍以上的提升,「但我們(台積電)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,「電子很難穿過幾奈米的通道。」如何透過有效的絕緣材料,確保電子移動中,不受上下層材料的干擾,相當重要。

這是台積電首次以產學合作登上《自然》期刊的研究,業界與學術單位都相當關注。李連忠指出,這項技術仍須持續發展,「我們目前是生產在兩吋(直徑的)晶圓上,台積電要用工程方法,放大到12吋晶圓上。」

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。「全台灣,從來沒有過因為產學合作,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,但台積電對基礎研究的重視,讓台積電在一次次的技術革新中,延續摩爾定律前行。…(更多內容,請參閱最新一期《今周刊》第1216期)

李連忠

出生:1972年

現職:台積電技術研究處處長

經歷:沙烏地阿拉伯阿布杜拉國王大學教授、中研院原子與分子科學研究所研究員

學歷:英國牛津大學凝態物理博士、台大化學系碩士

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