二維材料在次奈米電晶體的應用

在科技部所楬櫫的《A世代前瞻半導體技術專案計畫》，其宗旨在於為下一個世代半導體產業所需的相關技術，由學術界領軍做超前部署。下一個世代的半導體技術勢必將進入了次奈米等級(Angstrom；埃)，也就是原子的尺度。此專案計畫其中一個重點，就是開發二維材料為導電通道層(channel)的電晶體。

二維材料，亦可稱為奈米薄片，在自從石墨烯(graphene)以人為的方法製作出來後，因其有絕佳的導電及導熱特性，深受產業應用的關注。電子在二維材料中運動，因為少了另一維度運動所造成的碰撞，因此在電場的作用下，可以有較快的移動速度，而提高導電率。但是石墨烯本身屬於類金屬，缺乏半導體所需的能隙(bandgap)，因此無法使用在電晶體的結構上。

然而材料界的專家並不放棄，在十多年前就開始研究所謂的二硫過渡金屬化合物等(TMD，如MoS2、WS2)二維材料，TMD在材料特性上具有能隙，因此可應用在電晶體的製作，當然也有實際電晶體元件的展示。但是我們不禁要問，這些學術界所預計要開發的TMD二維導通層電晶體的計畫，是否就有可能為產業界於下一世代次奈米元件所使用？

矽基(Si)電晶體元件，為半導體IC產業的核心，現今最先進的IC都內含了百億顆的電晶體。換言之，任何一個新進電晶體的創新發展，必須要能夠通過百億顆電晶體集成度的挑戰，這包括了良率及可靠度等，也就是現實的世界裡須面對一個超高難度的進入障礙，否則就沒有太大的意義，因為無法解決產業所面臨的問題。

一個電晶體是由三個基本元素所組成，包括材料、製程及元件結構。一顆IC需經歷過成千上萬道製程的洗禮，因此製程的調整及精進是隨時在發生的。元件結構也會因解決特性上的問題，而做必要的創新。比如說在15奈米線寬以下，絕緣層原先在通道層的上方，改為到通道層的上下兩側，到最後變為通道層被絕緣層所全部包覆(GAA)。材料的改變及創新是最困難的，尤其在電晶體最為關鍵的通道層上，因為這牽一髮而動全身，而此TMD二維材料正是要做此一改變。

綜觀這二十年來在電晶體的核心，所發生在材料上的改變只有兩次。一次是進入45奈米線寬時引進了矽鍺材料(SiGe)，另一次是在28奈米時引進高介電常數(high-K)絕緣層取代二氧化矽。矽鍺材料是為了在通道層附近產生應力，導致通道內的矽材料重合的電洞能帶予以分裂，使得電洞移動速度得以增加。高介電常數絕緣層的導入，是為了解決絕緣層太薄時所產生的漏電問題。而這兩個材料上的改變。都沒有動到導通層的矽材料。

英特爾(Intel)在十多年前，動用了非常多的資源，準備將N型通道的材料改為InGaAs，而將P型通道改為鍺(Ge)材料，以改善電子及電洞的導電率。這在學理上雖然是最佳的選擇，但在實作上仍是無法解決晶體的缺陷及可靠度問題，而功虧一簣。個人不能斷言TMD二維材料無法提供次奈米世代電晶體的解決方案，但是綜觀歷史的演進及客觀的事實，這個機會是非常渺茫。

我們非常肯定政府持續推動半導體領域的研發，協助產業界面臨下一階段的挑戰。然而產業已經進步到如此的規模，下一個世代的開發必須要慎選研發的題目，因為要走的路一定是又專又精。個人的淺見認為，既然全包覆式電晶體已是一個趨勢，未來要更進一步延續摩爾定律，3D堆疊電晶體是最順水推舟的事了。君不見快閃式記憶體(Flash)，已經堆疊到兩百層了。此外政府亦可投入資源在矽基半導體其他領域的發展，如3DIC、微機電、矽光子、感測器，甚至於化合物半導體，這些的投入都可以讓我們的護國群山持續地壯大。