從材料領(lǐng)域“將軍”三星！臺積電“3nm”團(tuán)隊(duì)曝光

據(jù)今周刊報(bào)道，今年1月，三星高調(diào)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(lǐng)域關(guān)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(xué)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(shù)，這是臺積電技術(shù)研究處團(tuán)隊(duì)與臺灣交通大學(xué)特聘教授張文豪的重要研發(fā)結(jié)晶，不僅領(lǐng)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(dǎo)體界關(guān)注，主要原因在于，全球科學(xué)家已面臨傳統(tǒng)半導(dǎo)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(jié)化學(xué)、物理、電子三大領(lǐng)域人才研發(fā)出來的結(jié)果，巧妙地成為臺積電在先進(jìn)制程上的優(yōu)勢。

突破半導(dǎo)體材料的物理瓶頸

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

“我比較實(shí)際，不做太理論的東西。”原本在臺灣中研院鉆研材料領(lǐng)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(zhuǎn)變了領(lǐng)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(lǐng)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(dāng)時李連忠也交給他一批化學(xué)氣相沉積（CVD）設(shè)備，這讓臺灣交通大學(xué)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(jìn)入臺積電開啟相關(guān)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(dāng)陌生，不過，早在2010年就有一個二維材料備受關(guān)注，就是獲得該年度諾貝爾物理學(xué)獎的石墨烯。石墨烯強(qiáng)度是鋼的兩百倍，卻和橡膠一樣柔韌，導(dǎo)熱、導(dǎo)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(nèi)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(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)（NIMS），“但他們的晶體只能拿來做實(shí)驗(yàn)，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(guān)鍵實(shí)驗(yàn)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(wù)實(shí)，但他強(qiáng)調(diào)，臺積電技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)對完成目標(biāo)的信念堅(jiān)定不移，“我們有陳則安博士，他非常執(zhí)著。”

臺積電技術(shù)研究處技術(shù)主任陳則安，正是投稿《自然》期刊文章的第一作者，他當(dāng)時加入臺積電已有3年時間，他的投入，是計(jì)劃能迅速突破的關(guān)鍵。

就這樣，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在2018年成形。只是一開始的實(shí)驗(yàn)并不順利，陳則安指出，單晶氮化硼在當(dāng)時是全新概念，“之前沒有人做過。”即使有大量的文獻(xiàn)探討與初期實(shí)驗(yàn)，在2018年上半年仍未有顯著進(jìn)展。

“實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(dāng)天陳則安的報(bào)告，帶給團(tuán)隊(duì)很大的激勵，原因在于過去學(xué)界普遍認(rèn)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(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)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(dāng)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(dāng)時，每天就是“實(shí)驗(yàn)＋討論”的循環(huán)，“早上做完一個實(shí)驗(yàn)，下午李處長就會問現(xiàn)在怎么樣？如果有新進(jìn)展，要有什麼樣的新應(yīng)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?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果，與當(dāng)時文獻(xiàn)上的成長行為，有很大的不同。”

突破瓶頸的關(guān)鍵，是臺積電技術(shù)研究處技術(shù)副理褚志彪，他解釋，“隨著實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)與討論，終于讓實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)，電子移動速度提升2倍

張文豪進(jìn)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(dāng)重要。

這是臺積電首次以產(chǎn)學(xué)合作登上《自然》期刊的研究，業(yè)界與學(xué)術(shù)單位都相當(dāng)關(guān)注。李連忠指出，這項(xiàng)技術(shù)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(tuán)隊(duì)接下來要費(fèi)心的地方。“全臺灣，從來沒有過因?yàn)楫a(chǎn)學(xué)合作，登上《自然》。”張文豪說得淡然，卻也點(diǎn)出這項(xiàng)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(chǔ)研究的重視，讓臺積電在一次次的技術(shù)革新中，延續(xù)摩爾定律前行。

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