从材料领域“将军”三星！台积电“3nm”团队解密

据今周刊报道，今年1月，三星高调宣布已成功开发3nm制程，就在三星叫阵的同时，台积电反将一军，直接从材料领域关键环节大步超前。

《自然》杂志3月刊登了一篇由台积电与台湾交通大学成员合作发表的文章，公布了“晶圆级单层单晶氮化硼”生产技术，这是台积电技术研究处团队与台湾交通大学特聘教授张文豪的重要研发结晶，不仅领先全球，更能有效提升3nm以下芯片性能。

这一篇期刊文章刊出后，广受半导体界关注，主要原因在于，全球科学家已面临传统半导体材料的物理瓶颈，突破瓶颈的方法之一，就是利用二维材料解决电子传输干扰问题，这个集结化学、物理、电子三大领域人才研发出来的结果，巧妙地成为台积电在先进制程上的优势。

突破半导体材料的物理瓶颈

研究的起点，在于2017年底现任台积电技术研究处处长的李连忠离开学界，加入台积电主持技术研究部门的那一刻。

“我比较实际，不做太理论的东西。”原本在台湾中研院钻研材料领域的李连忠，加入台积电后，便着手研究新材料。第一步，就是找上有多年交情的张文豪，“他（张文豪）本来是做物理的，他说我让他转变了领域。”

过去，张文豪专注研究光谱分析材料中的电子行为，与李连忠所热衷的新材料研发，是两个不同的专业领域。既然两者专业不同，为什么找上张文豪？

“他（李连忠）那时离开中研院，我就接手他的研究。”张文豪说，当时李连忠也交给他一批化学气相沉积（CVD）设备，这让台湾交通大学开始有了生产二维材料的能力。

正是生产二维材料的能力，让李连忠进入台积电开启相关研究后，回头找上张文豪。“二维材料有一个好处，它是平面的、非常平整。”李连忠说，二维材料的特性能避免上下端其他材料干扰、确保电子传输效率，这对纳米尺度的电晶体性能表现极为重要。

谈起二维材料，一般大众相当陌生，不过，早在2010年就有一个二维材料备受关注，就是获得该年度诺贝尔物理学奖的石墨烯。石墨烯强度是钢的两百倍，却和橡胶一样柔韧，导热、导电效率皆高。

而在李连忠心中，他想做的，则是另外一种与石墨烯特性不同的二维材料，这款材料能作为绝缘层减少电子干扰，同时兼具散热特性，也就是登上期刊、大放异彩的单晶氮化硼。

所谓单晶，是指材料内原子有规则地排列，能确保材料接合处不会有漏电问题产生。但要生产单晶氮化硼，这是从未有过的事情，张文豪回忆，在实验最初所生长的氮化硼，“都不是单晶、方向很散乱。”

过去氮化硼晶体最有名的生产单位，就是日本国立材料研究机构（NIMS），“但他们的晶体只能拿来做实验，没办法用在晶圆上。”张文豪说，即使是NIMS，生产出来的仍是小面积且形状不规则的氮化硼，且这些氮化硼也只能用“一片一片撕下来”，是早期氮化硼难以商用的主因。

挖掘关键实验数据，找出生产秘诀

“2018年初我们还不是很确定，能不能做出来。”李连忠的回答很务实，但他强调，台积电技术研究团队对完成目标的信念坚定不移，“我们有陈则安博士，他非常执着。”

台积电技术研究处技术主任陈则安，正是投稿《自然》期刊文章的第一作者，他当时加入台积电已有3年时间，他的投入，是计划能迅速突破的关键。

就这样，研发团队在2018年成形。只是一开始的实验并不顺利，陈则安指出，单晶氮化硼在当时是全新概念，“之前没有人做过。”即使有大量的文献探讨与初期实验，在2018年上半年仍未有显著进展。

“实验进行3个月，陈则安发现铜（111）面有长出单晶的趋势。”李连忠指出，当天陈则安的报告，带给团队很大的激励，原因在于过去学界普遍认为，铜上面无法生长出单晶氮化硼，“但我们把所有条件过滤一遍，发现铜（111）面能做到。”

这个意外的发现，让实验团队开始把重心放在铜的生产上，希望找出生产大面积单晶铜的方法。“我们那时找了很多不同的铜，有溅镀的、有热蒸镀的、也有电子束蒸镀的。”回忆当时，李连忠直言是个大工程，从台大、清大、交大找到欧洲镀铜厂，只为找出最佳生产参数。

陈则安描述当时，每天就是“实验＋讨论”的循环，“早上做完一个实验，下午李处长就会问现在怎么样？如果有新进展，要有什麽样的新应对。”直到2018年底逐渐完成单晶铜生产。而在单晶铜生产无虞后，陈则安提到理论解释成了另一个难题，“因为实验结果，与当时文献上的成长行为，有很大的不同。”

突破瓶颈的关键，是台积电技术研究处技术副理褚志彪，他解释，“随着实验参数的最佳化，我们了解在较低温的范围，氮化硼也能在铜（111）基板上单晶成长。”靠着大量的实验与讨论，终于让实验结果有了理论支持。

若说这份研究有什么最引人注意的数据，莫过于“电子移动速度”的改善。

一般来说，电子移动速度愈快，代表电晶体性能愈好。李连忠透露，在初期的实验上，电子移动速度有两倍以上的提升，“但我们（台积电）有兴趣的是100倍（的速度提升），希望速度愈快愈好。”

研究最大亮点，电子移动速度提升2倍

张文豪进一步解释， 电子移动速度提升有其难度。电晶体愈做愈小，“电子很难穿过几纳米的通道。”如何通过有效的绝缘材料，确保电子移动中，不受上下层材料的干扰，相当重要。

这是台积电首次以产学合作登上《自然》期刊的研究，业界与学术单位都相当关注。李连忠指出，这项技术仍须持续发展，“我们目前是生产在两英寸（直径的）晶圆上，台积电要用工程方法，放大到12英寸晶圆上。”

张文豪也提到，要如何将大面积的氮化硼完整取下，也是团队接下来要费心的地方。“全台湾，从来没有过因为产学合作，登上《自然》。”张文豪说得淡然，却也点出这项研究的可贵。

褚志彪说，“整个研究的过程就像登山，克服了重重的困难，只为在山头一瞥日出的美景。”虽然市场近年总是不断唱衰摩尔定律失效，但台积电对基础研究的重视，让台积电在一次次的技术革新中，延续摩尔定律前行。