半導體製程微縮已近尾聲，儘管研究人員運用超薄SOI、high-k閘極電介質、雙閘CMOS、三維FinFET等各種技術，一般認為矽晶CMOS將於2020年微縮至10至7奈米，便真正面臨極限。

那麼，2020年後的半導體產業將會是甚麼樣貌？除了蓋18吋超大晶圓廠、發展3D IC技術外，還有甚麼樣的可能性？

圖一 : 我們將能透過新材料來延續矽晶技術的未來，讓這項進入人類文明不過40多年的技術像過去的石器與銅器時代一樣，能夠源遠流長。

耶魯大學電機工程教授及中央研究院院士馬佐平博士(T. P. Ma)日前在台灣舉行的Sematech年會上，介紹了研究人員試圖以碳奈米管(CNT)、石墨烯、III-V族等新材料，做為延續矽晶CMOS未來發展的可行性。而選用這三種材料，主要是因為考量它們具備更高的遷移率(mobility)特性。

回到基本面，影響CMOS電晶體速度的參數包括通道寬度、長度、電介質、氧化物厚度，以及材料遷移率(mobility)等。近年來，研究人員已透過製程微縮以及導入high-k金屬閘等各種創新電晶體架構技術，讓摩爾定律能持續進展，並不斷提升每個製程節點的效能。

因此，當矽晶微縮達到極限時，若要繼續提升電晶體效能，只能求諸新材料，期望以更佳的遷移率，來延續矽晶的未來發展。其中，碳奈米管和石墨烯是近來非常熱門的研究題材，2010年的諾貝爾物理獎便是由英國科學將因為找到從石墨中分離出石墨烯的方法而獲得。

圖二 : IBM研究員觀察不同的碳奈米管解決方案（圖片來源：IBM）

矽晶的三種替代材料

在這三種新材料中，馬佐平博士比較看好III-V族未來扮演的角色，主要是由於，碳奈米管和石墨烯都不易在矽晶圓上生成，而且很難精確控制碳奈米管在晶圓上的放置位置，同時，它們與現有矽晶製程的整合度不高，無法發揮現有矽晶製造基礎建設的效益，不容易發展為主流技術。

至於III-V族材料，由於遷移率較佳，它在通訊晶片上的應用已經非常廣泛。不過，要開發高遷移率的III-V族MOSFET，仍需找出適當的閘電介質材料，並克服在矽晶上生成III-V材料的問題。此外，III-V材料雖然雖具備較高的電子遷移率，但它的電洞遷移率卻較矽晶還低。因此，馬佐平提出了單極CMOS架構的概念，全部採用N通道，或許是可行的解決方案。

他強調，有挑戰才有機會，就像他的演講主題「超越矽晶技術的機會與挑戰」一樣，他說，「我不認為產業會進入後矽晶(post-silicon)時代，而應該是超越矽晶(beyond-silicon)的時代，因為我們將能透過新材料來延續矽晶技術的未來，讓這項進入人類文明不過40多年的技術像過去的石器與銅器時代一樣，能夠源遠流長。」

碳奈米管技術 IBM有重大突破

雖然馬佐平提到碳奈米管在矽晶上生成以及與矽晶製程整合的難度高，不過投入相關研究領域多年的IBM於10月底發佈消息指出，已在這方面取得了重大的進展。

碳奈米管是將單層碳原子捲成管狀而成，能形成與現今矽晶電晶體相似的電晶體元件核心，而且尺寸更小，速度更快。不過，碳奈米管通常結合了金屬和半導體材料的特性。若要將其作為電晶體之用，必須完全移除金屬特質，才不至於發生電路錯誤。

此外，若要提供足夠的運算能力，也必須具備高密度整合的能力。因此，如何製作超高純度的碳奈米管，並能在基板上正確控制碳奈米管的位置和對準，是要邁向商業應用必須克服的挑戰。

今年初，IBM科學家先是展示了將碳奈米管電晶體做為開關操作的可能性，它的尺寸只有不到10奈米。同時，透過電子電路模型分析亦發現，與矽晶電路相比，效能可提高5到10倍。

圖三 : 碳奈米管電晶體架構示意圖（圖片來源：IBM）

儘管已投入多年研究，但IBM表示，一直以來科學家最多只能在晶圓上放置數百個碳奈米管，這樣的密度是無法因應真正的商業化需求。因此，許多研究看來就只像是實驗室中的新奇玩意，離實際應用還有一大段距離。

而這次IBM科學家宣稱，能夠以傳統晶圓製造基礎架構來製造碳奈米管電晶體，並能夠將它以奈米級尺寸的精確度放置在晶圓上。

IBM研究人員提出的方法是，根據離子交換化學技術開發了一種創新方式，能以高密度在基板上精準的放置個別碳奈米管，密度可達到每平方公分約10億個。

研究人員先是將碳奈米管與一種表面活性劑混合。基板則是包含兩種氧化物，一個是由二氧化鉿製作的溝槽，其於部分則都是二氧化矽。將基板浸入碳奈米管溶液後，碳奈米管會透過化學鍵附著在二氧化鉿的溝槽區域中，而其餘的材料表面則維持不變。用這樣的方式，就能精確在晶圓上生成碳奈米管。

透過結合化學、製程和工程技術，IBM研究人員成功開發出能夠在單一晶片上製造出超過一萬個的碳奈米管電晶體的突破性技術。此外，由於此製程能與現有的標準製程相容，因此快速進行數千個元件的測試也是可行的。

IBM表示，這項結合化學和現有半導體製造的新技術已經實際建置，證實它的可行性，因此業界有機會進行更大規模的碳奈米管研究，並做為未來碳電子元件技術發展的基礎。這樣的新進展讓矽晶技術的未來又有了新的發展契機，讓我們能對「超越矽晶」世代擁有更多的想像空間。（作者為CTIMES特約主筆）