當半導體先進製程持續發展，晶片的尺寸也逐漸縮小，每次製程的演進都有許多技術需要突破，晶圓代工龍頭台積電也無可避免要投入大量研發能力來「超前部署」、解決可能在5奈米、3奈米出現的技術瓶頸。
台積電技術發展組織李連忠處長表示，除依賴公司內部研發團隊外，與學術界攜手、善用學術界的研究能量突破技術瓶頸也是一種方法，因此近期台積電在科技部「尖端晶體材料開發及製作計劃」的支持下，與交大的研究團隊合作，共同進行單原子層氮化硼的合成技術研究，成功開發出大面積晶圓尺寸的單晶氮化硼，未來將有機會應用在先進的邏輯製程技術上。台積電更是首次與產業合作的研究成果，被刊登於國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）。
步入三奈米製程，「氮化硼」成絕緣體材料新解
氮化硼（BN）並非全新材料，之所以重要是因為其具備良好的散熱效果，更是絕佳的絕緣體材料選擇。先進製程中會需要絕緣體的存在，通常是要協助電子能順利通過晶片裡的通道，
當製程持續往下走、通道勢必越來越小，若沒能靠更好的絕緣體排除掉可能依附的電荷所造成的阻礙，晶片的效能表現將會大打折扣。
先進製程步入3奈米以後，李連忠表示過去7奈米、5奈米時所採用的絕緣體材料如氧化物等將不再適用，原因出在過去的氧化物絕緣體都是三維絕緣體，它們像是一個3D的概念、容易有其他鍵結讓晶片中的電荷依附，造成電流不易通過。
三奈米以後的製程偏向二維半導體，類似一個非常薄的架構、趨近於平面，因此李連忠提到這樣的情況需要採用的是同為二維絕緣體的材料，氮化硼正是一個好的解決方式。
即便半導體業界都知道要採用「氮化硼」作為未來先進製程可能的絕緣體材料，不過技術上依舊無法突破，這也是為什麼這次台積電與交大攜手研究的成果能刊登上《自然》期刊的主因。
不只找出絕緣體材料，如何大量生產才是關鍵
李連忠說到，過去氮化硼的生長只能長成一個不規則的晶體，若要將氮化硼真正應用到晶圓片上，就只能將不規則晶體的氮化硼撕下來貼在晶圓片上，不但效率不彰，大小不一的氮化硼也很難滿足半導體製程所需，因此若能直接在晶圓上直接生長，將能有效解決問題，只是該如何在晶圓上合成高品質單晶的單原子層氮化硼？
李連忠說過去已知的就是利用銅這個材料，但是不同晶面的銅都會影響後續的表現跟價格。
就以銅（111）來說，是作為合成絕佳選擇，因為它容易取得且穩定，對於未來可能要步入商業化的量產來說，是比較恰當的研究選擇。
成功突破過去技術瓶頸的關鍵，李連忠表示是研究團隊發現銅（111）的表面並不是完全平面、而是有類似像階梯的模樣，因此將氮化硼分子依附在這些階梯的邊緣處，並將這個類似階梯表面的銅（111）先規劃好後，氮化硼就能在高溫高壓的處理下於晶圓上被合成、進而達成大面積晶圓尺寸的單晶氮化硼。
參與此次研究的交大教授張文豪表示，目前實驗室裡面是採用2吋晶圓片的大小做實驗，未來要複製到其他尺寸的晶圓片應該也不是問題。對於正積極佈局3奈米研發的台積電來說，此發現無疑是對接下來3奈米可能遇到的瓶頸找到出口。
半導體材料有新變化？矽可能走到盡頭
面對材料在半導體業界的重要性逐步提升，李連忠也透露矽在半導體已經有好幾十年的應用，若要用全新的材料來取代矽其實也是一大工程，因為周邊技術都需要改變、也需要花時間去應證新材料是否真的能有預期中的表現。目前業界以及相關的會議如IEDM等都對於矽材料有走到盡頭的預測，因此尋找新材料刻不容緩。
台積電透露，目前內部有將近1/10的人力、約6000-7000人投入研發工作。受到疫情影響，每年3月展開的校園徵才預計將視疫情的狀況延後舉辦，屆時將會再募集一批生力軍。
責任編輯：陳映璇