半导体制程微缩已近尾声，尽管研究人员运用超薄SOI、high-k闸极电介质、双闸CMOS、三维FinFET等各种技术，一般认为硅晶CMOS将于2020年微缩至10至7奈米，便真正面临极限。

那么，2020年后的半导体产业将会是甚么样貌？除了盖18吋超大晶圆厂、发展3D IC技术外，还有甚么样的可能性？

图一 : 我们将能透过新材料来延续硅晶技术的未来，让这项进入人类文明不过40多年的技术像过去的石器与铜器时代一样，能够源远流长。

耶鲁大学电机工程教授及中央研究院院士马佐平博士(T. P. Ma)日前在台湾举行的Sematech年会上，介绍了研究人员试图以碳奈米管(CNT)、石墨烯、III-V族等新材料，做为延续硅晶CMOS未来发展的可行性。而选用这三种材料，主要是因为考虑它们具备更高的迁移率(mobility)特性。

回到基本面，影响CMOS晶体管速度的参数包括信道宽度、长度、电介质、氧化物厚度，以及材料迁移率(mobility)等。近年来，研究人员已透过制程微缩以及导入high-k金属闸等各种创新晶体管架构技术，让摩尔定律能持续进展，并不断提升每个制程节点的效能。

因此，当硅晶微缩达到极限时，若要继续提升晶体管效能，只能求诸新材料，期望以更佳的迁移率，来延续硅晶的未来发展。其中，碳奈米管和石墨烯是近来非常热门的研究题材，2010年的诺贝尔物理奖便是由英国科学将因为找到从石墨中分离出石墨烯的方法而获得。

图二 : IBM研究员观察不同的碳奈米管解决方案（图片来源：IBM）

硅晶的三种替代材料

在这三种新材料中，马佐平博士比较看好III-V族未来扮演的角色，主要是由于，碳奈米管和石墨烯都不易在硅晶圆上生成，而且很难精确控制碳奈米管在晶圆上的放置位置，同时，它们与现有硅晶制程的整合度不高，无法发挥现有硅晶制造基础建设的效益，不容易发展为主流技术。

至于III-V族材料，由于迁移率较佳，它在通讯芯片上的应用已经非常广泛。不过，要开发高迁移率的III-V族MOSFET，仍需找出适当的闸电介质材料，并克服在硅晶上生成III-V材料的问题。此外，III-V材料虽然虽具备较高的电子迁移率，但它的电洞迁移率却较硅晶还低。因此，马佐平提出了单极CMOS架构的概念，全部采用N信道，或许是可行的解决方案。

他强调，有挑战才有机会，就像他的演讲主题「超越硅晶技术的机会与挑战」一样，他说，「我不认为产业会进入后硅晶(post-silicon)时代，而应该是超越硅晶(beyond-silicon)的时代，因为我们将能透过新材料来延续硅晶技术的未来，让这项进入人类文明不过40多年的技术像过去的石器与铜器时代一样，能够源远流长。」

碳奈米管技术 IBM有重大突破

虽然马佐平提到碳奈米管在硅晶上生成以及与硅晶制程整合的难度高，不过投入相关研究领域多年的IBM于10月底发布消息指出，已在这方面取得了重大的进展。

碳奈米管是将单层碳原子卷成管状而成，能形成与现今硅晶晶体管相似的晶体管组件核心，而且尺寸更小，速度更快。不过，碳奈米管通常结合了金属和半导体材料的特性。若要将其作为晶体管之用，必须完全移除金属特质，才不至于发生电路错误。

此外，若要提供足够的运算能力，也必须具备高密度整合的能力。因此，如何制作超高纯度的碳奈米管，并能在基板上正确控制碳奈米管的位置和对准，是要迈向商业应用必须克服的挑战。

今年初，IBM科学家先是展示了将碳奈米管晶体管做为开关操作的可能性，它的尺寸只有不到10奈米。同时，透过电子电路模型分析亦发现，与硅晶电路相比，效能可提高5到10倍。

图三 : 碳奈米管晶体管架构示意图（图片来源：IBM）

尽管已投入多年研究，但IBM表示，一直以来科学家最多只能在晶圆上放置数百个碳奈米管，这样的密度是无法因应真正的商业化需求。因此，许多研究看来就只像是实验室中的新奇玩意，离实际应用还有一大段距离。

而这次IBM科学家宣称，能够以传统晶圆制造基础架构来制造碳奈米管晶体管，并能够将它以奈米级尺寸的精确度放置在晶圆上。

IBM研究人员提出的方法是，根据离子交换化学技术开发了一种创新方式，能以高密度在基板上精准的放置个别碳奈米管，密度可达到每平方公分约10亿个。

研究人员先是将碳奈米管与一种表面活性剂混合。基板则是包含两种氧化物，一个是由二氧化铪制作的沟槽，其于部分则都是二氧化硅。将基板浸入碳奈米管溶液后，碳奈米管会透过化学键附着在二氧化铪的沟槽区域中，而其余的材料表面则维持不变。用这样的方式，就能精确在晶圆上生成碳奈米管。

透过结合化学、制程和工程技术，IBM研究人员成功开发出能够在单一芯片上制造出超过一万个的碳奈米管晶体管的突破性技术。此外，由于此制程能与现有的标准制程兼容，因此快速进行数千个组件的测试也是可行的。

IBM表示，这项结合化学和现有半导体制造的新技术已经实际建置，证实它的可行性，因此业界有机会进行更大规模的碳奈米管研究，并做为未来碳电子组件技术发展的基础。这样的新进展让硅晶技术的未来又有了新的发展契机，让我们能对「超越硅晶」世代拥有更多的想象空间。（作者为CTIMES特约主笔）