奈米通訊NANO COMMUNICATION 22卷 No. 4
超越5奈米世代創新電晶體技術發表
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在全世界半導體界最重要的「國際電子元件會議」
(IEDM)中,國家奈米元件實驗室今年共有 6篇論文獲選
發表,次於台積電的 7篇,優於英特爾的 5篇和三星的
4篇。其中,「奈米級菱形鍺高速通道技術」、「原子級二
硫化鉬二維通道技術」等兩項研究成果,可在矽半導體
微縮發展遭遇物理極限後,持續減少 IC中電流傳輸所需
時間及能量損耗,以達到快速運算且節能的效果,對未
來實現更前瞻的消費性電子產品或物聯網等技術提供重
要貢獻。本實驗室於 2015年 12月 22日,假台北市科技
大樓科政中心會議室舉行「次 5奈米世代電晶體技術」
記者發表會 (圖 1),介紹這兩項重要研究成果。
一切從摩爾定律開始
根據半導體界知名的摩爾定律,積體電路 (IC)上可
容納的電晶體數目,每 18~24個月會增加一倍,亦即電
晶體會不斷縮小,電晶體中的電流通道寬度也必須持續
變窄。目前全世界最先進的 IC量產技術,是生產電流通
道寬度僅 14奈米的 IC(即我們常聽到的 14奈米製程 ),
而在實驗室中,則已經在研究電流通道寬度僅 5奈米的
IC。然而這已逼近矽材料的物理極限 (1奈米大約是 2~3
個原子直徑 ),終將導致摩爾定律無法延續。
縮小電晶體的目的,在於讓電流的行進通道縮短,
減少電流傳輸所需時間,也減少電流傳輸過程中消耗的
能量,達到快速運算且節能的效果。因此,在電流通道
寬度難以持續縮減的情況下,科學家期望藉由其他方法
來達到相同效果,例如運用不同的材料取代傳統矽製
程,或是與傳統矽製程進行異質整合,讓電流的行進通
道因為材料的改變而使電子跑得更快。
此外,也可將目前最先進的鰭式場效電晶體
(FinField-effect transistor, FinFET,以下簡稱鰭式電晶體)
,再做不同的結構變化,在相同的空間中創造出較多的
電流通道,或是加強對電流的控制,減少漏電流,達到
提升元件效能的目的。上述有別於過去傳統以矽基層為
超越5奈米世代創新電晶體技術發表
圖 1 本次記者會現場受訪情況 (由左至右分別為國家奈米元件實驗室葉文冠主任、陳旻政博士及現場參與的記者朋友們 )。
活動報導
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主的元件結構趨勢,我們稱之為「後矽時代」的來臨。
國研院奈米元件實驗室即是在半導體材料及結構上有重
要突破,而能在全球半導體大廠及學研機構展示自身前
瞻技術的最佳舞台-IEDM中發表相關成果。
奈米級菱形鍺高速通道技術
鍺 (Ge)材料與現有矽 (Si)材料性質相近,但鍺不但
擁有更快的電子傳輸性,更可藉由不同的晶體面向,進
一步提升傳輸速度,因此被科學家視為後矽時代最有可
能第一個被選擇來量產的材料。
本實驗室以精準的奈米級蝕刻技術,雕刻出新穎的
菱形通道結構,在大小僅數十奈米的鍺通道內,雕刻出
「奈米級菱形鍺通道結構」,將鰭式電晶體三個面向的電
流通道 (電流會沿著電流通道的邊緣移動,鰭式電晶體
的閘極與電流通道共有三個接觸面,等於有三個電流通
道 ),拓展為最多四個高速傳輸面向 (圖 2左 ),並於製
程中去除掉通道介面的缺陷,降低元件操作時可能產生
的電能量損耗,可使電流傳輸速度提高一倍,大幅提升
電晶體特性。
圖 2 左圖奈米級菱形鍺高速通道剖面示意圖 ; 右圖乃是原子級二硫化鉬二為通道技術剖面示意圖。
原子級二硫化鉬二維通道技術
二硫化鉬是近年廣受關注的新穎材料,學術界及
產業界皆爭相投入相關研究,將其製作成極薄的二維材
料,與傳統矽材料進行異質整合。然而現有研究皆只能
將二維二硫化鉬與傳統的平面式電晶體整合,國研院奈
米元件實驗室創世界之先,將厚度僅 4奈米 (6層二硫化
鉬分子 )的二維二硫化鉬與現今業界主流的鰭式電晶體
結構整合,開發出全球第一顆二維二硫化鉬通道之鰭式
電晶體元件 (圖 2右 ),搭配特殊之背閘極設計,以「雙
閘極」減少漏電流情形,可使用電量減少一半。
此元件係使用業界行之有年之氣相沉積法製作,可
完全整合於現有半導體製程,為 10到 15年後的元件電
路設計,提供一條可行的參考方案,故格外受到全球科
學家矚目。
位居全球領先群 奠定前瞻元件研發
基礎
在 2015年底舉行的 IEDM中,國家奈米元件實驗室
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的 6篇論文,與比利時 IMEC(20篇 )、美國 IBM(10篇 )、
台積電 (7篇 ),以及美國 Intel(5篇 )等單位,同列本年
度的發表數領先團隊。本實驗室領先全球的研究突破,
可望為國內產學研界在後矽時代前瞻元件研發服務平台
奠定重要基礎,並藉由技術持續精進,為國內培育碩博
士級高階技術人力,投入智慧科技、綠能生活、智能生
產等相關半導體產業研究領域,維繫台灣半導體產業的
競爭力。
本實驗室專注於前瞻半導體元件的研發,為國內產
學研界建立可與國際接軌的開放式研究服務平台,多年
來透過服務型研發的帶動,將取得國際認同的一流研發
成果,轉為製程技術研發服務平台,協助將學界的研究
成果推進至可商品化或可做小型量產驗證的階段;並藉
由跨微電子、物理、化學、光電、微機電、機械等非傳
統電子電機領域實作學習平台的建立,以實作方式補足
跨學系理論授課上的不足,訓練碩博士級高階技術人力
進入職場能快速應用所學,降低跨領域技術溝通整合上
的障礙,以及減少產業內部訓練的時間。奈米元件實驗
室成立至今 20餘年,所培育之碩博士級人力多已成為目
前業界重要的高階經理人,這亦是該實驗室對國內半導
體產業最大的貢獻。