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。