半導體材料掀革命 10nm製程改用鍺/III-V元素

2021-01-26

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半導體材料即將改朝換代。

晶圓磊晶層普遍採用的矽材料，在邁入10奈米技術節點後，將面臨物理極限，使製程微縮效益降低，因此半導體大廠已相繼投入研發更穩定、高效率的替代材料。

其中，鍺和三五族元素可有效改善電晶體通道的電子遷移率，提升晶片效能與省電效益，已被視為產業明日之星。

應用材料半導體事業群Epitaxy KPU全球產品經理Saurabh Chopra提到，除了製程演進以外，材料技術更迭也是影響半導體科技持續突破的關鍵。

應用材料半導體事業群Epitaxy KPU全球產品經理Saurabh Chopra表示，半導體產業界多年前開始即已積極替代材料研發已進行多年，包括英特爾、台積電、三星和格羅方德均在奮力微縮製程之際，同步展開新磊晶層材料測試，以改良電晶體通道設計，更進一步達到晶片省電、高效能目的。

事實上，大多晶圓代工廠邁入65奈米製程後，就開始在正型或負型半導體磊晶層中的電晶體源極、汲極兩端添加矽鍺化合物，以矽鍺的低能隙寬特性降低電阻，並借重體積較大的鍺擴張或擠壓電晶體通道，進而強化電洞遷移率和電子遷移率。

如此一來，電晶體即可在更低電壓下快速驅動，並減少漏電流。

Chopra認為，下一階段的半導體材料技術演進，鍺將直接取代矽在磊晶層上的地位，成為新世代P型半導體中的電晶體通道材料；至於N型半導體則將導入砷化鎵、砷化銦和銻化銦等三五族元素。

不過，相關業者投入製程技術、設備轉換需一定時間及成本，且對新材料特性掌握度還不到位，預計要到10奈米或7奈米以下製程，才會擴大導入鍺、三五族元素等非矽方案。

據悉，緊跟摩爾定律腳步的英特爾，將在今年底展開14奈米製程試產，並可望率先揭露劃時代的電晶體通道材料更新技術，屆時將觸動半導體產業邁向另一波革命。

Chopra分析，當半導體製程推進至28、20奈米後，電晶體密度雖持續向上提升，但受限於矽本身物理特性，晶片效能和電源效率的提升比例已一代不如一代；此時，直接替換電晶體通道材料將是較有效率的方式之一，有助讓製程微縮的效果加乘。

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