國研院兩項次5奈米世代前瞻元件技術國際矚目

新網記者麻念台台北特稿
2015/12/22 下午 09:18:12 / 科技新知

　國家實驗研究院奈米元件實驗室以「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」等兩項次5奈米世代前瞻元件技術研發為主的6篇論文，獲選於2015年底舉行、全球最重要之頂尖電子元件國際會議「國際電子元件會議」(International Electron Devices Meeting, IEDM)中發表，其中兩篇更獲選為大會的焦點論文(Highlight Paper)。

國家實驗研究院奈米元件實驗室製程服務組組長陳旻政說明「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」等兩項次5奈米世代前瞻元件技術。(歸鴻亭攝影)

　國研院國家奈米實驗室製程服務組組長陳旻政表示，奈米元件實驗室的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。該實驗室領先全球的相關研究突破，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。

　陳旻政指出，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至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1奈米大約是2~3個原子直徑的物理極限，終將導致摩爾定律無法延續。

國研院奈米元件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。(歸鴻亭攝影)

　他說，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。

　有別於過去傳統以矽基層為主的元件結構趨勢，稱之為「後矽時代」的來臨，目前研發的奈米級菱形鍺高速通道技術就能突破瓶頸，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。

　國研院奈米元件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3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3個接觸面，等於有3個電流通道），拓展為最多4個高速傳輸面向，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1倍，大幅提升電晶體特性。

鰭式電晶體是場效電晶體的一項創新設計。在傳統的平面式場效電晶體中，控制電流通過的閘極，可以使電流通道縮窄，又可大幅改善漏電流問題。(國家實驗研究院提供)

　此外，也可將目前最先進的鰭式場效電晶體(FinField-effect transistor, FinFET)，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。

　而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，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。

國研院奈米元件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」，比傳統二維單晶鰭式電晶體更強。(國家實驗研究院提供)

　陳旻政指出，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。

　國研院奈米元件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。