半導體材料掀革命 10nm制程改用鍺/III-V元素

　　半導體材料即將改朝換代。晶圓磊晶層(EpitaxyLayer)普遍采用的矽材料，在邁入10nm技術節點后，將面臨物理極限，使制程微縮效益降低，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(Ge)和三五族(III-V)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EpitaxyKPU全球產品經理SaurabhChopra提到，除了制程演進以外，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(AppliedMaterials)半導體事業群EpitaxyKPU全球產品經理SaurabhChopra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(Intel)、臺積電、三星(Samsung)和格羅方德(GLOBALFOUNDRIES)均在奮力微縮制程之際，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奈米制程后，就開始在正型(P-type)或負型(N-type)半導體磊晶層中的電晶體源極(Source)、汲極(Drain)兩端添加矽鍺(SiGe)化合物，以矽鍺的低能隙寬特性降低電阻，并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(HoleMobility)和電子遷移率(ElectronMobility)。如此一來，電晶體即可在更低電壓下快速驅動，并減少漏電流。

　　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;至于N型半導體則將導入砷化鎵(GaAs)、砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)等三五族元素。不過，相關業者投入制程技術、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奈米以下制程，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(Moore’sLaw)腳步的英特爾，將在今年底展開14奈米制程試產，并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，當半導體制程推進至28、20奈米后，電晶體密度雖持續向上提升，但受限于矽本身物理特性，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，有助讓制程微縮的效果加乘。