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国研院 5 奈米论文获国际认证,维繫半导体竞争力

浏览次数:795发布时间:2020-06-26 17:49:39文章分类: V生活篇

国研院 5 奈米论文获国际认证,维繫半导体竞争力

国家实验研究院奈米元件实验室以「奈米级菱形锗高速通道技术」、「原子级二硫化钼二维通道技术」等两项次 5 奈米世代前瞻元件技术研发为主的 6 篇论文,获选于 2015 年底举行、全球最重要之顶尖电子元件国际会议「国际电子元件会议」(International Electron Devices Meeting,IEDM)中发表,其中两篇更获选为大会的焦点论文(Highlight Paper)。

一切从摩尔定律开始

根据半导体界知名的摩尔定律,积体电路(IC)上可容纳的电晶体数目,每 18~24 个月会增加 1 倍,亦即电晶体会不断缩小,电晶体中的电流通道宽度也必须持续变窄。目前全世界最先进的 IC 量产技术,是生产电流通道宽度仅 14 奈米的 IC(即我们常听到的 14 奈米製程),而在实验室中,则已经在研究电流通道宽度仅 5 奈米的 IC。然而这已逼近硅材料的物理极限(1 奈米大约是 2~3 个原子直径),终将导致摩尔定律无法延续。

缩小电晶体的目的,在于让电流的行进通道缩短,减少电流传输所需时间,也减少电流传输过程中消耗的能量,达到快速运算且节能的效果。因此,在电流通道宽度难以持续缩减的情况下,科学家期望藉由其他方法来达到相同效果,例如运用不同的材料取代传统硅製程,或是与传统硅製程进行异质整合,让电流的行进通道因为材料的改变而使电子跑得更快。

此外,也可将目前最先进的鳍式场效电晶体(FinField-effect transistor,FinFET,以下简称鳍式电晶体),再做不同的结构变化,在相同的空间中创造出较多的电流通道,或是加强对电流的控制,减少漏电流,达到提升元件效能的目的。上述有别于过去传统以硅基层为主的元件结构趋势,我们称之为「后硅时代」的来临。国研院奈米元件实验室即是在半导体材料及结构上有重要突破,而能在全球半导体大厂及学研机构展示自身前瞻技术的最佳舞台──IEDM 中发表。

奈米级菱形锗高速通道技术

锗(Ge)材料与现有硅(Si)材料性质相近,但锗不但拥有更快的电子传输性,更可藉由不同的晶体面向,进一步提升传输速度,因此被科学家视为后硅时代最有可能第一个被选择来量产的材料。

国研院奈米元件实验室以精準的奈米级蚀刻技术,雕刻出新颖的菱形通道结构,在大小仅数十奈米的锗通道内,雕刻出「奈米级菱形锗通道结构」,将鳍式电晶体三个面向的电流通道(电流会沿着电流通道的边缘移动,鳍式电晶体的闸极与电流通道共有 3 个接触面,等于有 3 个电流通道),拓展为最多 4 个高速传输面向(见下图左),并于製程中去除掉通道介面的缺陷,降低元件操作时可能产生的电能量损耗,可使电流传输速度提高一倍,大幅提升电晶体特性。

国研院 5 奈米论文获国际认证,维繫半导体竞争力原子级二硫化钼二维通道技术

二硫化钼是近年广受关注的新颖材料,学术界及产业界皆争相投入相关研究,将其製作成极薄的二维材料,与传统硅材料进行异质整合。然而现有研究皆只能将二维二硫化钼与传统的平面式电晶体整合,国研院奈米元件实验室创世界之先,将厚度仅 4 奈米(6 层二硫化钼分子)的二维二硫化钼与现今业界主流的鳍式电晶体结构整合,开发出全球第一颗二维二硫化钼通道之鳍式电晶体元件(见上图右),搭配特殊之背闸极设计,以「双闸极」减少漏电流情形,可使用电量减少一半。

此元件是使用业界行之有年的气相沉积法製作,可完全整合于现有半导体製程,为 10 到 15 年后的元件电路设计,提供一条可行的参考方案,故格外受到全球科学家瞩目。

位居全球领先群  奠定前瞻元件研发基础

在 2015 年底举行的 IEDM 中,国研院奈米元件实验室的 6 篇论文,与比利时 IMEC(20 篇)、美国 IBM(10 篇)、台积电(7 篇),以及美国 Intel(5 篇)等单位,同列本年度的发表数领先团队。该实验室领先全球的相关研究突破,可望为国内产学研界在后硅时代前瞻元件研发服务平台奠定重要基础,并藉由技术持续精进,为国内培育硕博士级高阶技术人力,投入智慧科技、绿能生活、智慧生产等相关半导体产业研究领域,维繫台湾半导体产业的竞争力。

国研院奈米元件实验室专注于前瞻半导体元件的研发,为国内产学研界建立可与国际接轨的开放式研究服务平台,多年来透过服务型研发的带动,将取得国际认同的一流研发成果,转为製程技术研发服务平台,协助将学界的研究成果推进至可商品化或可做小型量产验证的阶段;并藉由跨微电子、物理、化学、光电、微机电、机械等非传统电子电机领域实作学习平台的建立,以实作方式补足跨学系理论授课上的不足,训练硕博士级高阶技术人力进入职场能快速应用所学,降低跨领域技术沟通整合上的障碍,以及减少产业内部训练的时间。奈米元件实验室成立至今 20 余年,所培育之硕博士级人力多已成为目前业界重要的高阶经理人,这亦是该实验室对国内半导体产业最大的贡献。