半导体科技突破关键?替代材料助力10nm制程

[导读] 半导体大厂已相继投入研发更稳定、高效率的替代材料。其中,锗(Ge)和三五族(III-V)元素可有效改善电晶体通道的电子迁移率,提升芯片效能与省电效益,已被视为产业明日之星。


半导体材料即将改朝换代。晶圆磊晶层(Epitaxy Layer)普遍采用的矽材料,在迈入10纳米技术节点后,将面临物理极限,使制程微缩效益降低,因此半导体大厂已相继投入研发更稳定、高效率的替代材料。其中,锗(Ge)和三五族(III-V)元素可有效改善电晶体通道的电子迁移率,提升芯片效能与省电效益,已被视为产业明日之星。

应用材料半导体事业群Epitaxy KPU全球产品经理Saurabh Chopra提到,除了制程演进以外,材料技术更迭也是影响半导体科技持续突破的关键。

半导体科技突破关键?替代材料助力10nm制程

应用材料(Applied Materials)半导体事业群Epitaxy KPU全球产品经理Saurabh Chopra表示,半导体产业界多年前开始即已积极替代材料研发已进行多年,包括英特尔(Intel)、台积电、三星(Samsung)和格罗方德 (GLOBALFOUNDRIES)均在奋力微缩制程之际,同步展开新磊晶层材料测试,以改良电晶体通道设计,更进一步达到芯片省电、高效能目的。

事实上,大多晶圆代工厂迈入65纳米制程后,就开始在正型(P-type)或负型(N-type)半导体磊晶层中的电晶体源极(Source)、汲极 (Drain)两端添加矽锗(SiGe)化合物,以矽锗的低能隙宽特性降低电阻,并借重体积较大的锗扩张或挤压电晶体通道,进而强化电洞迁移率(Hole Mobility)和电子迁移率(Electron Mobility)。如此一来,电晶体即可在更低电压下快速驱动,并减少漏电流。

Chopra 认为,下一阶段的半导体材料技术演进,锗将直接取代矽在磊晶层上的地位,成为新世代P型半导体中的电晶体通道材料;至于N型半导体则将导入砷化镓 (GaAs)、砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)等三五族元素。不过,相关业者投入制程技术、设备转换需一定时间及成本,且对新材料特性掌握度还不到位,预计要到10纳米或7纳米以下制程,才会扩大导入锗、三五族元素等非矽方案。

据悉,紧跟摩尔定律(Moore’s Law)脚步的英特尔,将在今年底展开14纳米制程试产,并可望率先揭露划时代的电晶体通道材料更新技术,届时将触动半导体产业迈向另一波革命。

Chopra分析,当半导体制程推进至28、20奈米后,电晶体密度虽持续向上提升,但受限于矽本身物理特性,芯片效能和电源效率的提升比例已一代不如一代;此时,直接替换电晶体通道材料将是较有效率的方式之一,有助让制程微缩的效果加乘。


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