半導(dǎo)體材料掀革命 10nm制程改用鍺/III-V元素

半導(dǎo)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(shù)節(jié)點后，將面臨物理極限，使制程微縮效益降低，因此半導(dǎo)體大廠已相繼投入研發(fā)更穩(wěn)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(chǎn)業(yè)明日之星。

應(yīng)用材料半導(dǎo)體事業(yè)群EpitaxyKPU全球產(chǎn)品經(jīng)理SaurabhChopra提到，除了制程演進以外，材料技術(shù)更迭也是影響半導(dǎo)體科技持續(xù)突破的關(guān)鍵。

應(yīng)用材料(AppliedMaterials)半導(dǎo)體事業(yè)群EpitaxyKPU全球產(chǎn)品經(jīng)理SaurabhChopra表示，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界多年前開始即已積極替代材料研發(fā)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(shè)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(fù)型(N-type)半導(dǎo)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(qū)動，并減少漏電流。

Chopra認(rèn)為，下一階段的半導(dǎo)體材料技術(shù)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(dǎo)體中的電晶體通道材料;至于N型半導(dǎo)體則將導(dǎo)入砷化鎵(GaAs)、砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)等三五族元素。不過，相關(guān)業(yè)者投入制程技術(shù)、設(shè)備轉(zhuǎn)換需一定時間及成本，且對新材料特性掌握度還不到位，預(yù)計要到10奈米或7奈米以下制程，才會擴大導(dǎo)入鍺、三五族元素等非矽方案。

據(jù)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(chǎn)，并可望率先揭露劃時代的電晶體通道材料更新技術(shù)，屆時將觸動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁向另一波革命。

Chopra分析，當(dāng)半導(dǎo)體制程推進至28、20奈米后，電晶體密度雖持續(xù)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。