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半導體材料掀革命 10nm製程改用鍺/III-V元素

文‧黃耀瑋 發布日期:2013/03/15 關鍵字:磊晶層應用材料英特爾台積電三五族元素10奈米

半導體材料即將改朝換代。晶圓磊晶層(Epitaxy Layer)普遍採用的矽材料,在邁入10奈米技術節點後,將面臨物理極限,使製程微縮效益降低,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Epitaxy KPU全球產品經理Saurabh Chopra提到,除了製程演進以外,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(Applied Materials)半導體事業群Epitaxy KPU全球產品經理Saurabh Chopra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)、台積電、三星(Samsung)和格羅方德(GLOBALFOUNDRIES)均在奮力微縮製程之際,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奈米製程後,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,並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(Hole Mobility)和電子遷移率(Electron Mobility)。如此一來,電晶體即可在更低電壓下快速驅動,並減少漏電流。  

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;至於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,相關業者投入製程技術、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奈米以下製程,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’s Law)腳步的英特爾,將在今年底展開14奈米製程試產,並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,當半導體製程推進至28、20奈米後,電晶體密度雖持續向上提升,但受限於矽本身物理特性,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,有助讓製程微縮的效果加乘。

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