物理極限逼近 新半導體技術找出路

以精準的奈米級蝕刻技術，雕刻出「奈米級菱形鍺通道結構」。圖片來源：國研院奈米中心

長久以來主宰全球半導體產業發展的摩爾定律，究竟會不會走到盡頭？這是在談到半導體技術新發展時無可避免的議題。根據國際半導體科技技術藍圖 (ITRS)所釋出的最新半導體產業「未來藍圖」報告顯示，估計微處理器中的電晶體體積將在 2021 年開始停止縮小，這意味著微處理器中的電晶體數量，將不會再如摩爾定律所論述的一般逐步增多。

摩爾定律是指積體電路(IC)上可容納的電晶體數目，每18~24個月會增加一倍，亦即電晶體會不斷縮小，電晶體中的電流通道寬度也必須持續變窄，縮小電晶體的目的，在於讓電流的行進通道縮短，減少電流傳輸所需時間，也減少電流傳輸過程中消耗的能量，達到快速運算且節能的效果。

隨著物理極限的逼近，半導體業者加快腳步提出兩種對策，分別是「後摩爾定律」(More Moore)與「超越摩爾定律」(More than Moore)。前者意謂繼續挑戰技術極限，跟上摩爾定律。超越摩爾定律則是尋求原本發展方向以外的可能。

電流通道無法再縮減  新方法克服障礙

就摩爾定律來說，目前實驗室中的技術研發已達到電流通道寬度僅5奈米。1奈米大約是2？3個原子直徑，5奈米已逼近矽材料的物理極限，一般認為摩爾定律將無法延續。因此，在電流通道寬度難以持續縮減的情況下，科學家期望藉由其他方法來達到相同效果，例如運用不同的材料取代傳統矽製程，或是與傳統矽製程進行異質整合，讓電流的行進通道因為材料的改變而使電子跑得更快。

此外，也可將目前最先進的鰭式場效電晶體(FinField-effect transistor；FinFET)再做不同的結構變化，在相同的空間中創造出較多的電流通道，或是加強對電流的控制，減少漏電流，達到提升元件效能的目的。

台灣國家實驗研究院奈米元件實驗室(奈米中心)已在半導體材料及結構上獲得重要突破，成功發表超越5奈米世代電晶體技術的研發成果。國研院奈米中心是以精準的奈米級蝕刻技術，在大小僅數十奈米的鍺通道內，雕刻出「奈米級菱形鍺通道結構」，其中的原理在於鍺(Ge)材料與現有矽(Si)材料性質相近，但鍺不但擁有更快的電子傳輸性，更可藉由不同的晶體面向，進一步提升傳輸速度，因此被科學家視為後矽時代最有可能第一個被選擇來量產的材料。

新型通道結構及FinFET 創新電晶體設計

國研院奈米中心以精準的奈米級蝕刻技術，雕刻出新穎的菱形通道結構，在大小僅數十奈米的鍺通道內，雕刻出「奈米級菱形鍺通道結構」，將鰭式電晶體三個面向的電流通道(電流會沿著電流通道的邊緣移動，鰭式電晶體的閘極與電流通道共有3個接觸面，等於有3個電流通道)，拓展為最多4個高速傳輸面向，並於製程中去除掉通道介面的缺陷，降低元件操作時可能產生的電能量損耗，可使電流傳輸速度提高一倍，大幅提升電晶體特性。

此外，國研院奈米中心也創世界之先，將厚度僅4奈米(6層二硫化鉬分子)的二維二硫化鉬與現今業界主流的鰭式電晶體結構整合，開發出全球第一顆二維二硫化鉬通道之鰭式電晶體元件，搭配特殊之背閘極設計，以「雙閘極」減少漏電流情形，可使用電量減少一半。

特別值得一提的是，在之前於美國舉行的「新思科技產品使用者研討會」(Synopsys Users Group；SNUG)上，被譽為「FinFET教父」的中研院院士胡正明指出，新的電晶體概念能夠為晶片產業點燃持續發展數十年的動力，他認為FinFET和FD-SOI等薄膜電晶體還有很長遠的未來。

他特別提到相關的最新研究—負電容電晶體(NC-FET)，這是以氧化鉿鋯和創新5nm鐵電層製作30nm的NC-FET，基本上就是將一個電壓放大器嵌入電介質中，如此就能以更低的Vdd獲得相同的性能。可以協助工程師將Vdd電壓降低到0.3V以下，從而克服多方面的極限，為新元件未來數十年的發展鋪路。胡正明所任教的柏克萊分校已成立了一座新研究中心專注於研發NC-FET。英特爾(Intel)和台積電(TSMC)都參與其中。

此外，與NC-FET並駕齊驅的是，研究人員正使用十多種備選材料層來開發2D半導體，這些材料層能以分子或原子厚度進行沈積，甚至僅以一個分子或原子厚的分層即可搭建2D半導體元件。

取代矽材料  石墨烯被寄予厚望

新的材料，也是半導體業界積極尋求的另一出路，下一代晶片新材料選項可能包括石墨烯、三五族或自旋電子材料等，石墨烯更是被寄予厚望。石墨烯材料誕生於2004年，簡單來說，石墨烯就是把石墨中的堆疊的碳原子分離成單層或者雙層，石墨烯是已知世上最薄、最堅硬的奈米材料，且石墨烯的導熱、導電率高，化學結構穩定，是極為理想的晶片材料。分析認為，石墨烯如果取代矽，有望讓處理器的運行速度快上數百倍，目前包括英特爾、三星、IBM、台積電等皆已投入。

身為全球晶圓代工業者，台積電的技術研發動見觀瞻。為維持領先地位，該公司持續強化前瞻性技術研究，研發新的電晶體及製程技術，例如三維(3D)結構、應變層互補金屬氧化半導體(Strained-layer CMOS)、高載子移動率材料及創新的三維積體電路元件等。台積電並強調奈米級金屬氧化半導體電晶體的基本物理與其特性的研究是台積公司的研發重點之一，以做為了解和引導未來先進製程元件的設計方向。

整體來看，無論是後摩爾或超摩爾，可以肯定的是，在業者的努力下，半導體不會滅亡，將繼續為人類文明貢獻強大力量。