物理极限逼近 新半导体技术找出路

以精准的纳米级蚀刻技术，雕刻出「纳米级菱形锗通道结构」。图片来源：国研院纳米中心

长久以来主宰全球半导体产业发展的摩尔定律，究竟会不会走到尽头？这是在谈到半导体技术新发展时无可避免的议题。根据国际半导体科技技术蓝图 (ITRS)所释出的最新半导体产业「未来蓝图」报告显示，估计微处理器中的晶体管体积将在 2021 年开始停止缩小，这意味着微处理器中的晶体管数量，将不会再如摩尔定律所论述的一般逐步增多。

摩尔定律是指集成电路(IC)上可容纳的晶体管数目，每18~24个月会增加一倍，亦即晶体管会不断缩小，晶体管中的电流通道宽度也必须持续变窄，缩小晶体管的目的，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。

随着物理极限的逼近，半导体业者加快脚步提出两种对策，分别是「后摩尔定律」(More Moore)与「超越摩尔定律」(More than Moore)。前者意谓继续挑战技术极限，跟上摩尔定律。超越摩尔定律则是寻求原本发展方向以外的可能。

电流通道无法再缩减  新方法克服障碍

就摩尔定律来说，目前实验室中的技术研发已达到电流通道宽度仅5纳米。1纳米大约是2？3个原子直径，5纳米已逼近矽材料的物理极限，一般认为摩尔定律将无法延续。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矽制程，或是与传统矽制程进行异质整合，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晶体管(FinField-effect transistor；FinFET)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。

台湾国家实验研究院纳米元件实验室(纳米中心)已在半导体材料及结构上获得重要突破，成功发表超越5纳米时代晶体管技术的研发成果。国研院纳米中心是以精准的纳米级蚀刻技术，在大小仅数十纳米的锗通道内，雕刻出「纳米级菱形锗通道结构」，其中的原理在于锗(Ge)材料与现有矽(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矽时代最有可能第一个被选择来量产的材料。

新型通道结构及FinFET 创新晶体管设计

国研院纳米中心以精准的纳米级蚀刻技术，雕刻出新颖的菱形通道结构，在大小仅数十纳米的锗通道内，雕刻出「纳米级菱形锗通道结构」，将鳍式晶体管三个面向的电流通道(电流会沿着电流通道的边缘移动，鳍式晶体管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，并于制程中去除掉通道界面的缺陷，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，大幅提升晶体管特性。

此外，国研院纳米中心也创世界之先，将厚度仅4纳米(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晶体管结构整合，开发出全球第一颗二维二硫化钼通道之鳍式晶体管元件，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。

特别值得一提的是，在之前于美国举行的「新思科技产品使用者研讨会」(Synopsys Users Group；SNUG)上，被誉为「FinFET教父」的中研院院士胡正明指出，新的晶体管概念能够为芯片产业点燃持续发展数十年的动力，他认为FinFET和FD-SOI等薄膜晶体管还有很长远的未来。

他特别提到相关的最新研究—负电容晶体管(NC-FET)，这是以氧化铪锆和创新5nm铁电层制作30nm的NC-FET，基本上就是将一个电压放大器嵌入电介质中，如此就能以更低的Vdd获得相同的性能。可以协助工程师将Vdd电压降低到0.3V以下，从而克服多方面的极限，为新元件未来数十年的发展铺路。胡正明所任教的柏克莱分校已成立了一座新研究中心专注于研发NC-FET。英特尔(Intel)和台积电(TSMC)都参与其中。

此外，与NC-FET并驾齐驱的是，研究人员正使用十多种备选材料层来开发2D半导体，这些材料层能以分子或原子厚度进行沈积，甚至仅以一个分子或原子厚的分层即可搭建2D半导体元件。

取代矽材料  石墨烯被寄予厚望

新的材料，也是半导体业界积极寻求的另一出路，下一代芯片新材料选项可能包括石墨烯、三五族或自旋电子材料等，石墨烯更是被寄予厚望。石墨烯材料诞生于2004年，简单来说，石墨烯就是把石墨中的堆叠的碳原子分离成单层或者双层，石墨烯是已知世上最薄、最坚硬的纳米材料，且石墨烯的导热、导电率高，化学结构稳定，是极为理想的芯片材料。分析认为，石墨烯如果取代矽，有望让处理器的运行速度快上数百倍，目前包括英特尔、三星、IBM、台积电等皆已投入。

身为全球晶圆代工业者，台积电的技术研发动见观瞻。为维持领先地位，该公司持续强化前瞻性技术研究，研发新的晶体管及制程技术，例如三维(3D)结构、应变层互补金属氧化半导体(Strained-layer CMOS)、高载子移动率材料及创新的三维集成电路元件等。台积电并强调纳米级金属氧化半导体晶体管的基本物理与其特性的研究是台积公司的研发重点之一，以做为了解和引导未来先进制程元件的设计方向。

整体来看，无论是后摩尔或超摩尔，可以肯定的是，在业者的努力下，半导体不会灭亡，将继续为人类文明贡献强大力量。