半导体材料掀革命 10nm制程改用锗/III-V元素

半导体材料即将改朝换代。晶圆磊晶层(EpitaxyLayer)普遍采用的矽材料，在迈入10nm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，提升晶片效能与省电效益，已被视为产业明日之星。

应用材料半导体事业群EpitaxyKPU全球产品经理SaurabhChopra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。

应用材料(AppliedMaterials)半导体事业群EpitaxyKPU全球产品经理SaurabhChopra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，更进一步达到晶片省电、高效能目的。

事实上，大多晶圆代工厂迈入65奈米制程后，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(HoleMobility)和电子迁移率(ElectronMobility)。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奈米或7奈米以下制程，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’sLaw)脚步的英特尔，将在今年底展开14奈米制程试产，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，晶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。