半导体科技突破关键？替代材料助力10nm制程

半导体 材料即将改朝换代。晶圆磊晶层（Epitaxy Layer）普遍采用的矽材料，在迈入10纳米技术节点后，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，提升芯片效能与省电效益，已被视为产业明日之星。

应用材料半导体事业群Epitaxy KPU全球产品经理Saurabh Chopra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（Applied Materials）半导体事业群Epitaxy KPU全球产品经理Saurabh Chopra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，更进一步达到芯片省电、高效能目的。

事实上，大多晶圆代工厂迈入65纳米制程后，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（Hole Mobility）和电子迁移率（Electron Mobility）。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纳米或7纳米以下制程，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’s Law）脚步的英特尔，将在今年底展开14纳米制程试产，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，芯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。