ASML、台積電與imec攜手 推進2D材料電晶體開發

imec 今 (16) 日宣布與 ASML、台積電 (2330-TW)(TSM-US) 攜手，發表一套用於 2D 材料電晶體的創新 12 吋晶圓整合技術路徑，運用極紫外光 (EUV) 微影技術進行圖形化，首次實現具備 50 奈米閘極間距 (CPP) 的微縮化 n 型與 p 型場效電晶體 (FET)，預期用於超高度微縮化的邏輯元件，以及後段製程和晶背應用。

這套方法成功在微型化 nFET (包含二硫化鉬通道) 與 pFET (包含二硫化鎢與二硒化鎢通道) 取得良好的性能：在閘極電壓 (Vg) 為 OV 時，這兩種電晶體的極性呈現關閉狀態，而 pFET 的元件表現幾乎媲美最高性能的實驗室元件。

此次研究成果是 2D 材料電晶體從實驗室邁向晶圓廠的關鍵進展，預計會進一步延伸和擴展邏輯技術的發展藍圖。

imec 運算暨記憶體元件技術研發副總 Gouri Sankar Kar 表示，我們已與合作夥伴共同建立一套 12 吋晶圓測試平台，針對具備產業相關元件尺寸的 2D 材料進行研究，也廣邀半導體生態系統攜手合作，以驅動這種新型通道材料和元件的性能升級。

2D 過渡金屬二硫族化物 (即 TMD，例如二硫化鉬、二硫化鎢與二硒化鎢) 有望延伸並擴展邏輯微縮技術的發展藍圖。當這些材料取代矽材，並作為原子級超薄傳導通道進行元件整合時，能夠製出具備高性能的微縮化電晶體，對高度微縮的邏輯元件、後段製程與晶背應用來說具備發展潛力。

imec 指出，其潛力歸功於這些材料的良好靜電通道控制能力，同時維持容許範圍內的載子遷移率，甚至實現高度微縮的閘極與通道長度。然而，這些材料在導入產業時一直面臨阻礙，原因在於缺乏一套 12 吋晶圓整合技術途徑，該途徑需要在與產業接軌的元件尺寸下，製造過渡金屬二硫族化物 (TMD) nFET 與 pFET，同時還要比照在實驗室環境下持續累積大量的測試結果，維持一定的性能表現。

ASML、TSMC 與 imec 現在發表了一套可擴充且與後段製程相容的 12 吋晶圓整合方法，用於基於過渡金屬二硫族化物 (TMD) 的 nFET 與 pFET 元件，其成果分為三點。

1. 世界首創達到 50 奈米閘極間距 (CPP) 的微縮化 nFET 與 pFET

2. 這兩種電晶體的極性在閘極電壓為零 (Vg=0V) 時，展現極低的關閉電流 (Ioff)

3. 搭配二硒化鎢通道的 pFET 性能表現已接近創下紀錄的實驗室元件水準。

這套類似於 CMOS 的整合方法—在單片 12 吋晶圓上整合 nFET 與 pFET，達到高達 94% 的可操作電晶體 (即 Imax/Imin>105)，成功驗證其穩健性與穩定度。此次提出的製程流程可用於二硫化鉬、二硫化鎢和二硒化鎢以外的 2D 通道材料。

imec 運算暨記憶體元件技術研發副總 Gouri Sankar Kar 表示，基於 2D 過渡金屬二硫族化物 (TMD) 材料的電晶體一般是針對短通道進行最佳化。不過為了盡可能降低接觸電阻，他們通常具備較大的接點面積，因而阻礙微縮發展。我們首次實現了 50 奈米的閘極間距 (CPP)，該數值由閘極長度和源極 / 汲極接點長度而定；而此次成果也不影響 2D 材料 nFET 與 pFET 的性能。透過與 ASML 密切合作，採用經過最佳化的單次圖形化 EUV 微影技術是實現這次微縮化閘極間距 (CPP) 的成功關鍵。

這些微縮化電晶體展現良好的電流電壓特性，而且 pFET 性能幾乎與具備最高性能的實驗室元件相當，進而解決過渡金屬二硫族化物 (TMD) 電晶體長久以來的技術挑戰。此外，電性結果顯示，當閘極電壓 (Vg) 設為 0V 時，這兩種電晶體的極性皆處於關閉狀態。

Gouri 解釋，之所以可以達到這樣理想的性能表現是因為運用了創新的「倒序」薄膜電晶體 (TFT) 製程流程。不同於傳統的 2D 材料電晶體，我們開發的 nFET 與 pFET 具備底層接點和交疊的沉積閘極。為了實現這點，過渡金屬二硫族化物 (TMD) 通道材料被轉移到經過預先圖形化且採用鎢 (W) 材填充的溝槽，作為接點。

聚焦這項研究成果的戰略重要性，台積電副總暨技術長曹敏表示，我們的研究合作為推進半導體創新發展提供重要動力，我們聚焦為從實驗室邁向晶圓廠的技術轉變降低風險和加速進展，確保開創性發現特別是創新的通道材料，能夠快速有效地整合到先進製造，最終提供頂尖的解決方案。

ASML 歐洲技術開發中心 Director  Etienne De Poortere 則表示，2D 過渡金屬二硫族化物 (TMD) 材料可望超越矽材，實現更小尺寸、更高性能的電晶體，不過目前採用 12 吋晶圓製程所展示的 2D 材料通道元件其實尺寸較大，也採用較舊的微影技術。多虧了 EUV 微影技術提供的更高解析度，我們成功製出通道長度短至 28 奈米的 TMD 電晶體，間距也與最先進的電晶體節點相容。