ASML、台积电与imec携手 推进2D材料电晶体开发
imec 今 (16) 日宣布与 ASML、台积电 (2330-TW)(TSM-US) 携手，发表一套用于 2D 材料电晶体的创新 12 吋晶圆整合技术路径，运用极紫外光 (EUV) 微影技术进行图形化，首次实现具备 50 奈米闸极间距 (CPP) 的微缩化 n 型与 p 型场效电晶体 (FET)，预期用于超高度微缩化的逻辑元件，以及后段製程和晶背应用。
这套方法成功在微型化 nFET (包含二硫化钼通道) 与 pFET (包含二硫化钨与二硒化钨通道) 取得良好的性能：在闸极电压 (Vg) 为 OV 时，这两种电晶体的极性呈现关闭状态，而 pFET 的元件表现几乎媲美最高性能的实验室元件。
此次研究成果是 2D 材料电晶体从实验室迈向晶圆厂的关键进展，预计会进一步延伸和扩展逻辑技术的发展蓝图。
imec 运算暨记忆体元件技术研发副总 Gouri Sankar Kar 表示，我们已与合作伙伴共同建立一套 12 吋晶圆测试平台，针对具备产业相关元件尺寸的 2D 材料进行研究，也广邀半导体生态系统携手合作，以驱动这种新型通道材料和元件的性能升级。
2D 过渡金属二硫族化物 (即 TMD，例如二硫化钼、二硫化钨与二硒化钨) 有望延伸并扩展逻辑微缩技术的发展蓝图。当这些材料取代硅材，并作为原子级超薄传导通道进行元件整合时，能够製出具备高性能的微缩化电晶体，对高度微缩的逻辑元件、后段製程与晶背应用来说具备发展潜力。
imec 指出，其潜力归功于这些材料的良好静电通道控制能力，同时维持容许範围内的载子迁移率，甚至实现高度微缩的闸极与通道长度。然而，这些材料在导入产业时一直面临阻碍，原因在于缺乏一套 12 吋晶圆整合技术途径，该途径需要在与产业接轨的元件尺寸下，製造过渡金属二硫族化物 (TMD) nFET 与 pFET，同时还要比照在实验室环境下持续累积大量的测试结果，维持一定的性能表现。
ASML、TSMC 与 imec 现在发表了一套可扩充且与后段製程相容的 12 吋晶圆整合方法，用于基于过渡金属二硫族化物 (TMD) 的 nFET 与 pFET 元件，其成果分为三点。
1. 世界首创达到 50 奈米闸极间距 (CPP) 的微缩化 nFET 与 pFET
2. 这两种电晶体的极性在闸极电压为零 (Vg=0V) 时，展现极低的关闭电流 (Ioff)
3. 搭配二硒化钨通道的 pFET 性能表现已接近创下纪录的实验室元件水準。
这套类似于 CMOS 的整合方法—在单片 12 吋晶圆上整合 nFET 与 pFET，达到高达 94% 的可操作电晶体 (即 Imax/Imin>105)，成功验证其稳健性与稳定度。此次提出的製程流程可用于二硫化钼、二硫化钨和二硒化钨以外的 2D 通道材料。
imec 运算暨记忆体元件技术研发副总 Gouri Sankar Kar 表示，基于 2D 过渡金属二硫族化物 (TMD) 材料的电晶体一般是针对短通道进行最佳化。不过为了尽可能降低接触电阻，他们通常具备较大的接点面积，因而阻碍微缩发展。我们首次实现了 50 奈米的闸极间距 (CPP)，该数值由闸极长度和源极 / 汲极接点长度而定；而此次成果也不影响 2D 材料 nFET 与 pFET 的性能。透过与 ASML 密切合作，採用经过最佳化的单次图形化 EUV 微影技术是实现这次微缩化闸极间距 (CPP) 的成功关键。
这些微缩化电晶体展现良好的电流电压特性，而且 pFET 性能几乎与具备最高性能的实验室元件相当，进而解决过渡金属二硫族化物 (TMD) 电晶体长久以来的技术挑战。此外，电性结果显示，当闸极电压 (Vg) 设为 0V 时，这两种电晶体的极性皆处于关闭状态。
Gouri 解释，之所以可以达到这样理想的性能表现是因为运用了创新的倒序薄膜电晶体 (TFT) 製程流程。不同于传统的 2D 材料电晶体，我们开发的 nFET 与 pFET 具备底层接点和交叠的沉积闸极。为了实现这点，过渡金属二硫族化物 (TMD) 通道材料被转移到经过预先图形化且採用钨 (W) 材填充的沟槽，作为接点。
聚焦这项研究成果的战略重要性，台积电副总暨技术长曹敏表示，我们的研究合作为推进半导体创新发展提供重要动力，我们聚焦为从实验室迈向晶圆厂的技术转变降低风险和加速进展，确保开创性发现特别是创新的通道材料，能够快速有效地整合到先进製造，最终提供顶尖的解决方案。
ASML 欧洲技术开发中心 Director Etienne De Poortere 则表示，2D 过渡金属二硫族化物 (TMD) 材料可望超越硅材，实现更小尺寸、更高性能的电晶体，不过目前採用 12 吋晶圆製程所展示的 2D 材料通道元件其实尺寸较大，也採用较旧的微影技术。多亏了 EUV 微影技术提供的更高解析度，我们成功製出通道长度短至 28 奈米的 TMD 电晶体，间距也与最先进的电晶体节点相容。