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，以及后段制程和晶背应用。

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。当这些材料取代矽材，并作为原子级超薄传导通道进行元件整合时，能够制出具备高性能的微缩化电晶体，对高度微缩的逻辑元件、后段制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，同时维持容许范围内的载子迁移率，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，制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制程相容的 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准。

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。此次提出的制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，采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) 制程流程。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采用钨 (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制造，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) 材料可望超越矽材，实现更小尺寸、更高性能的电晶体，不过目前采用 12 吋晶圆制程所展示的 2D 材料通道元件其实尺寸较大，也采用较旧的微影技术。多亏了 EUV 微影技术提供的更高解析度，我们成功制出通道长度短至 28 奈米的 TMD 电晶体，间距也与最先进的电晶体节点相容。