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文│于 淳│廠務技術發展專案│

Graphene:
the

Future Material

for Semiconductor

未來的半導體材料：石墨烯

當今和未來半導體廠是以矽晶圓來生產行動通訊和智慧手機所需的元件為主，但隨著產品對傳輸速度
和省能要求日益提高，根據目前的研究擁有極佳的導電導熱和電子遷移率的碳基二維石墨烯材料，可
望在未來半導體製程中取代以矽基為主的半導體元件。

前言

在半導體界有個最重要的定律，自從半導體工廠 多晶矽改成金屬性材料來降低電容 ( 以上兩者結
開始生產半導體元件近 30 年來，製程的尺寸幾 合就稱作 : High-k metal gate)、用 ArF 準分子雷
乎遵循著著名的摩爾定律 Moore's law，也就是 射 193nm 的波長搭配浸潤式微影和多重曝光來
每 18 個月在相同大小晶圓上所製造的電晶體數 達成更小的製程、利用 SiGe 磊晶的應力來增加
目將會增加為原來的兩倍，為了達成這個摩爾 Si 通道中載子的遷移率…等，另外還有一些製程
定律，在半導體製程越來越小的路上，不斷有新 技術與新的機台也正在開發和試產之中，好比矽
的問題出現，好比源極和汲極之間的短通道效 穿孔 (TSV) 與 3D 堆疊技術、深紫外線微影曝光
應 (short channel effect)、金氧半導體場效電晶 機 (EUV)…等，當未來這些以 Si 材料為主的半導
體 (MOSFET)、閘極介電層 SiO 2 太薄而發生的穿 體製程到達 7 nm 或 5 nm 的製程極限時，還會
透效應、閘極加電壓時的電容充電效應、製程微 有什麼可預期的科技大突破呢 ? 在 2012 年 12
影光源的波長問題、如何增加金氧半導體場效電 月所舉辦的 IEDM (International Electron Devices
晶體通道中載子的遷移率 (mobility)…等，還好 Meeting) 中 的 一 場 名 為“Moore’s Law seen
這些問題對目前到 14-20nm 的製程都有解決的 hitting big bump at 14 nm”的研討會中，IMEC
對策，像是魚鰭式場效電晶體 (FinFET)、取代閘 的研究人員表示，晶片製造商若要延續摩爾定律
極介電層 SiO 2 的 High-k 材料 HfO 2 、閘極材料由 (Moore's Law) 的生命，可能得採用新的材料或

于 淳 Chwen Yu

曾在台大和中研院物理所從事八年
次微米與奈米等級的微磁學研究

NEW FAB TECHNOLOGY JOURNAL JUNE 2013 63