imec推動2D材料元件技術超越現有頂尖方案 促進未來邏輯技術發展
前言：
為達到2D材料元件整合關鍵模組的最佳性能，與領先半導體製造商的合作舉足輕重
2025年12月10日--於本周2025年國際電機電子工程師學會（IEEE）上，imec展示了包含單層二硒化鎢（WSe2）通道的p型場效電晶體（pFET）所具備的顯著性能升級，以及用於源極／汲極接點成形和閘極堆疊整合且與晶圓廠相容的改良版模組。這些研究成果透過imec與領先半導體製造商的合作來實現，為基於2D材料的元件技術之重大進展；這項技術被視為延伸邏輯技術發展途徑的長期潛力方案。
採用由2D過渡金屬二硫族化物（MX2）組成的原子級薄元件層來取代矽傳導通道，可望實現閘極與通道長度的極限微縮，同時保持良好的靜電通道控制與高載子遷移率。未來要實現的關鍵里程碑包含高品質的2D材料層沉積、閘極堆疊整合、低電阻源極／汲極接點成形，以及12吋晶圓整合。此外，大多的研究心力專注在改良（包含二硫化鎢或二硫化鉬通道的）n型元件，但是也需要更多有關p型元件的基礎研究，後者需要不同的通道材料（例如二硒化鎢）。
imec運算暨記憶體元件技術研發副總Gouri Sankar Kar表示：「在2025年IEEE國際電子會議（IEDM）上，我們在兩場不同的發表會中展示，在imec核心CMOS產業聯盟計畫（IIAP）與領先半導體製造商建立的深度合作如何實現2D材料型元件的性能突破。在這兩項合作中，結合由這些製造商提供的高品質2D材料層與imec研發的改良版接點與閘極模組，在推進2D材料元件技術超越現有的先進方案時發揮了關鍵作用。」
Gouri Sankar Kar解釋：「在過渡金屬二硫族化物通道的上方沉積頂層閘極二氧化鉿（HfO2）介電層需要附加一層種子層來協助二氧化鉿形成晶核與材料成長。對nFET來說，這點透過形成一層氧化鋁（ALOx）界面層就能處理，但這套方法對pFET來說極具挑戰，因為二硒化鎢通道材料具備不同於n型元件的材料特性。與台積電合作，我們先是製作一層雙原子層合成二硒化鎢，該元件層的形成是將兩層由台積電提供的高品質二硒化鎢單原子層接續轉移到我們的基板上。接著，我們把頂層二硒化鎢單原子層進行氧化，將其轉換為一層已經成功協助二氧化鉿閘極氧化層進行沉積的界面層。這套與晶圓廠相容且基於實驗室的整合方法達成了我們開發的雙閘極pFET之創新紀錄性能。」
另一場發表會則彰顯imec與英特爾合作開發用於n型（二硫化鎢與二硫化鉬）及p型（二硒化鎢）2D場效電晶體源極／汲極接點及閘極堆疊整合的12吋可製造模組。Gouri Sankar Kar表示：「這項重大創新包含在英特爾的高品質2D材料層採用氧化物選擇性蝕刻製程，這些2D材料層由一層氧化鋁（ALOx）界面層、一層二氧化鉿層與一層二氧化矽（SiO2）層覆蓋。氧化物蝕刻製程讓與晶圓廠相容的鑲嵌型頂層接點得以成形，為世界首例。除此之外，在垂直接點的蝕刻製程中，氧化鋁界面層也同時進行橫向蝕刻，把氧化鋁從通道區域內移除。這明顯降低了頂層閘極的等效氧化物厚度（EOT），利於閘極的轉移特性。」
此項研究獲得imec產業聯盟計畫（IIAP）探索邏輯研究計畫（Exploratory Logic program）的資助，2D-PL試驗製程計畫則透過歐洲展望計畫（即Horizon Europe，編號101189797）與展望2020（即Horizon 2020，編號952792）的補助協議。
圖一：（左）採用缺陷鈍化合成形成的二硒化鎢雙原子層薄膜之2D pFET元件轉移曲線，最佳元件顯示最大電流為690µA/µm；（右）與台積電合作製出之最終雙閘極2D pFET元件的穿透電子顯微鏡（TEM）截面圖，Lch為通道長度；TG為頂層閘極；BG為後閘極；S為源極；D為汲極；IL為層間，即interlayer。
圖二：（a）溝槽乾式蝕刻穿入二氧化矽（SiO2）；（b）停留在單層二硫化鎢通道的乾式與溼式選擇性蝕刻，這也導致氧化鋁層間沿著完整通道橫向移除材料（與英特爾合作）。
比利時微電子研究中心（imec）簡介
比利時微電子研究中心是在先進半導體技術領域領先世界的研究與創新中心。imec憑藉其先進的研發設備及6500多名員工的專業知識與經驗，在半導體與系統微縮、人工智慧、矽光子、連接與感測技術方面驅動創新。
imec的前瞻研究驅動著眾多不同的產業取得突破，包含運算、健康衛生、汽車、能源、資訊娛樂、工業、農業食品與安全產業。透過IC-Link商用客製晶片服務，imec引導企業走過晶片開發的每個步驟—從初始概念到全面製造，提供為滿足最先進設計與生產需求而專門設計的客製化解決方案。
imec與半導體價值鏈內的全球領先大廠，以及比利時法蘭德斯地區和世界各地的科技公司、新創、學術界、研究機構建立合作。imec的總部位在比利時魯汶，在比利時各地以及德國、荷蘭、義大利、英國、西班牙和美國設有研究機構，並在三個大洲設立辦事處。2024年，imec的收益報告為10.34億歐元。
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