艾司摩爾、台積電與imec攜手實現12吋晶圓整合創新 推進2D材料電晶體開發
前言：
用於2D材料元件的創新12吋晶圓整合方法成功製出達到50奈米閘極間距（CPP）的微縮化n型與p型場效電晶體。
2026年6月15日--本周進行的2026年IEEE/JSAP超大規模積體電路（VLSI）技術與電路研討會上，imec攜手微影解決方案大廠ASML與晶圓代工大廠TSMC，共同發表一套創新、穩健且可擴充的12吋晶圓整合技術路徑，用於基於2D材料的n型與p型場效電晶體（FET）。這是首次展示搭配50奈米閘極間距（CPP）的微型化nFET（採用二硫化鉬作為通道材料）與pFET（二硫化鎢或二硒化鎢），並且取得良好的電流-電壓特性。這些成果象徵著2D材料電晶體從實驗室邁向晶圓廠的關鍵進展，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。
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。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）；以及（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VP 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，TSMC副總暨技術長 曹敏博士表示：「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。」
圖1：（A）包含50奈米閘極間距（CPP）的二硫化鎢（WS2）元件之X軸切割高角度環形暗視野（HAADF）掃描傳輸電子顯微鏡（STEM）影像，經過閘極連接線蝕刻後，其接點長度為19奈米、寬度256奈米。以及（B）相應的能量色散X射線光譜儀（EDS）分析。
圖2：包含50奈米接點間距和（650奈米）鬆弛通道長度的二硫化鉬nFET與二硒化鎢pFET整合在同一片12吋晶圓上，展現符合常規的臨界電壓匹配。
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科技領域的領先研究與創新中心。 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總部位於比利時魯汶，在比利時、歐洲、美國和海灣合作委員會地區設有研發中心，並在三大洲設有分公司。 Imec 2025年營收達12億歐元。。
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