臺大研究成果系列報導 劉致為教授90nm / 5nm / 2nm半導體技術節點及基礎物理之研究

數位化改變了人們的生活方式，現今生活中的科技裝置，大到汽車小如手機，無不以半導體晶片為重要核心。隨著科技不斷的進步，5G世代的來臨，AI智慧、物聯網及行動智慧裝置的普及，均賴以先進半導體晶片的性能不斷提高；研究團隊對於製程技術努力研發，才能使半導體製程技術大幅提升元件性能，開發更具競爭力的晶片產品。

過去在平面電晶體技術發展中，有二項重要突破 (1)Strained Si、(2)high k/metal gate。劉教授早期在臺大主要的研究是Strained Si，該理論早已知，技術則是由Bell labs的Eugen Fitzgerald博士（現MIT教授）及謝亞弘博士（現UCLA教授），用Molecular Beam Epitaxy證實，並在90nm技術節點開始量產；之後平面電晶體由胡正明院士團隊提出的FinFET結構所取代，於22奈米技術節點（Intel）及16奈米技術節點（台積電）被業界採用，成為現今先進半導體的主流。眾所期待元件擁有高遷移率通道（high mobility channel），台積電在5奈米技術節點終於量產，在IEDM 2020宣佈，圖一(a)為台積電於2021年舉辦的國際固態電路研討會（ISSCC）中所發表之高遷移率通道結構，是採用劉教授研究團隊於2007年發表的Si cap on SiGe通道之元件結構（圖一(b)APL 2007）。

三星與台積電兩大晶圓代工巨頭先後宣布3奈米技術節點（Samsung）及2奈米技術節點（tsmc），電晶體結構將採用gate-all-around (GAA) 的nanosheet結構，這使得原本為半導體明日之星的GAA技術，瞬間大放異彩，眾研究團隊及學者無不凝神注視其發展，劉教授的研究團隊在2007年開始研究GAA技術，圖二(a)為台積電於ISSCC 2021中所發表之研究成果，與劉教授團隊研究成果之TEM照片做對照，如圖二所示。台積電（圖二(a)）展示出3層的nanosheets，而劉教授團隊已做到4層（圖二(b)）甚至是8層（圖二(c)），而最新研究成果16層的nanosheets預計將投稿IEDM 2021，目前臺大乃是業界以外，唯一能研發多層GAA nanosheets的大學；FinFET已從16nm、10nm、7nm、5nm、3nm共發展了5代，期待nanosheets從2nm可以走到1nm以下節點。劉教授於基礎科學上亦有所突破：⍺-Sn在過去幾十年一直被認為是semi metal，而劉教授研究團隊理論證明應為zero bandgap semiconductor，而且擁有高濃度Sn的GeSn亦是如此，為研發GeSn元件的重要基礎理論。劉教授團隊製作世界遷移率最高的strained Si，1,600,000 cm2/Vs，由諾貝爾獎得主崔琦教授驗証（2009，APL），現已增加到2,400,000 cm2/Vs，仍為世界記錄。用於研究valleytronics及many particle effects，希望再增強電子元件的率能。

劉致為教授在此感謝研究生們在無塵室的辛苦及創造的智慧、指導教授Jim Sturm（Princeton）對其犯錯的容忍和創意的鼓勵、胡正明院士十餘年的指導與合作以及馬佐平院士多年來的指導，和崔琦院士在high mobility Si研究的支持。