imec攜手ASML、臺積電 推進12吋晶圓2D材料電晶體開發

imec今日發佈新聞稿提到，本週進行的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與晶圓代工大廠臺積電（2330），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（採用二硫化鉬作爲通道材料）與pFET（二硫化鎢或二硒化鎢），並且取得良好的電流-電壓特性。這些成果象徵着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，並作爲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，其成果分爲三點：（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爲零（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。不過爲了儘可能降低接觸電阻，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）設爲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爲運用了創新的『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。爲了實現這點，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，作爲接點。」

聚焦這項研究成果的戰略重要性，臺積電TSMC副總暨技術長 曹敏表示：「我們的研究合作爲推進半導體創新發展提供重要動力，我們聚焦爲『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。」