臺積電將帶來全球第一個2D納米片晶體管

臺積電工程師與臺灣兩所大學(xué)合作，將在今年的國際電子器件會議 (IEDM) 上報告世界上第一個由二維半導(dǎo)體材料制成的納米片柵環(huán)晶體管。

硅納米片晶體管或又名納米帶提供改進(jìn)的靜電控制和相對較高的驅(qū)動電流，并在 3nm 制造工藝中實施。

根據(jù)即將推出的 IEDM 計劃的亮點，臺積電已經(jīng)展示了在納米片晶體管中使用過渡金屬二硫?qū)倩飭螌幼鳛榘雽?dǎo)體通道的可能性。在這種情況下，它是二硫化鉬。

與硅和自旋軌道耦合相比，這種二維材料可以具有增強(qiáng)的電子遷移率，從而產(chǎn)生自旋電子計算的可能性。

柵極寬度為 40nm 的晶體管在 1V 的 Vds 下產(chǎn)生每微米 410 微安的驅(qū)動電流。期望通過堆疊設(shè)備來增加驅(qū)動電流。

臺積電領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊將報告制造此類晶體管的集成流程，但優(yōu)化性能仍有待完成。

TSMC 論文#34.5首次展示 GAA 單層 MoS2 納米片 nFET……是第 68 屆年度 IEDM 的亮點之一。

在論文 #7.4 中，在 EOT 為 1 nm 的單層 MoS2 頂柵 nFET 中接近理想的亞閾值擺動中，臺積電領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊描述了鉿基電介質(zhì)與 MoS2 的集成，以構(gòu)建頂柵 nFET 創(chuàng)建可堆疊系統(tǒng). 亞閾值電壓擺幅小于70mV/dec。這表明當(dāng)晶體管關(guān)閉時泄漏電流較低。

1納米以下制程重大突破！臺積電官宣「鉍」密武器

IBM 剛剛官宣研發(fā)2nm芯片不久，臺積電再次發(fā)起了挑戰(zhàn)！ 臺積電取得1nm以下制程重大突破，不斷地挑戰(zhàn)著物理極限。 近日，臺大與臺積電、美國麻省理工學(xué)院合作研究發(fā)現(xiàn)二維材料結(jié)合「半金屬鉍（Bi）」能達(dá)極低電阻，接近量子極限。 這項研究成果由臺大電機(jī)系暨光電所教授吳志毅，與臺灣積體電路和MIT研究團(tuán)隊共同完成，已在國際期刊Nature上發(fā)表，有助實現(xiàn)半導(dǎo)體1nm以下制程挑戰(zhàn)。 

沈品均、吳志毅、周昂升（從左至右） 

半導(dǎo)體新材料「鉍」：有望突破「摩爾定律」極限
 

目前半導(dǎo)體主流制程進(jìn)展到5nm和3nm節(jié)點。 晶片單位面積能容納的電晶體數(shù)目，已將逼近半導(dǎo)體主流材料「硅」的物理極限，晶片效能也無法再逐年顯著提升。 近年科學(xué)界積極尋找能取代硅的二維材料，挑戰(zhàn)1nm以下的制程，卻苦于無法解決二維材料高電阻及低電流等問題。 臺大、臺積電和MIT自2019年展開了長達(dá)1年半的跨國合作，終于找到了這把key。 

這個重大突破先由MIT團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在「二維材料」上搭配「半金屬鉍（Bi）」的電極，能大幅降低電阻并提高傳輸電流。 臺積電技術(shù)研究部門則將「鉍（Bi）沉積制程」進(jìn)行優(yōu)化，最后臺大團(tuán)隊運用「氦離子束微影系統(tǒng)」將元件通道成功縮小至納米尺寸，終于獲得突破性的研究成果。 吳志毅教授說明，在使用「鉍（Bi）」為「接觸電極」的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)后，二維材料電晶體的效能，不但與「硅基半導(dǎo)體」相當(dāng)，又有潛力與目前主流的硅基制程技術(shù)相容，有助于未來突破「摩爾定律」極限。 

研究成果能替下世代晶片，提供省電、高速等絕佳條件，未來可望投入人工智能、電動車、疾病預(yù)測等新興科技應(yīng)用。 

臺積電走向2nm！預(yù)計2024年實現(xiàn)量產(chǎn)

幾十年來，半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)步的背后存在著一條金科玉律，即摩爾定律。 摩爾定律表明：每隔 18~24 個月，集成電路上可容納的元器件數(shù)目便會增加一倍，芯片的性能也會隨之翻一番。 

然而，在摩爾定律放緩甚至失效的今天，全球幾大半導(dǎo)體公司依舊在拼命「廝殺」，希望率先拿下制造工藝布局的制高點。 臺積電在先進(jìn)制程方面可謂是一騎絕塵。3nm領(lǐng)域，臺積電一只獨秀。2020年，5nm量產(chǎn)。2nm預(yù)計在2023至2024推出。 此前報道曾介紹了臺積電近年來整個先進(jìn)制程的布局： 

要知道，臺積電、英特爾和三星并稱半導(dǎo)體制造業(yè)「三巨頭」。在芯片制程逐漸縮小的路上，三大巨頭你追我趕。 

現(xiàn)在半路又殺出了IBM，上周竟宣布自己研發(fā)出了世界首個2nm芯片，相當(dāng)于在指甲大小的芯片上容納多達(dá)500億個晶體管，速度更快并且更高效。 

對與更先進(jìn)的2nm制程，臺積電早在2019年就宣布對此研發(fā)。 去年，在5nm量產(chǎn)不久后，臺積電宣布2nm制程取得重大突破——切入環(huán)繞式柵極技術(shù) (gate-all-around，簡稱 GAA) 技術(shù)。 有別于3nm與5nm采用鰭式場效晶體管（FinFET）架構(gòu)。FinFET 本身的尺寸已經(jīng)縮小至極限后，無論是鰭片距離、短溝道效應(yīng)、還是漏電和材料極限也使得晶體管制造變得岌岌可危，甚至物理結(jié)構(gòu)都無法完成。 

而全環(huán)繞柵(GAA)是FinFET技術(shù)的演進(jìn)， 溝道由納米線（nanowire）構(gòu)成，其四面都被柵極圍繞，從而再度增強(qiáng)柵極對溝道的控制能力，有效減少漏電。 臺積電在2nm研發(fā)上切入全環(huán)柵場效應(yīng)晶體管GAA，其競爭對手三星則早在2年前其揭露3nm技術(shù)工藝時，就宣布從FinFET轉(zhuǎn)向GAA，并「大放厥詞」：2030年要超過臺積電，取得全球芯片代工龍頭地位。 

這也算是為兩家企業(yè)2-3nm制程的市場之戰(zhàn)吹響了號角。 為了搶在臺積電之前完成3nm的研發(fā)，三星的芯片制造工藝由5nm直接上升到3nm，4nm則直接跳過。 盡管臺積電和三星在2nm-3nm市場你爭我奪，但是英特爾卻毫不在乎，依然堅持在14nm，10nm制程上的研發(fā)。 臺積電，三星對最先進(jìn)制程的追趕，正是想要在世界先進(jìn)制程領(lǐng)域一決高下。 

臺積電加入美半導(dǎo)體聯(lián)盟

與此同時，出于利益考慮，全球晶圓代工第一大廠、島內(nèi)企業(yè)臺積電還積極尋求在美建廠，努力之一就是加入了剛剛成立的「美國半導(dǎo)體聯(lián)盟」。 本周二，由美國科技公司主導(dǎo)的游說團(tuán)體「美國半導(dǎo)體聯(lián)盟」（Semiconductors in American Coalition，SIAC）成立。 

SIAC成員目前包括蘋果、谷歌、微軟和英特爾，除了這些美國主導(dǎo)科技企業(yè)外，還包括三星、海力士，還有光刻機(jī)巨頭ASML，更有島內(nèi)晶圓代工大廠臺積電和聯(lián)發(fā)科。 對于加入SIAC的消息，臺積電沒有做出具體回應(yīng)。 

SAIC官網(wǎng)「成員」頁的部分截圖，可以看到臺積電在列 這些成員任何一家的限制都會給我們的發(fā)展帶來阻擋。 專家解讀，可能讓中國更難達(dá)成不依賴美國技術(shù)、半導(dǎo)體自給自足的目標(biāo)。SIAC的當(dāng)務(wù)之急是敦促美國政府提供「補助」。

一個由美國兩黨參議員組成的小組在周五公布了一項「520億美元」的提案，以在5年內(nèi)大幅提高美國半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)和研究水平。 美參議員Mark Kelly等人一直在討論一項折中的方案，以「應(yīng)對中國半導(dǎo)體產(chǎn)量的上升，以及芯片短缺對汽車制造和其他美國產(chǎn)業(yè)的影響」。這項提案預(yù)計將被納入?yún)⒆h院下周討論的關(guān)于資助美國基礎(chǔ)和先進(jìn)技術(shù)研究的法案中。 除了這項520億美元的提案，據(jù)美國《國會山報》報道，當(dāng)?shù)貢r間5月12日，美國參議院商務(wù)、科學(xué)和運輸委員會以24：4的結(jié)果投****通過「無盡前沿」法案，授權(quán)在五年內(nèi)撥款「1100億美元」用于科技研究。 

「無盡前沿」法案將授權(quán)五年內(nèi)將其中1000億美元投資基礎(chǔ)和先進(jìn)科技研究、商業(yè)化、教育和培訓(xùn)項目，其中包括人工智能、半導(dǎo)體、量子計算、先進(jìn)通信、生物技術(shù)和先進(jìn)能源。 此外，法案還包括再撥款「100億美元」，設(shè)立至少十個區(qū)域技術(shù)中心，并創(chuàng)建一個供應(yīng)鏈危機(jī)應(yīng)對計劃，來解決殃及汽車生產(chǎn)的「半導(dǎo)體芯片缺口」等問題。Hinrich基金會研究員、新加坡國立大學(xué)講師亞歷克斯·卡普里指出，因為美國正大力將半導(dǎo)體價值鏈與技術(shù)轉(zhuǎn)移回美國，并設(shè)下保護(hù)網(wǎng)，這讓「中國大陸提升芯片產(chǎn)業(yè)的努力，將更具挑戰(zhàn)性」。 卡普里認(rèn)為，臺積電大幅度增加對美投資，并參與在美國建立領(lǐng)先的5納米甚至3納米芯片制造工廠，可能會給中國大陸帶來壓力，因為臺積電顯然不會在大陸蓋這類工廠。 臺積電上月證實曾投資29億美元擴(kuò)大在南京的工廠，但該工廠的技術(shù)是28nm制程，比臺積電在美國亞利桑那州晶圓廠所使用的技術(shù)還要落后兩至三代。 

Intralink電子和嵌入軟件部門主管蘭道爾說，臺積電與其他加入SIAC的公司一樣，是出于自身利益的考量，有機(jī)會瓜分美國政府的500億美元資金。 同時，他表示，中國沒有類似集結(jié)全球各地公司的組織，而且組隊結(jié)盟有助美國與其盟友「長期保有領(lǐng)先中國的優(yōu)勢地位。」 

來源：世界半導(dǎo)體技術(shù)論壇