台積電1奈米製程突破點找到了 IBM哭哭

全球晶圓代工龍頭台積電所掌握先進製程,在該領域擁有超高市占率,與競爭對手拉開技術差距,隨著矽基半導體逼近物理極限,各界都在尋找克服困境的材料。台灣大學與攜手台積電、美國麻省理工學院(MIT),發現二維材料結合半金屬鉍(Bi)能達到極低的電阻,接近量子極限,有助於實現半導體1奈米以下的艱鉅挑戰。

這項研究已於《自然》期刊(Nature)公開發表。這項跨國研究始於2019年,合作時間長達1年半,包括台大、台積電、MIT都投入研究人力,共同為半導體產業開創新路。

博士沈品均則指出,過去半導體使用三維材料,物理特性與元件結構發展到3奈米製程節點,這次研究改用二維材料,厚度可小於1 奈米(1~3層原子厚),更逼近固態半導體材料厚度的極限。而半金屬鉍的材料特性,能消除與二維半導體接面的能量障礙,且半金屬鉍沉積時,也不會破壞二維材料的原子結構,台大團隊運用下一世代的微影技術,透過氦離子束微影系統(Helium-ion beam lithography)將元件縮小至奈米尺寸,獲得突破性的成果。

隨著先進製程發展至5奈米製程,甚至是3奈米製程,電晶體數目再度逼近物理極限。從過去的MOSFET(金氧半場效電晶體)、FinFET(鰭式場效電晶體),甚至是將在3奈米、2奈米製程採用的環繞閘極技術(Gate-All-Around,GAA),1奈米製程透過僅1~3層原子厚的二維材料,電子從源極(source)走以二硫化鉬為材料的電子通道層,上方有閘極(gate)加壓電壓來控制,再從汲極(drain)流出,這項研究透過鉍這個材料,來做為接觸電極的結構,大幅降低電阻並提高傳輸電流,讓二維材料成為可能取代矽,成為新興的半導體材料。

至於先前由國際商業機器公司IBM發表採用GAA技術的2奈米製程晶片,聲稱比起當前最先進的7奈米、5奈米製程晶片,2奈米製程電晶體密度更高、增加45%效能、能源效率提升達75%。相較之下,IBM提供了GAA技術2奈米製程實現的可能性,但其接觸電極的接點採用的仍是銅,為金屬材料,相較之下,台大與台積電、MIT的研究團隊採用的是半金屬,更有效改善電阻與電流問題,達到歐姆接觸(Ohmic)。值得注意的是,進入先進製程節點後,原本奈米製程節點所述數字指的是閘極長度,後來已經不一定符合該邏輯,主要是各家晶圓代工廠所採用的電晶體結構不同所致。

(中時新聞網 呂承哲)


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