台积电1奈米制程突破点找到了 IBM抢发2奈米超车无望？

台湾大学与携手台积电、美国麻省理工学院(MIT)，发现二维材料结合半金属铋（Bi）能达到极低的电阻，接近量子极限，有助于实现半导体 1 奈米以下的艰巨挑战。(图/达志影像)

台大携手台积电、美国麻省理工学院进行的半导体研究成果，发表于国际期刊《Nature》，研究团队左起沈品均博士、吴志毅教授、周昂升博士。（图/台湾大学提供）

全球晶圆代工龙头台积电所掌握先进制程，在该领域拥有超高市占率，与竞争对手拉开技术差距，随着矽基半导体逼近物理极限，各界都在寻找克服困境的材料。台湾大学与携手台积电、美国麻省理工学院(MIT)，发现二维材料结合半金属铋（Bi）能达到极低的电阻，接近量子极限，有助于实现半导体1奈米以下的艰巨挑战。

这项研究已于《自然》期刊(Nature)公开发表。这项跨国研究始于2019年，合作时间长达1年半，包括台大、台积电、MIT都投入研究人力，共同为半导体产业开创新路。

博士沈品均则指出，过去半导体使用三维材料，物理特性与元件结构发展到 3 奈米制程节点，这次研究改用二维材料，厚度可小于 1 奈米（1~3 层原子厚），更逼近固态半导体材料厚度的极限。而半金属铋的材料特性，能消除与二维半导体接面的能量障碍，且半金属铋沉积时，也不会破坏二维材料的原子结构，台大团队运用下一世代的微影技术，透过氦离子束微影系统（Helium-ion beam lithography）将元件缩小至奈米尺寸，获得突破性的成果。

随着先进制程发展至5奈米制程，甚至是3奈米制程，电晶体数目再度逼近物理极限。从过去的MOSFET(金氧半场效电晶体)、 FinFET (鳍式场效电晶体)，甚至是将在3奈米、2奈米制程采用的环绕闸极技术（Gate-All-Around,GAA），1奈米制程透过仅1~3 层原子厚的二维材料， 电子从源极（source）走以二硫化钼为材料的电子通道层，上方有闸极（gate）加压电压来控制，再从汲极（drain）流出，这项研究透过铋这个材料，来做为接触电极的结构，大幅降低电阻并提高传输电流，让二维材料成为可能取代矽，成为新兴的半导体材料。

至于先前由国际商业机器公司IBM发表采用GAA技术的2奈米制程晶片，声称比起当前最先进的7奈米、5奈米制程晶片，2奈米制程电晶体密度更高、增加 45% 效能、能源效率提升达75%。相较之下，IBM提供了GAA技术2奈米制程实现的可能性，但其接触电极的接点采用的仍是铜，为金属材料，相较之下，台大与台积电、MIT的研究团队采用的是半金属，更有效改善电阻与电流问题，达到欧姆接触(Ohmic)。值得注意的是，进入先进制程节点后，原本奈米制程节点所述数字指得是闸极长度，后来已经不一定符合该逻辑，主要是各家晶圆代工厂所采用的电晶体结构不同所致。