臺積電1奈米制程突破點找到了 IBM搶發2奈米超車無望？

臺灣大學與攜手臺積電、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。(圖/達志影像)

臺大攜手臺積電、美國麻省理工學院進行的半導體研究成果，發表於國際期刊《Nature》，研究團隊左起沈品均博士、吳志毅教授、周昂升博士。（圖/臺灣大學提供）

全球晶圓代工龍頭臺積電所掌握先進製程，在該領域擁有超高市佔率，與競爭對手拉開技術差距，隨着矽基半導體逼近物理極限，各界都在尋找克服困境的材料。臺灣大學與攜手臺積電、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，包括臺大、臺積電、MIT都投入研究人力，共同爲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 奈米制程節點，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，臺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。

隨着先進製程發展至5奈米制程，甚至是3奈米制程，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奈米制程採用的環繞閘極技術（Gate-All-Around,GAA），1奈米制程透過僅1~3 層原子厚的二維材料， 電子從源極（source）走以二硫化鉬爲材料的電子通道層，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，來做爲接觸電極的結構，大幅降低電阻並提高傳輸電流，讓二維材料成爲可能取代矽，成爲新興的半導體材料。

至於先前由國際商業機器公司IBM發表採用GAA技術的2奈米制程晶片，聲稱比起當前最先進的7奈米、5奈米制程晶片，2奈米制程電晶體密度更高、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奈米制程實現的可能性，但其接觸電極的接點採用的仍是銅，爲金屬材料，相較之下，臺大與臺積電、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，原本奈米制程節點所述數字指得是閘極長度，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。