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台积电走向2nm！预计2024年实现量产

2022-10-20 10:39:00

台积电工程师与台湾两所大学合作，将在今年的国际电子器件会议 (IEDM) 上报告世界上第一个由二维半导体材料制成的纳米片栅环晶体管。

硅纳米片晶体管或又名纳米带提供改进的静电控制和相对较高的驱动电流，并在 3nm 制造工艺中实施。

根据即将推出的 IEDM 计划的亮点，台积电已经展示了在纳米片晶体管中使用过渡金属二硫属化物单层作为半导体通道的可能性。在这种情况下，它是二硫化钼。

与硅和自旋轨道耦合相比，这种二维材料可以具有增强的电子迁移率，从而产生自旋电子计算的可能性。

栅极宽度为 40nm 的晶体管在 1V 的 Vds 下产生每微米 410 微安的驱动电流。期望通过堆叠设备来增加驱动电流。

台积电领导的团队将报告制造此类晶体管的集成流程，但优化性能仍有待完成。

TSMC 论文#34.5首次展示 GAA 单层 MoS2 纳米片 nFET……是第 68 届年度 IEDM 的亮点之一。

在论文 #7.4 中，在 EOT 为 1 nm 的单层 MoS2 顶栅 nFET 中接近理想的亚阈值摆动中，台积电领导的团队描述了铪基电介质与 MoS2 的集成，以构建顶栅 nFET 创建可堆叠系统. 亚阈值电压摆幅小于70mV/dec。这表明当晶体管关闭时泄漏电流较低。

1纳米以下制程重大突破！台积电官宣「铋」密武器

IBM 刚刚官宣研发2nm芯片不久，台积电再次发起了挑战！台积电取得1nm以下制程重大突破，不断地挑战着物理极限。近日，台大与台积电、美国麻省理工学院合作研究发现二维材料结合「半金属铋（Bi）」能达极低电阻，接近量子极限。这项研究成果由台大电机系暨光电所教授吴志毅，与台湾积体电路和MIT研究团队共同完成，已在国际期刊Nature上发表，有助实现半导体1nm以下制程挑战。

目前半导体主流制程进展到5nm和3nm节点。晶片单位面积能容纳的电晶体数目，已将逼近半导体主流材料「硅」的物理极限，晶片效能也无法再逐年显著提升。近年科学界积极寻找能取代硅的二维材料，挑战1nm以下的制程，却苦于无法解决二维材料高电阻及低电流等问题。台大、台积电和MIT自2019年展开了长达1年半的跨国合作，终于找到了这把key。

这个重大突破先由MIT团队发现在「二维材料」上搭配「半金属铋（Bi）」的电极，能大幅降低电阻并提高传输电流。台积电技术研究部门则将「铋（Bi）沉积制程」进行优化，最后台大团队运用「氦离子束微影系统」将元件通道成功缩小至纳米尺寸，终于获得突破性的研究成果。吴志毅教授说明，在使用「铋（Bi）」为「接触电极」的关键结构后，二维材料电晶体的效能，不但与「硅基半导体」相当，又有潜力与目前主流的硅基制程技术相容，有助于未来突破「摩尔定律」极限。

研究成果能替下世代晶片，提供省电、高速等绝佳条件，未来可望投入人工智能、电动车、疾病预测等新兴科技应用。

台积电走向2nm！预计2024年实现量产

几十年来，半导体行业进步的背后存在着一条金科玉律，即摩尔定律。摩尔定律表明：每隔 18~24 个月，集成电路上可容纳的元器件数目便会增加一倍，芯片的性能也会随之翻一番。

然而，在摩尔定律放缓甚至失效的今天，全球几大半导体公司依旧在拼命「厮杀」，希望率先拿下制造工艺布局的制高点。台积电在先进制程方面可谓是一骑绝尘。3nm领域，台积电一只独秀。2020年，5nm量产。2nm预计在2023至2024推出。此前报道曾介绍了台积电近年来整个先进制程的布局：

要知道，台积电、英特尔和三星并称半导体制造业「三巨头」。在芯片制程逐渐缩小的路上，三大巨头你追我赶。

现在半路又杀出了IBM，上周竟宣布自己研发出了世界首个2nm芯片，相当于在指甲大小的芯片上容纳多达500亿个晶体管，速度更快并且更高效。

对与更先进的2nm制程，台积电早在2019年就宣布对此研发。去年，在5nm量产不久后，台积电宣布2nm制程取得重大突破——切入环绕式栅极技术 (gate-all-around，简称 GAA) 技术。有别于3nm与5nm采用鳍式场效晶体管（FinFET）架构。FinFET 本身的尺寸已经缩小至极限后，无论是鳍片距离、短沟道效应、还是漏电和材料极限也使得晶体管制造变得岌岌可危，甚至物理结构都无法完成。

而全环绕栅(GAA)是FinFET技术的演进，沟道由纳米线（nanowire）构成，其四面都被栅极围绕，从而再度增强栅极对沟道的控制能力，有效减少漏电。台积电在2nm研发上切入全环栅场效应晶体管GAA，其竞争对手三星则早在2年前其揭露3nm技术工艺时，就宣布从FinFET转向GAA，并「大放厥词」：2030年要超过台积电，取得全球芯片代工龙头地位。

这也算是为两家企业2-3nm制程的市场之战吹响了号角。为了抢在台积电之前完成3nm的研发，三星的芯片制造工艺由5nm直接上升到3nm，4nm则直接跳过。尽管台积电和三星在2nm-3nm市场你争我夺，但是英特尔却毫不在乎，依然坚持在14nm，10nm制程上的研发。台积电，三星对最先进制程的追赶，正是想要在世界先进制程领域一决高下。

台积电加入美半导体联盟

与此同时，出于利益考虑，全球晶圆代工第一大厂、岛内企业台积电还积极寻求在美建厂，努力之一就是加入了刚刚成立的「美国半导体联盟」。本周二，由美国科技公司主导的游说团体「美国半导体联盟」（Semiconductors in American Coalition，SIAC）成立。

SIAC成员目前包括苹果、谷歌、微软和英特尔，除了这些美国主导科技企业外，还包括三星、海力士，还有光刻机巨头ASML，更有岛内晶圆代工大厂台积电和联发科。对于加入SIAC的消息，台积电没有做出具体回应。

SAIC官网「成员」页的部分截图，可以看到台积电在列这些成员任何一家的限制都会给我们的发展带来阻挡。专家解读，可能让中国更难达成不依赖美国技术、半导体自给自足的目标。SIAC的当务之急是敦促美国政府提供「补助」。

一个由美国两党参议员组成的小组在周五公布了一项「520亿美元」的提案，以在5年内大幅提高美国半导体芯片生产和研究水平。美参议员Mark Kelly等人一直在讨论一项折中的方案，以「应对中国半导体产量的上升，以及芯片短缺对汽车制造和其他美国产业的影响」。这项提案预计将被纳入参议院下周讨论的关于资助美国基础和先进技术研究的法案中。除了这项520亿美元的提案，据美国《国会山报》报道，当地时间5月12日，美国参议院商务、科学和运输委员会以24：4的结果投票通过「无尽前沿」法案，授权在五年内拨款「1100亿美元」用于科技研究。

「无尽前沿」法案将授权五年内将其中1000亿美元投资基础和先进科技研究、商业化、教育和培训项目，其中包括人工智能、半导体、量子计算、先进通信、生物技术和先进能源。此外，法案还包括再拨款「100亿美元」，设立至少十个区域技术中心，并创建一个供应链危机应对计划，来解决殃及汽车生产的「半导体芯片缺口」等问题。Hinrich基金会研究员、新加坡国立大学讲师亚历克斯·卡普里指出，因为美国正大力将半导体价值链与技术转移回美国，并设下保护网，这让「中国大陆提升芯片产业的努力，将更具挑战性」。卡普里认为，台积电大幅度增加对美投资，并参与在美国建立领先的5纳米甚至3纳米芯片制造工厂，可能会给中国大陆带来压力，因为台积电显然不会在大陆盖这类工厂。台积电上月证实曾投资29亿美元扩大在南京的工厂，但该工厂的技术是28nm制程，比台积电在美国亚利桑那州晶圆厂所使用的技术还要落后两至三代。

Intralink电子和嵌入软件部门主管兰道尔说，台积电与其他加入SIAC的公司一样，是出于自身利益的考量，有机会瓜分美国政府的500亿美元资金。同时，他表示，中国没有类似集结全球各地公司的组织，而且组队结盟有助美国与其盟友「长期保有领先中国的优势地位。」

台积电研发芯片晶体管