1纳米以下制程有了新突破!

2021-05-17 13:12:10 来源:EETOP
半导体产业持续朝先进制程迈进,不断追求精密细小的极限挑战,以延续摩尔定律。为此,台湾地区台湾大学、台积电、美国麻省理工学院(MIT),联合研究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纳米以下的艰巨挑战;且这项研究已于「自然期刊(Nature)」公开发表。

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03472-9

目前硅基半导体主流制程,已进展至5纳米及3纳米节点,芯片单位面积能容纳的晶体管数目,也将逼近半导体主流材料「硅」的物理极限,芯片性能无法再逐年显著提升。

因此,随着硅基半导体已逼近物理极限时,全球科学界都在积极寻找其他的可能材料;而一直以来科学界都对二维材料寄予厚望,却苦于无法解决二维材料高电阻、及低电流等问题,以至于取代硅成为新兴半导体材料一事,始终是「只闻楼梯响」。

为此,台大联手台积电、MIT 共同研究,首先由MIT团队发现在二维材料上搭配半金属铋的电极,能大幅降低电阻并提高传输电流;随后台积电技术研究部门(CorporateResearch)将铋沉积制程进行优化,台大团队并运用氦离子束微影系统(Helium-ion beamlithography)将元件通道成功缩小至纳米尺寸,终于获得这项突破性的研究成果。

这项跨国合作自2019年展开,合作时间长达一年半,包括台大、台积电、麻省理工学院等皆投入研究人力,共同为半导体产业开创新路。

这项研究发现,在使用铋为接触电极的关键结构后,二维材料晶体管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,实有助于未来突破摩尔定律的极限。虽然目前还处于研究阶段,但该成果能替下世代芯片提供省电、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的应用中,民众都能受惠。

过去半导体使用三维材料,其物理特性与元件结构发展到了三纳米节点,这次研究改用二维材料,其厚度可小于一纳米(一到三层原子厚),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。

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