2023年光刻技术新突破：0.2纳米芯片构架的可行性探讨

最近有媒体报道台积电准备开始为美国苹果、英伟达公司试产2纳米芯片。

目前的2纳米芯片被公众热议，一个主要原因是2纳米芯片被认为是半导体制造一个里程碑式的节点：它将采用取代十余年前开始主导半导体制造的FinFET的新构架--GAA。

2021年，IBM宣布首发2纳米芯片，目前美国英特尔、中国台湾台积电、韩国三星、日本“Rapidus”都开始追逐2纳米芯片。

2纳米芯片即将量产，那么0.2纳米芯片还有多远呢？今天我们就聊一下这个问题。

下图展示的就是0.2纳米芯片的一种构架（右侧），我们简单称其为“堆叠2维材料晶体管”。注意图中标注“PMOS”和“NMOS”的红色线和紫色线便是单层2维材料。

如果单独看它的结构可能不容易理解，不过如果我们展示了从90年代以前的平面晶体管、到21世纪初的三维晶体管（FinFET），一直演变到目前的GAA晶体管，我们就可以容易理解它的演变：

1，从22纳米到2纳米，主要是栅极间距的缩放驱动；

2，从2纳米到0.2纳米，主要是单元高度缩放驱动；

3，而到0.2纳米，则又是在新构架下的栅极间距缩放驱动。

下图对比了在新构架下硅芯片和2D材料所能允许的栅极长度Lg的下限，前者到15纳米以下失效，后者能够支持5纳米。

下图是单个2D半导体晶体管的截面图，它以原子角度的视角来展示单个2D半导体晶体管研究的一些核心部分，包括最核心的2D单层沟道、栅极氧化层、栅极金属层、源漏极接触层等。

下图是一个2D半导体晶体管的实物电镜图：它的沟道材料MoS2，厚0.7纳米，长24纳米。

我们从元素扫描图上可以更清晰的看到整个2D半导体晶体管的物理结构。

值得一提的是，关于2D半导体晶体管的研究可以说是俯拾即是，为什么呢？

我们从下图就可以看出来，如果只是研究单个晶体管的特性，它本身是非常简单的结构，甚至不需要非常复杂精密的半导体制造技术。

而芯片级的2D晶体管，不仅是尺寸达到10纳米左右，而且要满足大批量3D立体制造，满足半导体制造工艺要求，满足性能匹配的材料，并且满足芯片的极端性能--这种晶圆级芯片的量产制造才是真正的技术瓶颈。

目前英特尔也只进行到了晶圆级的2D半导体材料的定向生长。这项工作采用的事选择性区域沉积法，在沟道位置通过沉积种子氧化物薄层，可以在其上选择沉积单层2D半导体。

英特尔展示了在12寸晶圆上生长MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等2D半导体。

当然，仅仅从材料学角度而言，目前普通的物理、化学实验室都具备类似的生长研究条件。

前面提到，2D材料在1纳米厚度的尺寸下，如何进行电连接是研究晶体管性能的关键，所以降低接触金属与2D材料的接触电阻是近期的一项重要工作。

我们近一两年看到的许多突破都来自于这个议题，比如此前英特尔采用了高温熔点的Sb作为接触金属，可以将NMOS接触电阻降低到150欧姆·微米；此后英特尔和台积电、麻省理工合作，采用金属Bi将NMOS接触电阻降低到更低的130欧姆·微米。

而在2D材料的PMOS接触金属金属中，金属Ru可以达到800欧姆·微米，因此还需要大量的创新优化。

毫无疑问，2D半导体芯片是未来十年半导体研究的热门领域，它要在极小的空间研究大量的集成、生长、界面、缺陷、掺杂、空间均匀性、晶界等问题。尽管从2010年石墨烯获得诺贝尔物理学奖以来，2D半导体材料成为研究热点，但是目前距离其实现超越硅芯片的0.2纳米芯片还有很长的路要走。

下篇我们继续聊！