美国纽约大学：二维半导体器件制造工艺取得重要突破！

背景

目前，以硅为代表的传统半导体材料正在面临严峻挑战。通过原理创新、结构改善、工艺进步，科研人员很难再大幅度提升硅基半导体器件的总体性能。“后摩尔时代”已经悄然到来。作为有望取代硅基半导体材料的新一代半导材料，近年来二维半导体的研究进展迅猛。

石墨烯凭借机械强度高、导电导热性好、轻薄、柔性、透明等优势，一度被誉为“新材料之王”，也让二维材料成为了备受瞩目的热点。遗憾的是，石墨烯中独特的碳原子排列，虽然有利于电子轻松地高速流动，但也使之不适合作为半导体。石墨烯没有带隙，无法选择”打开“或者”关闭“电流，而这种二进制开关机制正是现代电子器件的基础。

不过除了石墨烯之外，越来越多的二维材料被人类发现并研究，其中也不乏可以作为半导体的二维材料，例如过渡金属硫族化合物、黑磷等。科学家们已经通过这些二维材料创造出诸多半导体器件，例如：

然而，在二硫化钼（MoS2）为代表的二维半导体器件的制造工艺中，采用电子束光刻技术，将金属电极纳米刻画到这种原子级二维材料的层上，目前会产生一些问题，导致“非欧姆接触”与“肖特基势垒”。

创新

近日，美国纽约大学工学院化学与生物分子工程系教授 Elisa Riedo 领导的团队，报告了原子级薄度处理器制造工艺中的一项重要突破。这一发现不仅将对纳米芯片制造工艺产生深远影响，而且也将鼓舞全世界各个实验室中 探索 将二维材料应用于更小更快的半导体的科学家们。

团队将他们的科研成果发表在最近一期的《自然电子学（Nature Electronics）》期刊上。

技术

他们演示的这种刻蚀技术，采用了加热至100摄氏度以上的探针，超越了在二硫化钼等二维半导体上制造金属电极的普遍方法。科学家们相信，这种过渡金属属于有望替代硅应用于原子级微型芯片的材料。团队开发的新制造方法，称为“热扫描探针刻蚀技术（t-SPL）”，相比于目前的电子束光刻技术（EBL）具有一系列优势。

价值

首先，热刻蚀技术显著提升了二维晶体管的质量，抵消了肖特基势垒。肖特基势垒阻碍了二维衬底与金属交界处的电子流动。其次，不同于EBL，热刻蚀技术使芯片制造者可轻松获取二维半导体图像，然后在期望的位置刻画电极。再次， t-SPL 制造系统有望显著减少初始投入以及运营成本：它们通过在一般环境条件下的运作大幅降低功耗，无需生成高能电子以及超高真空。最后，这种热加工方法很容易通过采用“并行”的热探针来扩展，从而应用于工业生产。

Riedo 表示，她希望 t-SPL 将许多加工过程带出稀缺的净室，带入个人实验室。在净室中，研究人员们必须为这些昂贵的设备争取时间；而在个人实验室中，他们将迅速地推进材料科研与芯片设计。3D打印机这个先例，就是一个很好的类比。有朝一日，这些低于10纳米分辨率的 t-SPL 工具，在普通环境条件下，依靠标准的120伏电源运行，将遍及像她的实验室一样的各个研究实验室。

参考资料

【1】https://engineering.nyu.edu/news/breakthrough-reported-fabricating-nanochips

【2】https://www.nature.com/articles/ncomms8702

【3】Xiaorui Zheng, Annalisa Calò, Edoardo Albisetti, Xiangyu Liu, Abdullah Sanad M. Alharbi, Ghidewon Arefe, Xiaochi Liu, Martin Spieser, Won Jong Yoo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Carmela Aruta, Alberto Ciarrocchi, Andras Kis, Brian S. Lee, Michal Lipson, James Hone, Davood Shahrjerdi, Elisa Riedo. Patterning metal contacts on monolayer MoS2 with vanishing Schottky barriers using thermal nanolithography . Nature Electronics, 20192 (1): 17 DOI: 10.1038/s41928-018-0191-0

半导体制造的制程节点，那么也就是指所谓"XXnm"的节点的意思。这里面有多方面的问题，一是制造工艺和设备，一是晶体管的架构、材料。晶体管的制造只是前端而已，集成电路的后端，包括互联等等，也是每个技术节点都会进步的一大课题，这部分我也完全不懂，所以不涉及。

首先回答技术节点的意思是什么。常听说的，诸如，台积电16nm工艺的Nvidia GPU、英特尔14nm工艺的i5，等等，这个长度的含义，具体的定义需要详细的给出晶体管的结构图才行，简单地说，在早期的时候，可以姑且认为是相当于晶体管的尺寸。

为什么这个尺寸重要呢？因为晶体管的作用，简单地说，是把电子从一端(S)，通过一段沟道，送到另一端(D)，这个过程完成了之后，信息的传递就完成了。因为电子的速度是有限的，在现代晶体管中，一般都是以饱和速度运行的，所以需要的时间基本就由这个沟道的长度来决定。越短，就越快。这个沟道的长度，和前面说的晶体管的尺寸，大体上可以认为是一致的。但是二者有区别，沟道长度是一个晶体管物理的概念，而用于技术节点的那个尺寸，是制造工艺的概念，二者相关，但是不相等。

在微米时代，一般这个技术节点的数字越小，晶体管的尺寸也越小，沟道长度也就越小。但是在22nm节点之后，晶体管的实际尺寸，或者说沟道的实际长度，是长于这个数字的。比方说，英特尔的14nm的晶体管，沟道长度其实是20nm左右。

日前，三星半导体博客刊发了一篇TECHnalysis Research公司总裁兼首席分析师Bob O'Donnell的文章，他提出了他对于过渡到全新Gate-All-Around晶体管结构的看法。通过重新思考和重新构建基本的晶体管设计，Bob认为技术行业可以期待几代工艺技术的改进，同时减少半导体尺寸和功率要求，以及提高半导体性能。

任何关注半导体行业的人都知道芯片性能提升的速度开始放缓。与此同时，工艺公司已经讨论了他们减少制造芯片尺寸时面临的一些挑战。虽然通常与摩尔定律的继续发展有关，但更多是伴随着半导体工艺节点尺寸的减小，影响性能的因素会持续增加。

就在几个月前，三星半导体的代工业务宣布了晶体管设计方面的一项重大新进展，称为Gate-All-Around（GAA），它有望在未来几年保持晶体管级半导体的发展。从根本上说，GAA提供了对基本晶体管设计的重新思考和重新架构，其中晶体管内部的硅通道完全被栅极材料包围，而不是像三极一样被栅极材料覆盖，就像FinFET设计一样，这种设计可以增加晶体管密度，同时增加沟道的缩放潜力。

整个 科技 行业都在期待着半导体工艺的改进，这些进步将继续降低半导体尺寸和功率，并提高半导体性能。GAA与极紫外光（EUV）光刻技术一起被认为是半导体制造领域下一个主要技术进步，这为芯片行业提供了从7nm到5nm到3nm工艺节点的清晰路径。

从技术上讲，由于GAA FET技术降低了电压，这也为半导体代工业务提供了一种超越FinFET设计的方法。随着晶体管不断缩小，电压调节已被证明是最难克服的挑战之一，但GAA采用的新设计方法减少了这个问题。 GAA晶体管的一个关键优势是能够降低电压缩放造成的功耗，同时还能提高性能。这些改进的具体时间表可能不会像行业过去那么快，但至少关于它们是否会到来的不确定性现在可能会逐渐改观。对于芯片和器件制造商而言，这些技术进步为半导体制造业的未来提供了更清晰的视角，并且应该让他们有信心推进积极的长期产品计划。

GAA的时机也是 科技 行业的偶然因素。直到最近，半导体行业的大多数进步都集中在单个芯片或单片SOC（片上系统）设计上，这些设计都基于单个工艺节点尺寸构建的硅芯片。当然，GAA将为这些类型的半导体提供重要的好处。此外，随着新的“小芯片”SOC设计的势头增加，这些设计结合了几个可以在不同工艺节点上构建的较小芯片组件，很容易被误解为晶体管级增强不会带来太多的价值。实际上，有些人可能会争辩说，随着单片SOC被分解成更小的部分，对较小的制造工艺节点的需求就会减少。然而，事实是更复杂，更细微。为了使基于芯片组的设计真正成功，业界需要改进某些芯片组件的工艺技术，并改进封装和互连，以将这些元件和所有其他芯片组件连接在一起。

重要的是要记住，最先进的小芯片组件正变得越来越复杂。这些新设计要求3mm GAA制造所能提供的晶体管密度。例如，特定的AI加速，以及日益复杂的CPU，GPU，FPGA架构需要他们能够集中处理的所有处理能力。因此，虽然我们会继续看到某些半导体元件停止在工艺节点的路线图中，并以更大的工艺尺寸稳定下来，但对关键部件的持续工艺缩减的需求仍然有增无减。

科技 行业对半导体性能改进的依赖已经变得如此重要，以至于工艺技术的潜在放缓引起了相当多的关注，甚至对可能对整个 科技 世界产生的影响产生负面影响。虽然GAA所带来的进步甚至没有使该行业完全解决了挑战，但它们足以提供行业所需的发展空间以保持其继续前进。

据businesskorea报道，代工咨询公司IBS 5月15日宣布，三星电子在 GAA技术方面领先台积电(TSMC)一年，领先英特尔(Intel)两到三年。GAA技术是下一代非存储半导体制造技术，被视为代工行业的突破者。

三星已被评估在FinFET工艺方面领先于全球最大的代工企业台积电。FinFET工艺目前是主流的非存储半导体制造工艺。

这意味着三星在当前和下一代代工技术上都领先于竞争对手。

三星于当地时间5月14日在美国Santa Clara举行的2019年三星代工论坛上宣布，将于明年完成GAA工艺开发，并于2021年开始批量生产。

---