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

一、据该公司称，新的 NAND 已经以有限的数量交付给客户和 Crucial 英睿达 SSD 产品，今年晚些时候将进一步增加产量。美光表示，232层NAND 技术 可以 支持资料中心和汽车应用所需的先进解决方案和即时服务，也能提供行动装置、消费性电子产品和 个人电脑所需的回应速度及沉浸式体验。最终可能有 4 座 600,000 平方英尺无尘室，达 240 万平方英尺，约相当于 40 个美式足球场。

纽约工厂将采用最先进的半导体制造工艺和工具，包括极紫外线（EUV） 光刻技术 ，以巩固公司在DRAM行业中的领先地位。

二、在2031年-2040年期间，美光将致力于推动DRAM在美产量

的增长，目标是占全球产量的40%以上。

总统拜登盛赞美光投资是美国又一次胜利，创造数以万计高薪工作。不过近期存储器市场放缓，美

光执行长 Sanjay Mehrotra 也表示个人计算机和智慧手机需求放缓，到 2023 财年资本支出下降

30% 以上，金额约 80 亿美元。

从市场预期看，2022年全球半导体市场仍将保持增长，但是增幅低于2021年。根据Gartner数据显

示，全球半导体市场在2021年达到5529亿美元，同比增长26%；预计到2022年将进一步增长9%，

达到6014亿美元。从arrow报告趋势来看，存储芯片的交期和价格趋于平稳。据相关机构调查显

示，自6月以来，DRAM现货价格开始下滑，在近两个月的时间里下滑了近20%。

美光是一家基于DRAM、NAND、3D XPoint内存、NOR等半导体技术的内存和存储产品制造商。

总部位于爱达荷州博伊西 ，在中国台湾、新加坡、日本、美国、中国大陆和马来西亚都建有工厂，并通过某些外包进行生产。

三、以美光和关键品牌的形式销售产品，包括晶圆、元件、模组、

SSD、managed NAND和MCP产品。美光的四个业务部门:

计算与联网业务(CNBU，约占收入的43%)：主要负责为云服务、企业、图形处理和互联网等市

场提供存储产品。据

移动业务 (MBU，约占收入的27%)：包括销售到智能手机和其他移动设备市场的内存产品，包

括NAND、DRAM。

存储业务（SBU，约占收入的18%)：主要是为企业和云存储市场提供固态硬盘和组件及解决方

案。

嵌入式业务 (EBU，约占收入的13%)：该部门主要负责为汽车和工业等市场提供存储产品，包括

各种DRAM、NAND 和 NOR。

美光是美国第一大、全球第三大内存芯片 公司，市场份额超过20%，不过主要生产并不在美国，

而且三星及SK海力士 两家韩国公司就占据了全球70%的内存份额。

但美光近日宣布他们的下一代 232 层 NAND 已经开始出货。这是存储的分水岭！美光的第六代

3D NAND 技术 232L 将提供更高的带宽和更大的芯片尺寸最值得注意的是，美光推出了目前

业界最密集的 1Tbit TLC NAND 芯片。

四、关于NAND，我记得长存的进展是192L。芯片法案的产物

《芯片与科学法案2022》总额2800多亿美元的科技补贴法案，其中针对半导体领域的就有520多亿

美元，开始给美国的芯片行业输血补贴。旨在重振美国国内芯片制造，提高美国竞争力。尽管美国

生产的半导体占世界供应总量约10%，但全球另外75%的半导体生产都依赖于东亚地区。

该法案也促使高通（Qualcomm）决定从格罗方德（GlobalFoundries）纽约工厂加购价值42亿美

元的芯片。美光表示大型半导体工厂将成为全球最大半导体厂区，完工后可创造约 50,000 个就业机会，第一阶段投资金额预估 200 亿美元，将在纽约州克莱镇 新建一个巨型内存工厂，2023 年开始场地准备工作，2024年开始施工，2025年实现量产，并在2026年-2030年间根据行业需求逐步增产。

作为全球领先无晶圆半导体公司，高通宣布计划在未来5年将其在美国的半导体产量增加

50%。

同样，英特尔在一月份曾宣布计划投资1千亿美元用于在俄亥俄州建造新的芯片厂区，启动资金高达

200亿美元。该项目的全面建成也离不开此芯片法案 的资助。

五、该公司总裁兼首席执行官Sanjay Mehrotra表示，在《芯片和科学法案》预计带来的补贴和支持

下，这项投资案将在美国制造最先进的存储器，并将美国国内内存产量从不足全球市场的2%推升至

10%。低端制造业的战略无法执行，中端的汽车呢？好像也不乐观。

高端的航空航天和芯片，至少波音这

边翻车连连，但好在私营部门的空x进展顺利；半导体这边英特尔的服务器至强芯片出了12版还没

能量产，也并不是那么顺利。

所以镁光这个扩产计划，理论可行，实际上美国也能干预全球芯片市场（只有中美日韩四个国家做

存储，都受美国约束）。

但实际执行成什么样，还不确定。

包括英特尔的ucie，fab2.0，都是非常漂亮，理论上万事俱备的概念，但说实话我确实想不明白，富

士康为啥都搞不起来。

所以，无论是英特尔镁光的扩产，还是台积电三星在美国建厂，都还需要看后续。都是很漂亮的计划，但按照经验来看执行是有难度的。

asml是荷兰的。这是一家总部设在荷兰埃因霍温的全球最大的半导体设备制造商之一，向全球复杂集成电路生产企业提供领先的综合性关键设备。ASML的股票分别在阿姆斯特丹及纽约上市。

ASML为半导体生产商提供光刻机及相关服务，TWINSCAN系列是世界上精度最高，生产效率最高，应用最为广泛的高端光刻机型。全球绝大多数半导体生产厂商，都向ASML采购TWINSCAN机型，比如英特尔（Intel）、三星（Samsung）、海力士（Hynix）、台积电（TSMC）、中芯国际（SMIC）等。

ASML的产品简介。

ASML的产品线分为PAS系列、AT系列、XT系列和NXT系列，其中PAS系列现已停产；AT系列属于老型号，多数已经停产。市场上的主力机种是XT系列以及NXT系列，为ArF和KrF激光光源，XT系列是成熟的机型，分为干式和沉浸式两种，而NXT系列则是主推的高端机型，全部为沉浸式。

ASML下一代半导体设备—High-NA EUV 设备是将集光能力的镜头数值孔径（NA）从0.33提高到0.55的设备。比现有的EUV设备处理更精细的半导体电路。

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