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

美、日将联手研发2nm芯片

美、日将联手研发2nm芯片，日美两国将启动次世代芯片(2纳米芯片)的量产研发，力拼在2025年量产，此时间点也与台积电、三星所喊出的2纳米目标一致。美、日将联手研发2nm芯片。

美、日将联手研发2nm芯片1

目前全球能做到2nm工艺的公司没有几家，主要是台积电、Intel及三星，日本公司在设备及材料上竞争力有优势，但先进工艺是其弱点，现在日本要联合美国研发2nm工艺，不依赖台积电，最快2025年量产。

日本与美国合作2nm工艺的消息有段时间了，不过7月29日日本与美国经济领域有高官会面，2nm工艺的合作应该会是其中的重点。

据悉，在2nm工艺研发合作上，日本将在今年内设立次世代半导体制造技术研发中心（暂定名），与美国的国立半导体技术中心NSTC合作，利用后者的设备和人才研发2nm工艺，涉及芯片涉及、制造设备/材料及生产线等3个领域。

这次的研发也不只是学术合作，会招募企业参加，一旦技术可以量产，就会转移给日本国内外的企业，最快会在2025年量产。

对于日美合作2nm并企图绕过台积电一事，此前台积电方面已有回应，台积电称，半导体产业的特性是不管花多少钱、用多少人，都无法模仿的，要经年累月去累积，台积电20年前技术距最先进的技术约2世代，花了20年才超越，这是坚持自主研发的结果。

台积电不会掉以轻心，研发支出会持续增加，台积电3nm制程将会是相当领先，2nm正在发展中，寻找解决方案。

美、日将联手研发2nm芯片2

现在全球最先进的芯片约有9成是由台积电生产，各国想分散风险以确保更稳定的供应，像是日本与美国将在半导体产业进行合作，日经新闻29日报道，日美两国将启动次世代芯片(2纳米芯片)的量产研发，力拼在2025年量产，而此时间点也与台积电、三星所喊出的2纳米目标一致。

报道指出，日美强化供应链合作，日本将在今年新设一个研发据点，其为和美国之间的窗口，并将设置测试产线，值得注意的是，日美也将在本月29日，于华盛顿首度召开外交经济阁僚协议“经济版2+2”，上述2纳米合作将纳入该协议的联合声明。

报道提到，日本将在今年新设次世代半导体制造技术研发中心，并将活用美国国立半导体技术中心的设备和人才，着手进行研发。因美国拥有Nvidia、高通等企业，而在芯片量产不可或缺的.设备、材料上，日本企业包括东京威力科创、Screen Holdgins、信越化学、JSR等拥有很强的竞争力，为日美合作奠下基础。

报道称，全球10纳米以下芯片产能，台湾市占率高达9成，台湾企业也计划在2025年开始生产2纳米芯片，不过日美忧心台海冲突恐升高，两国的目标是即便“台湾有事”，也能确保先进芯片的供应数量。

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据媒体报道，日美两国将通过经济协商，就确保新一代半导体安全来源的共同研究达成协议。7月29日，日本外务大臣林吉正(Yoshimasa Hayashi)和贸易大臣萩生田光一(Koichi Hagiuda)将在华盛顿与美国国务卿布林肯(Antony Blinken)和商务部长雷蒙多(Gina Raimondo)举行第一轮经济“二加二”会谈，预计供应链安全将是一个主要议题。

据悉，日本将于今年年底建立一个联合研发中心“新一代半导体制造技术开发中心(暂定名)”，用于研究2纳米半导体芯片。该中心将包括一条原型生产线，并将于2025年开始量产半导体。建立该中心的协议将列入会议结束后发表的声明中。报道还表示，产业技术综合研究所、理化学研究所、东京大学将是新中心的参与者之一，其他企业也可能被邀请参与。

从产业链来看，美国和日本在半导体领域中有很强的互补性。上世纪80-90年代，日本半导体在美国的打压之下，其半导体制造环节基本从全球半导体制造格局中退出，转而布局上游半导体材料和设备。目前日本在半导体材料和半导体设备领域两大环节拥有优势，特别是半导体材料领域的“垄断”地位。

代表性企业为大硅片（日本信越、Sumco）、掩膜版（日本DNP、Toppan）、光刻胶（日本JSR、东京应化、富士电子材料）、溅射材料（日矿金属、日本东曹、住友化学等）。

美国则在半导体设备业在全球同样处于垄断地位，拥有除光刻机以外几乎所有的设备生产能力，如应用材料。在EDA工具、IP及计算光刻软件等领域，美国处于绝对垄断地位，主要为Cadence、Synopsys、Siemens EDA三大巨头垄断。

整体来看，美国和日本在半导体材料、设备、设计领域占据优势，加之两国“紧密”的政治关系，在先进芯片工艺研发上有先天的优势与基础。在很大程度上，对美国提出“四方芯片联盟”，美日两国有最“坚定”的政治可能和经济基础。

至于为什么急于发展2纳米先进工艺，主要有以下两点：一是芯片是所有高科技产业的“底座”，是综合国力竞争的制高点，加之疫情以来的芯片短缺，让美日进一步认识到半导体制造的重要性；二是东亚晶圆代工实力强劲，规模庞大，除了台积电、三星之外，中国大陆芯片代工发展迅速，比如中芯国际、华虹半导体；三是推动高端产业链本土化回迁，掌控科技竞争主动权。

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