编辑：好困
【新智元导读】台积电即将斥资近1万亿新台币，在中科园区附近的高尔夫球场兴建2nm晶圆厂，并为后续1nm工厂预留用地。
近日，台积电正式提出2nm以及后续1nm的工厂扩建计画。预计总投资金额将高达8000亿至1万亿新台币（约1840-2300亿元），占地近100万平方米。据联合新闻网报道，位于中部科学园区（中科）的新工厂将占用周边的一个高尔夫球场以及部分公有土地。这也是继竹科宝山之后，台积电规划的第二个2nm晶圆厂。业界指出，相较于后续用地问题仍待解决的台积电竹科宝山2nm工厂，台中高尔夫球场土地所有权单纯，一旦与兴农集团完成协商，很有可能超过竹科宝山建厂进度。根据台积电初步规划，工厂预计在明年获得用地许可并展开环境影响评估，最快于2023年动工，预计可创造约8000个就业机会。这两年由于对芯片需求的剧增，台积电产能扩充与开发较往年可说是「五倍速」前进。为了确保产能的提升，相关的支出也大举拉高，尤其是在先进制程方面。目前台积电在中科的制程涵盖28nm及7nm，由于2nm及1nm制程的设备可以共用，未来将由1.8nm、1.4nm，逐步向1nm推进。业界推测，台积电2nm最快可以在2024年试产，于2025年实现量产，之后再进入1nm，以及后续的「埃米」制程。工厂建成后预计每年用电量可以达到75万千瓦，当地一个发电机组每年的发电量是55万千瓦。也就是说，全年需要差不多1.5台机组保障台积电新工厂的用电需求。而当地目前总共就只有10台发电机组。
在工艺下降到5nm之前，FinFET（鳍式场效应晶体管）一直是很好的。当达到原子水平 （3nm是25个硅原子排成一行） 时 ，FinFET开始出现漏电现象，可能不再适用于更进一步的工艺水平。
在2nm工艺上，台积电并没有直接使用三星规划在3nm工艺上使用的GAAFET （环绕栅极场效应晶体管），也就是纳米线（nanowire），而是将其拓展成为MBCFET（多桥通道场效应晶体管），也就是纳米片（nanosheet）。
GAAFET是一个周围都是门的场效应管。根据不同的设计，全面栅极场效应管可以有两个或四个有效栅极。通过在栅极上施加电压，你可以控制源极和漏极之间的电流，将其从0切换到1，并创建一个处理器的二进制逻辑。
从GAAFET到MBCFET，从nm线到nm片，可以视为从二维到三维的跃进，能够大大改进电路控制，降低漏电率。
2nm采用以环绕闸极（GAA）制程为基础的MBCFET架构，可以解决FinFET因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。今年5月，麻省理工学院（MIT）的孔静教授领导的国际联合攻关团队探索了一个新的方向：使用原子级薄材料铋（Bi）代替硅，有效地将这些2D材料连接到其他芯片元件上。
这项研究「Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors」已发表在Nature期刊上。
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03472-9
自2019年起，MIT、台大和台积电就展开了漫长的跨国合作。
MIT团队最先发现，在「二维材料」上搭配「半金属铋（Bi）」的电极，能大幅降低电阻并提高传输电流。
之后，台积电技术研究部门则将「铋（Bi）沉积制程」进行优化。
最后，台大团队运用「氦离子束微影系统」将元件通道成功缩小至nm尺寸，终于获得突破性的研究成果。
这种材料被作为二维材料的接触电极，可以大幅度降低电阻并且提升电流，从而使其能效和硅一样，实现未来半导体1nm工艺的新制程。
未来，「原子级」薄材料是硅基晶体管的一种有前途的替代品。
研究人员表示，他们解决了半导体设备小型化的最大问题之一，即金属电极和单层半导体材料之间的接触电阻，该解决方案被证明非常简单，
即使用一种半金属，即铋元素（Bi），来代替普通金属与单层材料连接。
这种超薄单层材料，在这种情况下是二硫化钼，被认为是绕过硅基晶体管技术现在遇到的小型化限制的主要竞争者。
金属和半导体材料（包括这些单层半导体）之间的界面产生了一种叫做金属诱导的间隙（MIGS）状态现象，这导致了肖特基屏障的形成，这种现象抑制了电荷载体的流动。
使用一种半金属，其电子特性介于金属和半导体之间，再加上两种材料之间适当的能量排列，结果是消除了这个问题。研究人员通过这项技术，展示了具有非凡性能的微型化晶体管，满足了未来晶体管和微芯片技术路线图的要求。
参考资料：
https://udn.com/news/story/7240/5992392
