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【新智元導讀】台積電即將斥資近1萬億新台幣，在中科園區附近的高爾夫球場興建2nm晶圓廠，並為後續1nm工廠預留用地。近日，台積電正式提出2nm以及後續1nm的工廠擴建計畫。預計總投資金額將高達8000億至1萬億新台幣（約1840-2300億元），占地近100萬平方米。據聯合新聞網報道，位於中部科學園區（中科）的新工廠將占用周邊的一個高爾夫球場以及部分公有土地。這也是繼竹科寶山之後，台積電規劃的第二個2nm晶圓廠。業界指出，相較於後續用地問題仍待解決的台積電竹科寶山2nm工廠，台中高爾夫球場土地所有權單純，一旦與興農集團完成協商，很有可能超過竹科寶山建廠進度。根據台積電初步規劃，工廠預計在明年獲得用地許可並展開環境影響評估，最快於2023年動工，預計可創造約8000個就業機會。這兩年由於對芯片需求的劇增，台積電產能擴充與開發較往年可說是「五倍速」前進。為了確保產能的提升，相關的支出也大舉拉高，尤其是在先進制程方面。目前台積電在中科的製程涵蓋28nm及7nm，由於2nm及1nm製程的設備可以共用，未來將由1.8nm、1.4nm，逐步向1nm推進。業界推測，台積電2nm最快可以在2024年試產，於2025年實現量產，之後再進入1nm，以及後續的「埃米」製程。工廠建成後預計每年用電量可以達到75萬千瓦，當地一個發電機組每年的發電量是55萬千瓦。也就是說，全年需要差不多1.5台機組保障台積電新工廠的用電需求。而當地目前總共就只有10台發電機組。在工藝下降到5nm之前，FinFET（鰭式場效應晶體管）一直是很好的。當達到原子水平 （3nm是25個硅原子排成一行） 時 ，FinFET開始出現漏電現象，可能不再適用於更進一步的工藝水平。在2nm工藝上，台積電並沒有直接使用三星規劃在3nm工藝上使用的GAAFET （環繞柵極場效應晶體管），也就是納米線（nanowire），而是將其拓展成為MBCFET（多橋通道場效應晶體管），也就是納米片（nanosheet）。GAAFET是一個周圍都是門的場效應管。根據不同的設計，全面柵極場效應管可以有兩個或四個有效柵極。通過在柵極上施加電壓，你可以控制源極和漏極之間的電流，將其從0切換到1，並創建一個處理器的二進制邏輯。從GAAFET到MBCFET，從nm線到nm片，可以視為從二維到三維的躍進，能夠大大改進電路控制，降低漏電率。2nm採用以環繞閘極（GAA）製程為基礎的MBCFET架構，可以解決FinFET因製程微縮產生電流控制漏電的物理極限問題。今年5月，麻省理工學院（MIT）的孔靜教授領導的國際聯合攻關團隊探索了一個新的方向：使用原子級薄材料鉍（Bi）代替硅，有效地將這些2D材料連接到其他芯片元件上。這項研究「Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors」已發表在Nature期刊上。論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03472-9自2019年起，MIT、台大和台積電就展開了漫長的跨國合作。MIT團隊最先發現，在「二維材料」上搭配「半金屬鉍（Bi）」的電極，能大幅降低電阻並提高傳輸電流。之後，台積電技術研究部門則將「鉍（Bi）沉積製程」進行優化。最後，台大團隊運用「氦離子束微影系統」將元件通道成功縮小至nm尺寸，終於獲得突破性的研究成果。這種材料被作為二維材料的接觸電極，可以大幅度降低電阻並且提升電流，從而使其能效和硅一樣，實現未來半導體1nm工藝的新製程。未來，「原子級」薄材料是硅基晶體管的一種有前途的替代品。研究人員表示，他們解決了半導體設備小型化的最大問題之一，即金屬電極和單層半導體材料之間的接觸電阻，該解決方案被證明非常簡單，即使用一種半金屬，即鉍元素（Bi），來代替普通金屬與單層材料連接。這種超薄單層材料，在這種情況下是二硫化鉬，被認為是繞過硅基晶體管技術現在遇到的小型化限制的主要競爭者。金屬和半導體材料（包括這些單層半導體）之間的界面產生了一種叫做金屬誘導的間隙（MIGS）狀態現象，這導致了肖特基屏障的形成，這種現象抑制了電荷載體的流動。使用一種半金屬，其電子特性介於金屬和半導體之間，再加上兩種材料之間適當的能量排列，結果是消除了這個問題。研究人員通過這項技術，展示了具有非凡性能的微型化晶體管，滿足了未來晶體管和微芯片技術路線圖的要求。參考資料：
https://udn.com/news/story/7240/5992392
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