（原标题：先进制程濒临的挑战）

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在2024年底刚开过IEDM的主题演讲（keynote speech），二维场效电晶体（2D Field Effect Transistor；2D FET）及奈米碳管（carbon nanotube）被拿起可能成为逻辑制程的将来本事。

纳米碳管FET在1998年被倡议后，逾1/4世纪终于初露晨曦，原因是奈米碳管的管径在制造历程中照旧不错被有用抛弃。然则我以为2D FET是可能性更高的将来逻辑制程本事；除了产业界勉力的激动研发除外，学术界关于2D材料地毯式的搜索以及物理、化学定性也施展相称大的作用。

2D FET是2D维材料—仅有单层（monolayer）原分子的构造—作念为沟说念（channel）材料的FET。1个FET中，一边有源极（source）作念为讯号载子（carriers；不错是电子或电洞）的着手，其传导性质是金属；中间是硅，传导性质是半导体；另一边是漏极（drain），用来荟萃载子，其传导性质亦然金属。通说念上的是二氧化硅，再表层的是栅极（gate），传导性质是导电的。闸极施加电压逾越阈值电压（threshold voltage）后，其电场会影响下面半导体的能带（bandgap）散布，令其变成导体，载子就不错从源极流经通说念抵达漏极被荟萃。

2D FET便是用2D半导体材料来替代硅半导体，这果然是一次半导体产业实质上的颠覆：正本选拔矽晶圆材料最主要的原理便是硅是最适合的通说念半导体材料，刻下还使用硅当基材的原因则是曩昔围绕着硅所发展出来弘大的工程制造体系以及开采和智财。体系和投资齐太弘大了，融资炒股粗豪动不得。

为什么要使用2D半导体材料呢？这一切齐要从短说念效应（Short Channel Effect；SCE）谈起。SCE是指制程微缩时，通说念的长度随之变短，因而产生对原先FET野心时预期功能的负面效应。原因是通说念双方源极和汲极的电性已启动影响二者中间通说念的性能阐扬了。

SCE并不是新课题，它从80年代启动、大要1um制程时就启动对制程微缩的工程造成握续的挑战。1um有多「短」？硅的共价键长度是0.234um，1um是400多个硅原子，表面上它便是个块材（bulk materials），然则IC野心工程师就发现汲极感应势垒裁减（Drain-Induced Barrier Lowering；DIBL ）、阈值电压滚降（threshold voltage roll-off）及亚阈值露电加多（increased subthreshold leakage）。用口语说，FET不太受抛弃，电压没擢升到设定值就自行部分开启，股票配资系统走电了。

到了0.5um问题变得愈加狠毒，除了以上的问题，因为通说念变得更短，另外还产生热载子注入（hot carrier injection）—载子因源极和汲极的高电场、克服材料位势，跑到它不应该去的地方，比方通说念上方的氧化层，裁减FET元件的性能及可靠性。

这些问题便是逻辑制程微缩所要濒临的主要挑战之一。早期的责罚决策包括轻掺杂汲极（lightly doped drain）、栅氧化层厚度的创新（refinements in gate oxide thickness）、对通说念的施以应力（strained channel）以提高其电子迁徙率（electron mobility） 、逆行井（retrograde well）、光环植入（halo implant）、双栅极氧化物（dual gate oxides）、浅构槽抨击（shallow trench isolation）等原先等较传统的半导体工程技巧。

到了更连年，问题益发严峻，相比不同的工程方针产生了：一是选择不同的材料，比方以金属氮化钛（TiN）替代导电的复晶（polysilicon），并佐以高介电质材料（ high k dielectric materials）二氧化铪（HfO2）代替原先氧化层的材料二氧化矽，用以重拾对通说念开关电流的抛弃。

另一个地点是大幅校正FET的结构，比方在14nm变为主流的FinFET（鮨式FET），其自己便是3D结构，用以替代原先的2D平面结构（2D planar），这么的念念法握续进行中，包括刻下正在量产的GAA nanosheet（环栅奈米片）以及将来的CFET（complementary FET；将NFET及PFET以堆叠而非比肩的神色纠合，以节俭一半的晶粒尺寸），齐所以新的结构来握续激动FET的效率、功耗以及面积的阐扬。

这方面的制程激动固然与beyond Moore的先进封装不同而被称为more Moore，然则不错发现刻下其本事创造经济价值的措施，已与较狭义的微缩以及传统半导体工程技巧的神色有所不同：是期骗新材料、新元件架构乃至于新物理机制创造新经济价值。这也意味着半导体研发竞争开启典范转动的新篇章。

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