（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时期。

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流程中还是不错被有用罢休。然则我以为2D FET是可能性更高的将来逻辑制程时期；除了产业界勉力的鼓吹研发除外，学术界关于2D材料地毯式的搜索以及物理、化学定性也施展尽头大的作用。

2D FET是2D维材料—仅有单层（monolayer）原分子的构造—作念为沟谈（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）的起头，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），用来网罗载子，其传导性质亦然金属。通谈上的是二氧化硅，再表层的是栅极（gate），传导性质是导电的。闸极施加电压跳跃阈值电压（threshold voltage）后，其电场会影响下面半导体的能带（bandgap）差别，令其变成导体，载子就不错从源极流经通谈抵达漏极被网罗。

2D FET即是用2D半导体材料来替代硅半导体，这着实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根由即是硅是最合乎的通谈半导体材料，咫尺还使用硅当基材的原因则是以前围绕着硅所发展出来无边的工程制造体系以及设置和智财。体系和投资王人太无边了，松开动不得。

为什么要使用2D半导体材料呢？这一切王人要从短谈效应（Short Channel Effect；SCE）谈起。SCE是指制程微缩时，通谈的长度随之变短，因而产生对原先FET预备时预期功能的负面效应。原因是通谈双方源极和汲极的电性已开动影响二者中间通谈的性能阐扬了。

SCE并不是新课题，它从80年代开动、大约1um制程时就开动对制程微缩的工程酿成握续的挑战。1um有多「短」？硅的共价键长度是0.234um，1um是400多个硅原子，表面上它即是个块材（bulk materials），然则IC预备工程师就发现汲极感应势垒缩短（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不太受罢休，电压没擢升到设定值就自行部分开启，走电了。

到了0.5um问题变得愈加机敏，除了以上的问题，因为通谈变得更短，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，跑到它不应该去的所在，比喻通谈上方的氧化层，缩短FET元件的性能及可靠性。

这些问题即是逻辑制程微缩所要濒临的主要挑战之一。早期的科罚决议包括轻掺杂汲极（lightly doped drain）、栅氧化层厚度的创新（refinements in gate oxide thickness）、对通谈的施以应力（strained channel）以提高其电子移动率（electron mobility） 、逆行井（retrograde well）、光环植入（halo implant）、双栅极氧化物（dual gate oxides）、浅构槽遏制（shallow trench isolation）等原先等较传统的半导体工程技能。

到了更频年，问题益发严峻，比拟不同的工程想法产生了：一是接纳不同的材料，比喻以金属氮化钛（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，用以重拾对通谈开关电流的罢休。

另一个想法是大幅校正FET的结构，比喻在14nm变为主流的FinFET（鮨式FET），其自己即是3D结构，用以替代原先的2D平面结构（2D planar），这么的思法握续进行中，包括咫尺正在量产的GAA nanosheet（环栅奈米片）以及将来的CFET（complementary FET；将NFET及PFET以堆叠而非并列的阵势荟萃，以省俭一半的晶粒尺寸），王人所以新的结构来握续鼓吹FET的效率、功耗以及面积的阐扬。

这方面的制程鼓吹天然与beyond Moore的先进封装不同而被称为more Moore，然则不错发现咫尺当时期创造经济价值的步伐，已与较狭义的微缩以及传统半导体工程技能的阵势有所不同：是愚弄新材料、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调整的新篇章。

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