（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技能。

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经由中照旧不错被灵验限度。然则我以为2D FET是可能性更高的将来逻辑制程技能；除了产业界致力的鼓舞研发以外，学术界关于2D材料地毯式的搜索以及物理、化学定性也阐扬特殊大的作用。

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）的开端，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），用来相聚载子，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。闸极施加电压卓越阈值电压（threshold voltage）后，其电场会影响下面半导体的能带（bandgap）漫衍，令其变成导体，载子就不错从源极流经通说念抵达漏极被相聚。

2D FET等于用2D半导体材料来替代硅半导体，这确切是一次半导体产业实质上的颠覆：原本聘请矽晶圆材料最主要的原理等于硅是最合乎的通说念半导体材料，咫尺还使用硅当基材的原因则是已往围绕着硅所发展出来巨大的工程制造体系以及修复和智财。体系和投资皆太巨大了，减弱动不得。

为什么要使用2D半导体材料呢？这一切皆要从短说念效应（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瞎想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运行影响二者中间通说念的性能证据了。

SCE并不是新课题，它从80年代运行、八成1um制程时就运行对制程微缩的工程变成捏续的挑战。1um有多「短」？硅的共价键长度是0.234um，1um是400多个硅原子，表面上它等于个块材（bulk materials），然则IC瞎想工程师就发现汲极感应势垒缩小（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不太受限度，电压没普及到设定值就自行部分开启，走电了。

到了0.5um问题变得愈加猛烈，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，跑到它不应该去的所在，比喻通说念上方的氧化层，缩小FET元件的性能及可靠性。

这些问题等于逻辑制程微缩所要濒临的主要挑战之一。早期的贬责有诡计包括轻掺杂汲极（lightly doped drain）、栅氧化层厚度的立异（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）、浅构槽糟蹋（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，比拟不同的工程办法产生了：一是继承不同的材料，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，用以重拾对通说念开关电流的限度。

另一个倡导是大幅改良FET的结构，比喻在14nm变为主流的FinFET（鮨式FET），其自身等于3D结构，用以替代原先的2D平面结构（2D planar），这么的思法捏续进行中，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以堆叠而非并列的花式集聚，以省俭一半的晶粒尺寸），皆所以新的结构来捏续鼓舞FET的遵守、功耗以及面积的证据。

这方面的制程鼓舞天然与beyond Moore的先进封装不同而被称为more Moore，然则不错发现咫尺其技能创造经济价值的步骤，已与较狭义的微缩以及传统半导体工程技巧的花式有所不同：是哄骗新材料、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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