综述：在亚10纳米纳米制造技术方面的最新进展：用于缩小二维晶体管的尺寸

《Advanced Electronic Materials》：Recent Progress in Sub-10 Nm Nanofabrication for Scaling Down 2D Transistors

二维场效应晶体管（2D-FETs）通过原子层厚通道克服短通道效应和表面缺陷，是亚10纳米集成电路的关键。本文系统综述了四类主流技术：1）超精密光刻（如电子束光刻、冷显影、BCP自组装）；2）纳米间隙形成（应力开裂、电迁移、碳纳米管掩膜）；3）垂直通道架构（金属-绝缘体-金属堆叠、石墨烯/二维材料异质结）；4）自对准隔离（原子层沉积、选择性刻蚀）。通过对比11组器件的性能参数（接触电阻0.124-69.4 kΩ·μm，亚阈值摆动45-120 mV/dec），指出2D材料在亚10纳米尺度下展现出优于传统硅基器件的短通道效应抑制能力。最后提出边缘光刻、机械开裂等新型“实验室到工厂”技术，为大规模制造提供可行路径。

　　在当前半导体技术飞速发展的背景下，随着人工智能等前沿技术对计算能力的持续需求，芯片设计和制造领域正在经历深刻的变革。其中，晶体管的密度不断增加，物理尺寸不断缩小，使得高密度、低功耗、高速度的芯片成为当前和未来技术演进的主要趋势。然而，随着晶体管尺寸的进一步缩小，短沟道效应（Short-Channel Effects, SCEs）逐渐显现，成为限制进一步微缩的关键因素。短沟道效应指的是当沟道长度减小到一定程度时，栅极对沟道的控制能力减弱，导致漏电流增加、阈值电压漂移、亚阈值特性变差等问题，严重影响器件性能。因此，如何有效克服这些短沟道效应，成为芯片制造技术持续进步的重要挑战。

面对这一问题，二维材料制成的场效应晶体管（2D-FETs）因其独特的原子层厚度和无悬挂键的表面结构，展现出比传统硅基晶体管更强的短沟道效应免疫能力。二维材料如过渡金属二硫化物（TMDs）和石墨烯等，不仅具有更大的带隙，还能在超薄状态下保持较高的载流子迁移率。这些特性使得二维材料在亚10纳米沟道长度下仍能维持稳定的电性能，为突破传统硅基晶体管的物理极限提供了新的可能。例如，MoS?和WSe?等材料在亚1纳米厚度下表现出更宽的带隙，而石墨烯和InSe则在载流子迁移率方面具有显著优势。因此，二维材料被视为未来实现亚5纳米技术节点、延续摩尔定律的重要材料基础。

然而，尽管二维材料具备上述优势，实现亚10纳米沟道长度的二维场效应晶体管仍面临诸多挑战。传统的光刻技术由于分辨率限制，难以满足亚10纳米尺度的纳米制造需求。电子束光刻技术虽然能够实现亚10纳米级的图案化，但其高昂的成本和复杂的工艺流程，使得大规模生产成为难题。此外，二维材料在制造过程中还面临诸如材料缺陷、表面悬挂键、以及制造工艺成熟度不足等问题，进一步限制了其在实际应用中的推广。因此，开发适合大规模生产的二维场效应晶体管制造技术，成为当前研究的重点方向。

为解决上述问题，研究人员提出了多种策略，包括超精密纳米光刻技术、纳米间隙形成、垂直沟道结构和自对准隔离方法等。这些方法分别从不同的角度入手，尝试克服亚10纳米沟道制造中的关键瓶颈。例如，超精密纳米光刻技术结合了电子束光刻、冷开发技术和基于块共聚物（BCP）的定向自组装（DSA）等，通过精细控制图案化过程，实现亚10纳米级别的器件结构。其中，电子束光刻通过高能电子束在光刻胶上形成高精度的图案，再通过金属沉积和剥离工艺实现器件结构的定义。冷开发技术则通过低温下的显影过程，减少光刻胶的扩散和反应速率，从而提升图案的分辨率和稳定性。基于BCP的DSA技术利用材料的自组装特性，通过高分辨率光刻技术进行预图案化，再通过微相分离形成周期性纳米结构，最终通过选择性去除其中一部分，实现纳米级的器件制造。这些方法在实验室阶段已经取得了初步成果，但在大规模生产中的适用性仍需进一步验证。

纳米间隙形成技术则提供了一种替代传统光刻的方案。该技术利用应力诱导裂纹、晶界扩展、电迁移、碳纳米管掩模和阴影蒸发等手段，在金属电极之间形成亚10纳米级别的纳米间隙，从而定义沟道长度。例如，Xu等人利用热退火诱导的应力差异和溶液催化作用，在β-Bi?O?材料中形成了可控宽度的纳米间隙，最终实现了8.2纳米沟道长度的二维场效应晶体管。这种技术在制造过程中能够有效控制沟道长度，但同时也面临着晶界位置随机性带来的均匀性问题，影响了器件的一致性。此外，利用碳纳米管作为掩模材料，能够实现高均匀性、低成本的纳米级图案化，为二维晶体管的制造提供了新的思路。这种方法在化学气相沉积（CVD）过程中利用碳纳米管的自然平行排列特性，使得金属电极的沉积更加精确。

垂直沟道结构则利用材料沉积厚度定义沟道长度，从而实现亚10纳米级别的晶体管制造。这种方法通过金属/绝缘层/半导体的叠层结构，将沟道长度控制在绝缘层的厚度范围内，不仅简化了制造流程，还具备良好的兼容性，适合大规模生产。然而，随着沟道长度的进一步缩小，绝缘层厚度也相应减少，导致源极和漏极之间的隔离能力下降，从而影响器件的亚阈值特性和漏电流控制。因此，如何在保持良好隔离性能的同时，实现更短的沟道长度，成为该技术进一步发展的关键。

自对准隔离方法则是另一种实现亚10纳米沟道长度的关键策略。该方法利用薄膜氧化或刻蚀工艺，在源极和漏极之间形成隔离层，从而定义沟道长度。例如，通过自氧化铝的侧壁，可以实现纳米级别的源漏隔离，从而获得稳定的沟道长度。同时，利用模板剥离技术，可以制造出更平坦的金属表面，提高源漏与沟道之间的接触质量，从而优化器件性能。此外，通过氢等离子体刻蚀等手段，可以实现更精细的边缘控制，提高器件的均匀性和可靠性。这些方法在实验室中已经展现出良好的前景，但在大规模生产中仍需进一步优化，以降低制造成本并提高工艺效率。

在性能评估方面，亚10纳米沟道长度的二维场效应晶体管在关键性能指标上表现出显著优势。例如，接触电阻（Rc）、开态电流（Ion）、关态电流（Ioff）以及短沟道效应相关参数如DIBL和亚阈值摆幅（SS）均表现出优异的性能。以目前的实验数据为例，某些二维晶体管在10纳米沟道长度下实现了高达103的Ion/Ioff比，同时具备较低的DIBL和SS值，这表明二维材料在亚10纳米尺度下具有良好的开关特性。然而，与最先进的硅基晶体管相比，二维晶体管在某些方面仍存在不足，如较高的接触电阻、较低的均匀性、较高的材料缺陷密度和界面态密度等。这些因素限制了二维晶体管在大规模集成和工业应用中的可行性。

未来，实现亚10纳米沟道长度的二维场效应晶体管，不仅需要进一步优化现有的制造工艺，还应探索新的技术路径。例如，边缘光刻技术（Edge Lithography）可以利用普通光刻形成的图案边缘进行二次沉积或溅射，从而获得更精细的纳米级结构。该技术通过控制沉积角度和材料的物理特性，可以实现对纳米间隙的精确控制。此外，机械裂纹技术利用材料内部应力和外部条件，如电迁移、晶界断裂或应力释放，实现可控的纳米级裂纹形成，从而制造出亚10纳米的沟道结构。该方法具有低成本、高可控性的特点，适合大规模生产。

后处理修改技术（Post-Modification）则是在传统光刻基础上，通过多种修饰手段进一步细化和优化纳米级结构。例如，利用原子层沉积（ALD）或电沉积等技术，可以逐步填充初始的较大间隙，从而形成更精细的纳米间隙。同时，通过调整沉积角度，可以实现对纳米间隙尺寸的精确控制。此外，改变基底材料的性质，如释放预存应力或控制热重结晶过程，也可以间接实现纳米级间隙的形成。这些后处理方法在实验中已经展现出一定的潜力，但在实际应用中仍需进一步验证其稳定性和可重复性。

综上所述，随着器件尺寸的不断缩小，二维材料凭借其独特的原子层厚度、无悬挂键的表面结构和高载流子迁移率，成为推动二维场效应晶体管向未来器件趋势发展的关键因素。尽管已有大量研究围绕二维场效应晶体管的性能提升和制造工艺优化展开，但目前仍只有少数研究成功实现了相关器件的制造。因此，本研究对这些制造工艺进行了分类介绍，并简要探讨了未来有望实现大规模、低成本、高均匀性的制造路径。展望未来，随着更多精确的器件设计、先进的工艺组合和更适合的材料体系的出现，亚10纳米沟道长度的二维场效应晶体管有望成为硅基晶体管持续微型化的重要替代方案。