三大关键技术，推动芯片制造前进

随着半导体行业的飞速发展，摩尔定律已成为电子器件持续进步的核心指导原则。摩尔定律预测晶体管的数量每两年翻一番，这一趋势推动着器件和电路尺寸的不断缩小。随着半导体器件尺寸的进一步缩小，制造工艺的复杂性和精度要求也急剧提高，这就需要在半导体工艺中引入超精密和超精细技术，以确保器件的性能和可靠性。

在这些技术中，蚀刻和沉积尤为关键，因为它们是实现高性能半导体器件的基础。它们在实现器件小型化和提高功能密度方面发挥着至关重要的作用。

图示展现了2000年至2035年半导体制造技术的趋势，反映了超越摩尔定律并融合了更多超越摩尔定律原理的进步。随着晶体管技术向集成电路（IC）的演进，我们可以看到从器件和导线尺寸缩小到基本逻辑单元尺寸缩小，再到系统功能尺寸缩小的演进过程。晶体管技术的早期发展，例如90纳米节点的几何尺寸缩小，包括引入应变硅和使用铜（Cu）作为后端互连（BEOL）。

随着时间的推移，技术进步推动晶体管发展到40纳米和28纳米节点，此时出现了高介电常数栅极介质和金属栅极技术，标志着等效尺寸缩小时代的到来。随着工艺技术的进一步发展，从20纳米到7纳米，晶体管技术进入了异质尺寸缩小（后摩尔定律尺寸缩小）时代，其中包括鳍式场效应晶体管（FinFET）的广泛应用。由于其三维结构，FinFET 具有卓越的沟道控制能力，其栅极可以从多个方向环绕沟道，从而增强栅极控制并降低短沟道效应。

近年来，先进技术——环栅（GAA）晶体管的引入，进一步缩小了器件尺寸，并更好地控制了短沟道效应，降低了漏电流，提高了开关性能。随着技术节点向 5 纳米及以下推进，GAA 晶体管等创新技术能够更好地控制短沟道效应，降低漏电流，并提升器件性能。

未来的器件尺寸微缩预计将融合化合物场效应晶体管（CFET）、二维半导体和混合集成技术，这些技术不仅延续了摩尔定律，还将拓展到超越摩尔定律的功能领域，例如光子集成、量子技术和神经形态计算。这些进步高度依赖于纳米级刻蚀和沉积工艺，例如原子层沉积（ALD）、原子层刻蚀（ALE）和中性束刻蚀（NBE：Neutral-beam etching ），这些工艺对于实现下一代器件所需的精度和性能至关重要。

本文阐述了这些先进技术如何推动半导体制造，支持持续进步并实现超越摩尔定律的突破。

蚀刻工艺是指通过化学或物理方法从表面去除材料，这在半导体制造中起着至关重要的作用。精确控制蚀刻工艺，包括蚀刻深度、蚀刻轮廓、表面粗糙度和均匀性等主要因素，对于确保微纳电子器件的性能和可靠性至关重要。湿法蚀刻利用槽液中的化学反应，以其成本低、易于实施和材料选择性高而著称。相比之下，干法蚀刻则是在真空腔中通过物理和化学反应进行，能够提供更精确的深度控制、轮廓选择性以及定义关键特征尺寸的能力。

原子层蚀刻 (ALE) 是一种高精度技术，对纳米级半导体器件的制造至关重要。ALE 通过吸附和反应步骤的交替进行，每个循环仅去除一个原子层，从而实现卓越的控制并最大限度地降低表面粗糙度。该方法源于原子层沉积 (ALD) 技术，涉及依次暴露于不同的反应气体，并辅以中间吹扫步骤，以确保逐层精确去除并保持原子级精度。ALE 在先进 3D 集成电路 (3D IC) 和存储器件的制造中尤为有利。在 3D IC 制造中，ALE 解决了创建复杂 3D 晶体管架构（例如 GAA 和多桥沟道场效应晶体管 (MBCFET)）的挑战。通过实现原子级蚀刻，ALE 能够对形貌和深度进行精确控制，从而确保纳米级特征的精确图案化。

NBE技术代表了GaN基HEMT和发光二极管（LED）刻蚀工艺的重大进步。该方法有效解决了等离子体诱导损伤这一关键难题，而等离子体诱导损伤在传统的刻蚀技术（例如ICP-RIE）中普遍存在。GaN材料因其在高功率和高频应用中的优异性能，在半导体行业备受青睐。然而，由于栅极凹槽等技术中常见的等离子体诱导损伤，实现GaN基HEMT的常关型工作模式仍然面临挑战。NBE技术为最大限度地减少此类损伤并提升器件性能提供了一种潜在的解决方案。

薄膜技术是一种旨在改善块体材料的结构、电学、磁学、光学和力学性能的先进方法。它已广泛应用于半导体器件、集成电路、晶体管、液晶显示器、发光二极管、太阳能电池、传感器和微机电系统（MEMS）等领域。薄膜材料的独特性能对于各种电子、电气、磁学和光学器件的技术进步至关重要。这些薄膜采用各种物理或化学方法制备，每种方法对于生产具有均匀、保形和可控厚度的超薄材料都至关重要。随着原子级和近原子级制造（ACSM）技术的不断发展，沉积高质量、无杂质的薄膜以构建层状结构变得至关重要。

随着技术的不断进步，ALD、ALE 和 NBE 技术的未来前景广阔，能够持续满足半导体制造不断变化的需求。众多优化策略已被用于提升这些技术的精度和效率。特别是，ALD 中对沉积厚度的控制、ALE 中实现原子级刻蚀以及 NBE 中对表面损伤的最小化，已被证明对提升器件性能至关重要。层厚、刻蚀深度和表面钝化等几何参数对器件的可靠性和耐久性有着显著影响。随着器件尺寸的进一步缩小，热管理，尤其是在高功率应用中，变得至关重要。未来的研究方向可以探索使用导热性更高的衬底，并改进刻蚀轮廓，以减少缺陷并提升器件性能。

此外，优化接触技术以降低电阻并确保表面形貌光滑也至关重要。展望未来，进一步的研究应着重于提升这些工艺的均匀性和精度，以应用于微型 LED、高速通信和光电子器件等先进领域。未来的研究应考虑 ALD、ALE 和 NBE 技术的性能潜力，以促进下一代半导体器件的开发。

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