取代硅，路还长：二维半导体的现实与理想
过渡金属硫族化物：从惊艳问世到量产前夜
自机械剥离薄层作为顶尖技术以来，过渡金属硫族化物已取得了长足进步，但前方依然任重道远。
WSe₂和MoS₂这类材料被视为在高尺度缩减的环绕栅极晶体管中取代硅的潜力股。它们是二维材料，意味着没有面外方向的悬挂键，因此不易发生界面散射——而这种散射正是导致超薄硅通道中载流子迁移率下降的原因。
然而，这些材料也带来了若干严峻挑战。由于缺乏表面键合，它们通常仅依靠相对微弱的范德华力与相邻层结合，导致附着力差，且接触区域的能垒可能很高。要成功集成TMD，很可能需要对传统的CMOS工艺进行重大调整。
在硅上直接生长
TMD集成面临的首要且最迫切的问题之一是材料制备。在蓝宝石等衬底上生长TMD技术已相对成熟。许多关于TMD晶体管的研究会将这些薄膜转移到硅晶圆上进行后续加工。然而，层转移技术难以实现规模化。商业晶圆厂更倾向于在最终衬底上直接生长，以避免转移薄膜带来的复杂操作、污染风险以及相对较高的成本。
不幸的是，TMD的化学气相沉积通常需要超过600°C的温度，这会劣化下方的介电层表面。TMD本身在后续工艺中也容易受到等离子体损伤。此外，热膨胀系数不匹配会进一步削弱其本就不佳的附着力，导致沉积薄膜分层。
研究人员正以多种方式解决这些问题。在12月IEEE电子器件会议上报道的一项工作中，三星的Huje Ryu及其同事在MoS₂通道顶部沉积了一层薄薄的钝化氧化物。他们表示，这层氧化物能够保护二维材料及其界面免受损伤和污染。同时，足够薄的氧化层具有透氧性。通过让氧气扩散进TMD材料，三星团队选择性地氧化了通道区域的边缘。氧化区域、衬底和通道之间形成的强键有助于防止分层。该团队还展示了一种选择性生长技术，降低了MoS₂生长所需的时间和热预算。
CEA-Leti与英特尔的Sylvain Barraud及其同事采用了一种"后通道"集成方案，保留了大部分基于硅的GAA晶体管工艺流程。他们构建了Si/SiGe多层堆叠，并完成器件加工直至替换金属栅极和自对准接触刻蚀步骤。然后，如同传统GAA工艺一样，他们移除原有的通道，并用ALD沉积的MoS₂（用于nFET）和WSe₂（用于pFET）填充，随后沉积栅极介电层。
图 1： 硅通道移除后在横向空腔内沉积的 MoS₂ 薄膜。（来源： IEDM）
电接触的建立
半导体通道就位后，与接触金属及周围介电层的界面便成为决定器件性能的下一个关键因素。由于通道仅有一到两个单层厚，表面损伤和污染可能是灾难性的。
imec的Quentin Smets及其同事在TMD沉积之后，依次沉积了氧化铝和HfO₂介电层。氧化铝层既保护了MoS₂通道，又作为HfO₂沉积的粘附和种子层。随后在400°C下通过PECVD沉积的SiO₂覆盖层，使HfO₂部分结晶，而氧化铝层未受影响。因此，氧化铝的刻蚀速度要快得多。这种选择性刻蚀技术实现了多个工艺步骤，包括用于接触的凹槽刻蚀、顶栅的替换氧化物工艺，以及从栅极堆栈中去除氧化铝。
台积电的Terry Hung及其同事认为，目前PMOS TMD器件的接触在目标特性和实际表现之间差距最大。虽然高功函数金属有助于降低接触电阻，但替代掺杂提供了一种更稳健、更灵活的解决方案。台积电团队发现，Pd/WSe₂接触界面处存在大量的硒空位，这些空位可以被磷掺杂剂占据。
互补逻辑与异构CFET
尽管直接生长的器件设计正在取得进展，但实现互补逻辑需要同时具备n型和p型通道材料。目前，WSe₂是主流的p型TMD半导体，而MoS₂则是主流的n型材料。通过直接生长将两种材料集成在同一片晶圆上仍然充满挑战。上海复旦大学的周鹏及其研究人员通过使用具有铝和金栅极的MoS₂晶体管来制造增强型和耗尽型两种器件，完全避开了这个问题。他们展示了一款功能完备的微处理器，该处理器包含近6000个晶体管和四层金属层，是在蓝宝石衬底上生长的。
多个研究团队正在探索用于异构垂直CFET结构的层转移方法。除了MoS₂直接生长的工作，周鹏的团队还利用层转移工艺，将n型MoS₂晶体管堆叠在p型SOI器件之上。由此产生的CFET反相器在增益和功耗方面均优于纯硅和二维CFET。
普渡大学的Jun Cai及其同事致力于降低源/漏重叠区域的寄生电容。在硅器件中，这个问题通过使用掺杂剂降低源/漏扩展区的电阻来解决。而普渡大学团队则将CVD生长的石墨烯转移到制备好的HfO₂层上，利用等离子体刻蚀形成接触扩展区。接着，转移并图形化一层CVD生长的MoS₂单层以形成通道区域。
图 2：具有石墨烯接触扩展区的双栅极 MoS₂ FET。示意图及伪色SEM图像。（来源：IEDM ）
力学、热学与未来展望
随着研究人员开始制造出接近可量产结构的器件，评估其机械和热特性成为可能。Hung指出，虽然TMD作为块体材料相当坚固，但在单层厚度下，即使坚固的材料也可能需要额外支撑。不出所料，他们发现MoS₂的双层和三层结构比单层具有更强的机械弹性。
斯坦福大学的Young Suh Song及其同事认为，散热也是一个问题。TMD的面外导热性能极差，而HfO₂也是热的不良导体。几乎所有的热传导都将通过金属接触和电路的其余布线进行。仿真显示，全包裹式接触比边缘接触具有更好的热性能。即便如此，采用全包裹式接触的TMD器件，其温升仍是可比硅器件的三倍。而在多层TMD接触中嵌入锂则取得了更好的效果，其温升控制在硅通道器件的50%以内。
二维半导体最初出现时，还只是实验室里的小众研究对象。此后，它们已发展到被认真考虑作为硅的替代材料的阶段，但在真正承担起量产角色之前，仍有许多根本性问题有待解答。硅基CFET本身也面临着巨大的挑战，而二维半导体则带来了全新的材料、工艺以及诸多未知数。
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