隨著晶體管按比例縮小，它們需要更薄的溝道來實現足夠的溝道控制。然而，在硅中，表面粗糙度散射會降低遷移率，從而將最終溝道厚度限制在 3 納米左右。

二維過渡金屬二硫族化物 (TMD：Two-dimensional transition metal dichalcogenides)，例如 MoS2和 WSe2，在一定程度上具有吸引力，因為它們避免了這種限制。由于沒有平面外懸空鍵和原子光滑的界面（With no out-of-plane dangling bonds and atomically smooth interfaces），TMD 即使在亞埃厚度下也能避免散射引起的遷移率下降。

盡管如此，TMD 仍代表著硅甚至硅鍺現狀的根本改變。材料生長、觸點形成和器件制造都不同于相應的硅工藝。目前，基礎材料研究和器件開發并行進行。在實驗室設備中獲得良好結果的材料和工藝可能不適合批量生產。

例如，迄今為止大多數 TMD 設備演示都依賴于層轉移（layer transfer ）技術。這種方法從一個獨立的薄膜開始，它可以生長在藍寶石等兼容基板上，也可以從大塊材料上剝離下來。可以使用幾種方法中的任何一種將膜轉移到可能已經包括底柵結構的準備好的目標襯底。

層轉移帶來了明顯的成本和產量挑戰。在 12 月的 IEEE 國際電子器件會議 (IEDM) 上展示的工作中，英特爾的 CJ Dorow 及其同事表明，單柵極 MoS2器件的性能因轉移過程而下降。他們在源極和漏極區域觀察到 TMD 分層。去掉的低 k 電介質層也在 TMD/氧化物界面留下殘留物。半導體晶圓廠更喜歡更“類硅”工藝的靈活性和成本效益，TMD 直接沉積在目標基板上。

一般而言，TMD 生長需要在薄膜質量和最小化溝道厚度的需求之間進行權衡。原子級沉積 (ALD) 電介質和通過化學氣相沉積 (CVD) 生長的 TMD 都容易出現針孔和其他缺陷。盡管如此，在 12 月的 IEEE IEDM 上發表的幾篇論文表明，該行業正在朝著直接沉積 TMD 的方向取得進展。例如，北京大學的 Xinhang Shi 及其同事使用低壓 CVD直接在 SiO2上生長 WSe2雙層。非常高的溫度過程 (890°C) 使器件具有425 μA/μm 的創紀錄高 Ids。薄膜特性與氧化物厚度無關。或者，臺積電的 Yun-Yan Chung 及其同事使用鎢墊作為 WS2生長的種子層，構建具有兩個和三個堆疊溝道的設備

圖 1：完全被柵極堆疊包圍的單層 MoS2 納米片的 TEM 橫截面。較小的圖像顯示 EDX 元素映射。

用于摻雜和閾值電壓控制的電介質

完整的 CMOS 工藝不僅僅是簡單地沉積溝道材料。該過程還必須促進空穴和電子傳導。在 TMD 中，摻雜、電介質沉積和 Vth Tuning彼此密不可分。由于目前不可能對半導體本身進行摻雜，因此器件依靠覆蓋層來調節傳導并提供 nFET 或 pFET 行為。即使確定了合適的材料，TMD 表面的二維特征也會使覆蓋層沉積復雜化。除了晶界和其他缺陷外，沉積氧化物的潛在成核位置非常少。

WSe2是一種雙極性材料，這意味著費米能級在施加電場的情況下在價帶和導帶之間移動。因此，相同的材料可以傳導電子或空穴

臺積電的幾個不同小組一直在從不同角度研究WSe2傳導和摻雜。一組使用氧等離子體將WSe2半導體單層轉化為Ox。該過程是自限性的，不影響底層的WSe2材料，最終的摻雜水平取決于起始材料中的層間耦合。較厚的起始材料具有較高的價帶邊緣，從而在轉化為氧化物后導致更高的摻雜。在 Ang-Sheng Chou 介紹的工作中，另一個 TSMC 小組將 MoO x蓋層用于 pFET 器件和 SiON x對于 nFET 器件。連同下面討論的新穎接觸技術，這些覆蓋層提供了一些迄今為止最好的 TMD 晶體管結果。

在普渡大學，研究人員使用六方氮化硼 (hBN：hexagonal boron nitride) 作為界面層以促進電介質沉積。他們的工作強調了“缺陷”（defects）和“陷阱”（traps）之間的區別。正如他們所解釋的那樣，缺陷既可能發生在電介質體內部，也可能發生在電介質——半導體界面處。然而，只有當費米能級穿過缺陷能帶時，缺陷才會變成陷阱。在 hBN 中封裝單層 MoS2降低了亞閾值擺動并增加了V th，這意味著界面陷阱被消除或停用。hBN 層似乎可以阻擋 TMD 薄膜上的吸收物，這是電荷陷阱的潛在來源。

不幸的是，hBN 本身并不是一種合適的電介質。它也是一種類石墨材料，具有弱的面外鍵合，使得直接在 hBN 上生長電介質具有挑戰性。Purdue 小組使用鉭種子層進行電介質沉積。相對于更常見的鋁種子，他們發現亞閾值擺幅退化較少，V th偏移也減少。

圖 2：通過系統地分析關鍵工藝參數，TSMC 的研究人員將鉿基電介質與CVD生長的 MoS2集成在一起，構建了EOT ~1nm和近乎理想的亞閾值擺動的頂柵 nFET。這項工作特別值得注意，因為在 TMD 上沉積無針孔電介質是出了名的困難。

堆疊溝道和接觸

由于需要堆疊溝道，實際設備可能會看到更復雜的工藝。單個 TMD 單層不能承載與硅納米片一樣多的電流，因此設備將需要多個堆疊的 TMD 片。與堆疊的硅納米片一樣，最小化片之間的間距可以減少寄生電容。

圖3：二維MoS2堆疊納米帶結構。

由于 TMD 層非常薄，Yun-Yan Chung 的團隊指出機械穩定性也是一個問題。他們使用犧牲電介質來提高剛度并防止制造過程中下垂。內部墊片和金屬觸點有助于將溝道固定在成品設備中。

自從這些器件被提出以來，TMD 晶體管構造的最后一步，即與電路的其余部分接觸，就受到了廣泛的研究關注。盡管如此，接觸電阻和間隔電阻仍占二維晶體管總器件電阻的 80%，比硅接觸電阻和間隔電阻的貢獻要大得多。最近使用鉍和銻等半金屬的研究為 nFET 提供了良好的結果，但 pFET 觸點仍然是一個未解決的問題。

正如 Ang-Sheng Chou 的團隊所解釋的那樣，大多數提議的接觸都有一個不幸的空穴傳導能帶排列。他們的工作利用了 WSe2的雙極性特性，將單一的銻/鉑堆棧用于 nFET 和 pFET 器件。銻（Sb，功函數 4.4 eV）提供緩沖層，最大限度地減少對底層半導體的損壞。鉑（Pt，功函數 5.6 eV）調節功函數。兩種材料的比例可調，以實現 nFET 和 pFET 所需的功函數。最后，他們報告了電子和空穴的低勢壘高度、低接觸電阻和約 150 μA/μm 的導通電流。

二維半導體的下一步是什么？

與結果本身相比，來自英特爾和臺積電等公司的大量報告表明，基于 TMD 的晶體管是接替硅的重要候選者。雖然在過去幾年中，該行業已經開始闡明此類設備的潛在設計——MoS 2或 WSe 2溝道，具有半金屬接觸——穩健的、可制造的制造工藝尚未出現。

編輯：黃飛

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