二维半导体，稳步前行

过渡金属硫族化合物（TMD）从最初只能通过机械剥离获得薄片的研究阶段，至今已取得长足进步，但距离真正量产仍有很长的路要走。

二硒化钨（WSe₂）、二硫化钼（MoS₂）等材料被视为在高度微缩的环绕栅极（GAA）晶体管中替代硅的潜在方案。它们属于二维材料，不易发生界面散射。而在极薄硅沟道中，界面散射会显著降低载流子迁移率。

不过，这类材料也面临诸多严峻挑战。由于缺乏表面化学键，层与层之间通常依靠相对较弱的范德华力结合，附着力差，且接触界面的势垒可能偏高。想要成功集成TMD，很可能需要对传统CMOS工艺做出大幅改动。

在硅片上直接生长

TMD集成首先亟待解决的问题之一是材料制备。在蓝宝石等衬底上生长 TMD 的技术已相对成熟，许多 TMD 晶体管研究都会将薄膜转移到硅片上进行后续加工。但层转移技术难以规模化，商用晶圆厂更希望在最终衬底上直接生长，以避免复杂的工艺操作、污染风险以及转移薄膜带来的较高成本。

遗憾的是，TMD 的化学气相沉积（CVD）通常需要600°C 以上的高温，这可能破坏下方的介电层表面。TMD 本身在后续工艺中也容易受到等离子体损伤。此外，热膨胀失配会进一步削弱本就不佳的附着力，导致沉积薄膜分层。

研究人员正通过多种方式解决这些问题。在去年 12 月的 IEEE 电子器件会议（IEDM）上，三星的 Huije Ryu 及其团队在 MoS₂沟道上方沉积了一层薄的钝化氧化物。该团队表示，这层薄膜能够保护二维材料及其界面免受损伤与污染。同时，足够薄的氧化层可让氧气渗透，通过将氧扩散进 TMD 材料，团队对沟道区边缘进行了选择性氧化。氧化区、衬底与沟道之间形成的强键合有助于防止分层。该团队还展示了一种可缩短 MoS₂生长时间、降低热预算的选择性生长技术。

法国原子能和替代能源委员会电子与信息技术研究所（CEA-Leti）与英特尔的 Sylvain Barraud 等人采用 “后沟道” 集成方案 ，保留了大部分硅基 GAA 晶体管工艺流程。他们先制备 Si/SiGe 多层堆叠结构，并完成器件加工直至替换金属栅极与自对准接触刻蚀步骤。随后，与传统 GAA 工艺类似，他们移除原有沟道，并用原子层沉积（ALD）的 MoS₂作为 n 型场效应管（nFET）沟道、WSe₂作为 p 型场效应管（pFET）沟道进行填充，再沉积栅极介电层。

接触工艺

半导体沟道制备完成后，与接触金属及周边介电层的界面成为决定器件性能的下一个关键因素。由于沟道仅为单原子层或双原子层厚度，表面损伤与污染可能造成毁灭性影响。

比利时微电子研究中心Quentin Smets 等人在 TMD 沉积后，先制备氧化铝，再沉积氧化铪（HfO₂）介电层。氧化铝层既保护了 MoS₂沟道，也作为 HfO₂沉积的黏附层与籽晶层。在 400°C 下通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备的 SiO₂盖帽层，可使 HfO₂部分晶化，而氧化铝不受影响。因此氧化铝的刻蚀速率远快于 HfO₂。这种选择性刻蚀技术可支持多项工艺步骤，包括接触孔凹陷刻蚀、顶栅替换氧化物工艺，以及从栅极堆叠中去除氧化铝。

台积电的 Terry Hung 等人指出，目前p 型 TMD 器件的接触是理想特性与实际性能差距最大的环节。尽管高功函数金属有助于降低接触电阻，但替位式掺杂能提供更稳健、更灵活的解决方案。台积电团队发现，Pd/WSe₂接触界面存在大量硒空位，可由磷掺杂原子填充。

互补逻辑与异质集成互补场效应晶体管（CFET）

尽管直接生长的器件设计不断取得进展，但互补逻辑电路需要同时具备 n 型与 p 型沟道材料。目前，WSe₂是最具前景的 p 型 TMD 半导体，MoS₂则是最具前景的 n 型材料。通过直接生长在同一片晶圆上集成两种材料仍极具挑战。上海复旦大学周鹏等人完全避开了这一难题，采用铝栅与金栅的 MoS₂晶体管分别制备增强型与耗尽型器件，并在蓝宝石衬底上实现了包含近 6000 个晶体管与四层金属布线的可运行微处理器。

多个研究团队正探索面向异质集成垂直 CFET 结构的层转移方案。除了直接生长 MoS₂的工作，周鹏团队还通过层转移工艺将 n 型 MoS₂晶体管堆叠到 p 型绝缘体上硅（SOI）器件之上。所制备的 CFET 反相器在增益与功耗方面均优于纯硅 CFET 与纯二维材料 CFET。

美国普渡大学的Jun Cai等人致力于降低源漏交叠区的寄生电容。在硅基器件中，这一问题通常通过掺杂降低源漏延伸区电阻来解决。而普渡大学团队将 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延伸区，随后转移并图形化 CVD 生长的 MoS₂单原子层，形成沟道区。

力学、热学特性与未来前景

随着研究人员开始制备接近可制造结构的器件，评估其力学与热学特性成为可能。Hung 指出，尽管 TMD 块体材料强度较高，但在单原子层厚度下，即使是高强度材料也可能需要额外支撑。研究发现，MoS₂双层、三层结构的机械稳定性明显优于单层。

斯坦福大学的 Young Suh Song 等人也指出，散热同样是一大隐患。TMD 的面外导热性能极差，而 HfO₂也是不良热导体，几乎所有热量都只能通过金属接触与电路布线散发。仿真结果显示，环绕接触的热性能优于边缘接触。即便如此，采用环绕接触的 TMD 器件温升仍达到同规格硅基器件的三倍。将锂嵌入多层 TMD 接触中可获得更优结果，温升仅比硅沟道器件高 50% 以内。

二维半导体最初仅作为科研新奇材料出现，如今已发展到可被认真视作硅材料继任者的阶段。但在真正进入量产之前，仍存在诸多基础问题待解决。硅基CFET本身已面临巨大挑战，而二维半导体则带来了全新的材料、工艺与大量未知因素。