2D過渡金屬二硫族化物(TMD)材料可望實現更小尺寸、更高性能的電晶體
2D TMD（二硫化钼/二硒化钨）核心耗材：高纯钼系、钨系、硒系前驱体雅克科技：布局钼、钨等金属有机源（MO源）及High-k前驱体，为台积电、三星、海力士等配套研发。针对二硫化钼（n型）与二硒化钨（p型）的ALD沉积，以及氧化铝/氧化铪界面钝化保护层，公司的高纯钼/钨前驱体已进入核心客户的质量评估与验证阶段，配套TMD固态前驱体用的SFS（安全输送系统）传输设备也已完成样机交付。此外，公司用于3D DRAM/HBM/GAA/CFET及背面供电（BSPDN）等先进架构的铪、铝、钌、钴、钛、镧、钇等相关High-k介质及金属电极前驱体材料，在宜兴二期等扩产项目中已有全面覆盖。
金钼股份：钼行业绝对龙头，掌控上游核心钼资源并具备高纯钼化工深加工能力。二硫化钼（MoS2）作为最主流的n型TMD沟道材料，其规模化量产将显著提升半导体级高纯钼化合物的战略需求；叠加此前SK海力士在375层NAND中用钼替代钨作为字线（电阻率更低、成本更优），钼在先进半导体领域的“双轮驱动”需求爆发，公司具备向半导体级高纯钼源延伸的巨大潜力与资源壁垒。
中船特气：作为国内电子特气龙头，其高纯六氟化钨（WF6）等钨系特气是沉积二硒化钨（WSe2，主流p型TMD材料）及高功函数钨电极的核心气源；同时，TMD单原子层特性对精准刻蚀和腔体清洗提出了苛刻要求，公司的三氟化氮（NF3）及各类含氟刻蚀气体将深度受益于2D材料先进制程的扩产。
2D二维半导体技术稳步推进
二硒化钨、二硫化钼这类材料，被视为大尺寸微缩全环绕栅极（GAA）晶体管中硅材料的潜在替代者。作为二维材料，它们不存在面外悬空键，因此不易出现界面散射问题 —— 而该问题正是导致超薄硅沟道中载流子迁移率下降的主要原因。
不过，这类二维材料也带来了诸多棘手的技术挑战。由于其表面无成键位点，与相邻层之间通常仅依靠作用力较弱的范德华力结合，不仅附着性较差，电极处的能垒也相对较高。要将过渡金属二硫族化合物成功集成至芯片制造流程，大概率需要对传统的 CMOS 工艺进行大幅改造。
硅基衬底直接生长技术
过渡金属二硫族化合物集成应用的首要且最紧迫的问题，便是材料制备。目前，在蓝宝石等衬底上生长这类材料的技术已相对成熟，许多关于过渡金属二硫族化合物晶体管的研究，都会将制备好的薄膜转移至硅片上进行后续加工。但层转移技术的规模化应用难度较大，半导体代工厂更倾向于在最终衬底上直接生长材料，从而规避薄膜转移带来的复杂操作、污染风险以及较高的成本。
遗憾的是，过渡金属二硫族化合物的化学气相沉积工艺往往需要 600℃以上的高温，这会对底层的介质表面造成损伤；且这类材料在后续加工中，也易受到等离子体的破坏。同时，热膨胀系数的不匹配性，会进一步削弱本就不佳的附着性能，最终导致沉积的薄膜发生分层。
研究人员正通过多种方式解决上述问题。在去年 12 月的国际电子器件会议（IEDM）上，三星的柳辉济团队公布了一项研究成果：他们在二硫化钼沟道表面沉积了一层超薄钝化氧化物。该团队表示，这层氧化物既能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氧渗透性。通过向过渡金属二硫族化合物中掺入氧元素，三星团队实现了沟道区域边缘的选择性氧化，氧化区域与衬底、沟道之间形成的强化学键，有效防止了薄膜分层。该团队还研发出一种选择性生长技术，大幅降低了二硫化钼生长所需的时间和热预算。
法国原子能委员会 - 里昂电子与信息技术研究所（CEA-Leti）与英特尔的西尔万・巴罗团队，则采用了 “后沟道” 集成方案，该方案可保留硅基全环绕栅极晶体管的大部分传统工艺流程。研究人员先制备出硅 / 硅锗多层堆叠结构，完成器件加工直至替换金属栅极和自对准电极刻蚀步骤；随后按照传统全环绕栅极工艺的流程，移除原有沟道，通过原子层沉积（ALD）技术，在 n 型场效应晶体管中填充二硫化钼、在 p 型场效应晶体管中填充二硒化钨，最后再制备栅极介质层。
图 1：硅沟道移除后，在横向空腔内沉积的二硫化钼薄膜来源：国际电子器件会议（IEDM）
半导体沟道制备完成后，与金属电极、周边介质层的界面接触，成为影响器件性能的又一关键因素。由于沟道仅有一到两个单原子层厚，任何表面损伤和污染都可能对器件造成致命影响。
比利时微电子研究中心（imec）的昆汀・斯梅茨团队，在沉积过渡金属二硫族化合物后，先制备氧化铝层，再沉积二氧化铪介质层。其中氧化铝层不仅能保护二硫化钼沟道，还能作为二氧化铪沉积的附着层和籽晶层。研究人员通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD），在 400℃条件下沉积二氧化硅覆盖层，该过程可使二氧化铪发生部分晶化，而氧化铝层则不受影响，因此氧化铝层的刻蚀速率会显著提升。这一选择性刻蚀技术，为多个工艺步骤提供了实现可能，包括电极的凹槽刻蚀、顶栅的氧化物替换工艺，以及从栅极堆叠结构中移除氧化铝层。
台积电的洪泰伦团队指出，目前 p 型金属氧化物半导体（PMOS）过渡金属二硫族化合物器件的电极，其实际性能与理想特性之间仍存在巨大差距。高功函数金属虽能帮助降低接触电阻，但替位掺杂技术能提供更稳定、灵活的解决方案。该团队发现，钯 / 二硒化钨电极的界面处存在大量硒空位，而磷掺杂剂可填补这些空位，从而优化电极性能。
互补逻辑与异质互补场效应晶体管
尽管衬底直接生长的器件设计技术不断取得进展，但互补逻辑电路的制备，同时需要 n 型和 p 型沟道材料。目前，二硒化钨是主流的 p 型过渡金属二硫族化合物半导体，而二硫化钼则是主流的 n 型材料，通过直接生长技术将两种材料制备在同一硅片上，仍是一大技术难题。
复旦大学的周鹏团队则彻底规避了这一问题：他们以蓝宝石为衬底，采用铝栅极和金栅极的二硫化钼晶体管，同时制备出增强型和耗尽型器件，并成功研制出一款功能性微处理器 —— 该处理器集成了近 6000 个晶体管和四层金属布线。
多个研究团队正探索将层转移技术应用于异质垂直互补场效应晶体管（CFET）结构。周鹏团队除了开展二硫化钼直接生长的相关研究，还通过层转移技术，将 n 型二硫化钼晶体管堆叠在 p 型绝缘体上硅（SOI）器件之上，制备出的互补场效应晶体管反相器，在增益和功耗方面的表现均优于纯硅基和纯二维材料的互补场效应晶体管反相器。
普渡大学的蔡军团队则致力于降低源极 / 漏极重叠区域的寄生电容。在硅基器件中，该问题通常通过掺杂来降低源极 / 漏极延伸区的电阻解决；而蔡军团队另辟蹊径，将化学气相沉积制备的石墨烯转移至预制的二氧化铪层上，通过等离子体刻蚀形成电极延伸区，再将化学气相沉积制备的二硫化钼单原子层转移并图案化，最终形成沟道区域。
图 2：采用石墨烯电极延伸区的二硫化钼双栅极场效应晶体管（示意图及伪彩色扫描电镜图像）来源：国际电子器件会议（IEDM）
斯坦福大学的宋永洙团队则提出，散热问题同样亟待解决。过渡金属二硫族化合物的面外热导率极差，而二氧化铪也属于热的不良导体，器件产生的热量几乎只能通过金属电极和电路的其他布线进行传导。模拟实验显示，环绕式电极的散热性能优于边缘电极，但即便采用环绕式电极，过渡金属二硫族化合物器件的温升仍是同类硅基器件的三倍。研究人员发现，向多层过渡金属二硫族化合物电极中嵌入锂元素后，散热性能得到明显改善。
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