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研究背景

随着半导体技术的迅猛发展，硅晶体管技术在亚10 nm节点的应用面临着越来越多的挑战，特别是接近其基本物理极限。在这种背景下，进一步缩小场效应晶体管（FETs）的尺寸迫切需要新的通道材料。二维（2D）半导体因其独特的原子级厚度和高载流子迁移率而引起了科学家的广泛关注。这些特性使得2D半导体有望在短通道FETs中实现更好的静电控制和优异的开启态性能。

然而，由于传统金属物理气相沉积方法引入的非理想界面会导致费米能级钉扎效应，从而引起高接触电阻，限制了这些2D半导体在实际应用中的开启态性能。为了克服这一障碍，研究者们尝试了多种方法改进2D半导体与金属之间的接触界面，包括机械转移金属薄膜、低能量沉积铟或半金属铋以及通过激光诱导或化学处理实现接触相变。尽管如此，目前2D过渡金属二硫化物（TMDs）n型晶体管的总电阻仍大于500 Ω µm，远远未能达到商业先进节点硅晶体管的标准（国际器件与系统路线图要求的250 Ω µm）。

在商业硅晶体管中，为了降低接触电阻，接触结构设计通常包括金属电极、重掺杂源极和漏极扩展区以及金属硅化物薄层（如TiSi或CoSi）。金属硅化物通过在表面硅层上沉积超薄金属层并进行退火形成，作为金属电极和重掺杂硅之间的缓冲层，提高了载流子传输效率，降低了串联接触电阻。这种结构和相应的标准硅化物工艺一直伴随着硅晶体管的缩放，从1970年代的微米节点到今天的最先进节点，遵循了摩尔定律。

研究背景

为了应对2D半导体接触电阻高的问题，北京大学彭练矛院士和邱晨光研究员等人开发了一种金属2D缓冲层，可以夹在金属电极和2D半导体之间。在2D晶体管中，这种缓冲层的作用类似于硅晶体管中的硅化物结构，即提高载流子传输效率。该方法被称为原子层钇掺杂金属接触技术，涉及在局部光刻图案化源极和漏极区域内均匀2D材料的转变。这种金属2D缓冲层和2D半导体之间的范德华（vdW）界面避免了晶格退化，并且不会引入额外的费米能级钉扎。以上成果在Nature Electronics期刊上发表了题为“Yttrium-doping-induced metallization of molybdenum disulfide for ohmic contacts in two-dimensional transistors”的最新论文。

通过这种创新的掺杂方法，研究者们成功地在两英寸化学气相沉积（CVD）晶圆上制作了10 nm通道长度的MoS2晶体管，其表现出优异的性能指标，包括平均接触电阻69 Ω µm、总电阻235 Ω µm、在0.7 V漏电压下开启电流密度1.22 mA µm^–1和跨导3.2 mS µm^–1。这一成果为2D半导体在下一代电子器件中的应用铺平了道路，并提供了一种有效解决高接触电阻问题的新思路。

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研究亮点

（1）实验首次成功采用钇掺杂方法将半导体MoS₂转变为金属态MoS₂。这种方法基于固态源的三步掺杂工艺，包括等离子处理、沉积和退火，从而实现了埃米级的表面掺杂。这种金属态的MoS₂能够充当金属电极与半导体MoS₂之间的金属缓冲层，提高了电荷载流子的传输效率，并显著降低了接触电阻。

（2）实验通过在两英寸化学气相沉积（CVD）晶圆上制备具有自对准、10纳米通道长度的MoS₂场效应晶体管，验证了这种钇掺杂方法的有效性。以下是具体结果：

实验展示了平均接触电阻为69 Ω µm，总电阻为235 Ω µm的MoS₂晶体管。
这些器件在0.7 V漏电压下显示出1.22 mA µm^–1的电流密度，跨导为3.2 mS µm^–1。
实验还表明，这种钇掺杂的金属MoS₂与金属电极和半导体MoS₂之间形成了范德华界面，避免了晶格退化，并且没有引入额外的费米能级钉扎。
与传统金属物理气相沉积方法相比，该方法在提升二维半导体晶体管的开启态性能方面表现出了显著优势。

图文解读

图1：掺杂转变和金属钇Y-MoS2欧姆接触的图示和理论计算。

图2. 原子级层钇Y掺杂金属接触技术的表征。

图3. 弹道MoS2场效应晶体管field-effect transistors，FET结构和接触特性。

图4：MoS2场效应晶体管FET的晶片级制造。

结论展望

本文提出了一种原子层钇掺杂金属接触技术，为克服2D半导体晶体管中的关键问题打开了新的途径。通过引入金属2D缓冲层，成功实现了对n型MoS₂晶体管的可靠范德华欧姆接触，展示了在先进晶体管埃米级节点上实现高性能2D半导体器件的可行性。此外，本文的工作还提示了将这种技术扩展到其他二维材料系统的可能性。尽管还存在诸多挑战，如CVD生长大规模单晶2D材料、提高栅极堆栈结构质量以及开发单片集成制造的互补晶体管等，但本文的研究为未来技术节点中利用2D半导体实现大规模集成电路提供了重要的参考和启示。这一工作不仅推动了2D半导体器件性能的提升，也展示了2D材料在未来电子器件中的广阔应用前景。

文献信息

Jiang, J., Xu, L., Du, L. et al. Yttrium-doping-induced metallization of molybdenum disulfide for ohmic contacts in two-dimensional transistors. Nat. Electron. (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01176-2

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