隨著硅基集成電路進(jìn)入后摩爾時(shí)代，二維過渡金屬硫化物（TMDCs，如MoS?、WS?）憑借原子級(jí)厚度、優(yōu)異的開關(guān)特性和無懸掛鍵界面，成為下一代晶體管溝道材料的理想選擇。然而，金屬電極與二維半導(dǎo)體間的接觸問題一直是制約其發(fā)展的核心障礙——接觸電阻過高（>800 Ω·μm）、費(fèi)米能級(jí)釘扎（FLP）效應(yīng)嚴(yán)重、納米尺度接觸穩(wěn)定性不足，難以滿足先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)需求（IRDS標(biāo)準(zhǔn)要求總電阻≤220 Ω·μm）。本文通過結(jié)合TLM接觸電阻測(cè)試儀對(duì)接觸電阻的提取系統(tǒng)綜述面向硅產(chǎn)線兼容的二維半導(dǎo)體接觸工程技術(shù)，從性能指標(biāo)、關(guān)鍵挑戰(zhàn)到創(chuàng)新解決方案，為未來產(chǎn)業(yè)化提供路線圖。

二維半導(dǎo)體接觸性能的評(píng)價(jià)維度

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符合硅基工藝兼容性要求的二維TMDCs接觸特性示意圖

為匹配硅基工藝要求，論文提出多維度評(píng)價(jià)體系：

• 接觸電阻（RC）：衡量2D TMDCs與金屬電極接觸性能的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響器件性能和功耗，主導(dǎo)器件功耗與驅(qū)動(dòng)電流，需低于117 Ω·μm，常用的RC提取方法有Y函數(shù)法、四探針法和傳輸線法（TLM，目前最常用方法）。
• 接觸尺寸微縮性：決定集成密度，需實(shí)現(xiàn)<12 nm接觸長(zhǎng)度（LC）且避免電流擁擠效應(yīng)；
• 接觸穩(wěn)定性：需耐受后端工藝（BEOL）450℃退火及環(huán)境因素（氧化、濕氣）；
• 電/熱導(dǎo)率：影響信號(hào)傳輸效率與散熱；
• 工藝兼容性：支持8/12英寸晶圓級(jí)制造。

當(dāng)前最優(yōu)Y摻雜MoS?總電阻235 Ω·μm，但仍高于硅基250 Ω·μm的標(biāo)準(zhǔn)，而傳統(tǒng)Au接觸MoS?在LC縮至30nm時(shí)RC激增13倍，凸顯優(yōu)化必要性。

二維半導(dǎo)體接觸的挑戰(zhàn)

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• 費(fèi)米能級(jí)釘扎與非理想載流子注入

(a) 金屬功函數(shù)調(diào)控載流子注入示意圖；(b) FLP效應(yīng)示意圖；(c) Ni/Pd與WSe?的實(shí)際能帶對(duì)齊；(d) Pt/WSe?原子分辨率圖像；(e) Pt接觸多層WSe?的轉(zhuǎn)移曲線；(f) 不同沉積壓力下的RC對(duì)比

界面缺陷（硫空位、金屬擴(kuò)散）引發(fā)強(qiáng)烈FLP效應(yīng)，使肖特基勢(shì)壘高度（SBH）偏離理論值。例如Ti/MoS?接觸中，F(xiàn)LP導(dǎo)致實(shí)際SBH固定在0.15 eV附近，與金屬功函數(shù)無關(guān)，電子注入效率降低60%。

• 超薄層摻雜困境

(a) 界面缺陷示意圖；(b) Ti/Au電極沉積引起的MoS?界面無序；(c) 不同金屬電極與MoS?的FLP效應(yīng)；(d) 不同金屬與MoS?的vdW接觸電阻；(e) Ni原子取代摻雜示意圖；(f) Ni摻雜前后MoS?晶體管的傳輸曲線

硅基重?fù)诫s技術(shù)無法移植：離子注入破壞單層TMDCs晶格，摻雜濃度難超1013 cm?2；表面吸附摻雜（如K/NO?）穩(wěn)定性差，易在空氣中失效。

• 尺寸微縮與穩(wěn)定性矛盾

熱穩(wěn)定性：低熔點(diǎn)金屬接觸（Bi/In）RC可低至42 Ω·μm，但熔點(diǎn)<300℃，無法承受BEOL工藝；電化學(xué)穩(wěn)定性：Ti/Ni電極易氧化，Cu擴(kuò)散導(dǎo)致界面降解。

硅工藝兼容的接觸工程突破

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• 接觸電阻優(yōu)化

低熔點(diǎn)金屬的vdW接觸：(a) In/MoS?vdW接觸TEM圖；(b) TLM提取RC；(c) MoS?FET轉(zhuǎn)移特性；(d) Bi接觸MoS?示意圖；(e) 半金屬-半導(dǎo)體態(tài)密度示意圖；(f) Bi-MoS?的TLM曲線；(g) Sb(01?12)接觸示意圖；(h) Sb-MoS?能帶結(jié)構(gòu)；(i) 20nm LC器件的轉(zhuǎn)移特性

范德華接觸：通過轉(zhuǎn)移金屬電極或低溫沉積低熔點(diǎn)金屬（In、Bi），實(shí)現(xiàn)原子級(jí)銳利界面，避免FLP效應(yīng)。Bi/MoS?接觸電阻RC僅123 Ω·μm，接近量子極限。

通過緩沖層優(yōu)化RC：(a) 金屬/緩沖層/MX?結(jié)構(gòu)示意圖；(b) h-BN緩沖層器件SEM圖；(c) h-BN厚度對(duì)SBH的調(diào)控；(d) 石墨烯接觸能帶對(duì)齊；(e) 石墨烯混合接觸器件示意圖；(f) 80nm MoS?晶體管轉(zhuǎn)移曲線；(g) 二維半金屬功函數(shù)總結(jié)；(h) 1T'-WS?接觸WSe?器件光學(xué)圖；(i) 器件轉(zhuǎn)移曲線

緩沖層工程：插入h-BN/石墨烯層抑制金屬誘導(dǎo)間隙態(tài)（MIGS），使SBH從158 meV降至31 meV。

摻雜工程優(yōu)化接觸：(a) Cl摻雜示意圖；(b) WS?/MoS?接觸電阻；(c) NO?摻雜示意圖；(d) WSe?摻雜前后轉(zhuǎn)移曲線；(e) Y摻雜MoS?晶體管示意圖；(f) 亞50nm器件總電阻對(duì)比

相變摻雜：Y原子誘導(dǎo)MoS?從半導(dǎo)體相（2H）向金屬相（1T）轉(zhuǎn)變，形成歐姆接觸，總電阻235 Ω·μm且支持晶圓級(jí)加工。

• 尺寸微縮：邊緣接觸的突破性進(jìn)展

二維TMDCs邊緣接觸：(a) 接觸電阻對(duì)器件性能的影響；(b,c) 邊緣接觸與頂部接觸電流對(duì)比；(d) 二維材料分裂示意圖；(e) 多層材料邊緣載流子分離注入；(f) 單層MoS?邊緣接觸器件；(g,h) 輸出特性與RC值

傳統(tǒng)頂接觸在LC<100 nm時(shí)RC呈指數(shù)增長(zhǎng)，而邊緣接觸通過側(cè)向載流子注入規(guī)避該問題：氬等離子體刻蝕 MoS?，Ni邊緣接觸實(shí)現(xiàn) 20 nm LC，電流密度達(dá)1.23 mA/μm（ @1V ）；多層TMDCs邊緣接觸呈現(xiàn)雙極傳輸特性，為互補(bǔ)邏輯設(shè)計(jì)提供新思路。

• 穩(wěn)定性提升：高熔點(diǎn)材料與封裝策略

接觸界面穩(wěn)定性優(yōu)化：(a) 石墨烯全轉(zhuǎn)移接觸器件；(b) 器件綜合特性；(c) 不同接觸退火性能對(duì)比；(d) Ti高溫?cái)U(kuò)散；(e) Ni接觸退火前后RC變化；(f) Ag接觸RC退火變化

合金電極：Sn/Au形成Au0.88Sn0.12（熔點(diǎn)521℃），將熱預(yù)算提升至400℃；全范德華封裝：石墨烯/Au電極在350℃退火后性能衰減<5%，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)Ti/Au。接觸電阻優(yōu)化已逼近硅基水平：通過摻雜工程（Y/Cl）和半金屬接觸（Sb/Bi），成功將RC降低至42–235 Ω·μm，部分超越硅基節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。邊緣接觸技術(shù)更突破尺寸縮放極限，LC縮至5nm仍保持優(yōu)異電學(xué)性能。下一步需重點(diǎn)解決熱穩(wěn)定性協(xié)同優(yōu)化與晶圓級(jí)摻雜均一性問題，以滿足后摩爾時(shí)代集成電路需求。