范德华间隙场效应晶体管及其制备方法

1.本发明属于微电子科学技术领域，具体涉及一种基于过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙场效应晶体管及其制备方法。


背景技术：

2.随着传统的硅基晶体管不断微缩，摩尔定律正面临极限挑战，急需探索新的几何结构和新型材料代替。二维材料(例如二硫化钼(mos2)、二硫化钨(ws2)等)因单原子层厚度和独特的物理属性引起了科学界及工业界的极大关注，在制备高性能晶体管、新型光电器件及电逻辑器件等方向有着巨大的潜在应用前景。但二维材料表面缺乏悬挂键，高质量的栅极介电质沉积是基于二维材料晶体管制备过程中面临的重大挑战，为了实现大规模的工业应用，如何在确保材料无损的情况下制备均匀高质量栅极介电质薄膜是二维材料从实验室转型到工程应用的关键。
3.近年来，现有技术中提出了多种解决方案，例如通过预沉积金属创造成核点，或是采用插入有机分子作为缓冲层，这些方案都不可避免的导致掺杂和缺陷的引入，致使影响界面状态大大下降。此外，工艺的步骤繁琐也是不利于降低生产成本的重要因素。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，探索一种高质量的栅极介电层制备工艺，在避免材料无损伤的同时，简化复杂的工艺过程带来的不可控掺杂影响，并且极大地发挥出材料的本征性能是本发明的出发点，也是最终目标。本发明提出了一种基于过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙场效应晶体管及其制备方法。
5.一种范德华间隙场效应晶体管，所述晶体管具有过饱和氧增大物理吸附界面，包括衬底，在所述衬底上形成半导体沟道层，栅极介电层位于所述半导体沟道层上方并与之交叠，所述栅极介电层通过将二硫化铪氧化成二氧化铪制成。
6.可选的，所述半导体沟道层与栅极介电层之间由范德华力作用形成物理堆叠；在所述半导体沟道层的两端和栅极介电层上形成金属电极；所述半导体沟道层与栅极介电层十字交叉；在臭氧处理机中对二硫化铪实现富氧环境全覆盖，二硫化铪被氧化成二氧化铪，同时过饱和的氧原子增大半导体沟道层与栅极介电层间的范德华间隙。
7.一种范德华间隙场效应晶体管制备方法，所述晶体管具有过饱和氧增大物理吸附界面，包括以下步骤：s1：在第一衬底上形成半导体沟道层，获得第一样品；s2：在第二衬底上形成易氧化二硫化铪薄膜，获得第二样品；s3：将第二样品上的二硫化铪薄膜物理转移至所述第一样品的半导体沟道层上，获得第三样品；s4：将所述第三样品放入臭氧处理机形成的富氧环境中进行功能化全覆盖，将所述二硫化铪薄氧化成二氧化铪，从而形成栅极介电层；s5：通过覆胶、曝光在所述半导体沟道层沟道的两端以及所述栅极介电层上形成裸露的电极区域；s6：在所述电极区域上形成金属电极。
8.可选的，所述半导体沟道层与栅极介电层之间由范德华力作用形成物理堆叠；在
所述半导体沟道层的两端和栅极介电层上形成金属电极；所述半导体沟道层与栅极介电层十字交叉；在臭氧处理机中对二硫化铪实现富氧环境全覆盖，二硫化铪被氧化成二氧化铪，同时过饱和的氧原子增大半导体沟道层与栅极介电层间的范德华间隙。
9.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：通过过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙制备晶体管，由于沟道与栅极介电层之间的界面的可靠性，相比与传统沉积方式的晶体管，本发明制备的范德华间隙晶体管的性能得到大幅度的提升。同时，二维尺寸的晶体管制备，满足摩尔定律所预言的特征尺度缩小的发展趋势。本发明提出的基于过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙场效应晶体管，在保持范德华接触的同时，进一步增大其间隙，无损的界面完美的保证沟道材料和栅极介电层的本征特性，这都为高性能晶体管创造了先决条件。此外，本发明中的栅极电介质是通过在富氧环境下hfs2转化而来的hfo2，规避了传统复杂的介电层沉积技术，工艺得到简化，实现在低温条件下制备栅介电质薄膜，减少了掺杂的引入，避免了因掺杂剂随机波动的问题。本发明中，有关范德华间隙的构建是整个结构核心，采用氧化hfs2转化为hfo2高k栅极介电质这种方式可拓展延申至多种半导体材料堆叠而得到无损的界面，不仅仅是应用在晶体管器件上，更是可以满足新型电子器件、光电子器件和逻辑器件等高k栅极介电质沉积且无损界面的需求。
附图说明
10.图1为本发明实施例1中晶体管的结构示意图；
11.图2a、2b为本发明实施例2中步骤s1的示意图；
12.图3为本发明实施例2中步骤s2的示意图；
13.图4为本发明实施例2中步骤s3的示意图；
14.图5为本发明实施例2中步骤s4、s5的示意图；
15.图6为本发明实验例中晶体管的电镜图；
16.图7为本发明实验例中晶体管的拉曼光谱图；
17.图8为本发明实验例中晶体管的特性曲线图；
18.图9为本发明实验例中晶体管的亚阈值摆幅图。
具体实施方式
19.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
20.实施例1
21.首先对本发明中过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙制备晶体管的结构做介绍。参阅图1a、1b，其中包括衬底，为了便于与后续其它衬底相区分，在此将这一衬底称为第一衬底1，第一衬底1例如可以是硅/二氧化硅衬底，或是蓝宝石衬底，当然对本领域技术人员而言也可使用其它类型的衬底，本发明对衬底的类型不做限定。
22.在第一衬底1上形成半导体沟道层2，栅极介电层3位于半导体沟道层2上方并与之
交叠，为便于实验的进行和描述，在本发明中选用适应沟道长度的栅极介电层3与半导体沟道层2十字交叉堆叠。在图1a中半导体沟道层2与第一衬底1直接接触，而栅极介电层3恰好覆盖所需沟道长度的半导体沟道层2并与之相互垂直。半导体沟道层2与栅极介电层3之间由范德华力作用形成物理堆叠。
23.在半导体沟道层2的两端和栅极介电层3上形成金属电极4，在图1中形成有3个金属电极，这些金属电极均与半导体沟道层2以及介电层3相接触。金属电极4分别位于半导体沟道层2的两端和两材料重叠的栅极介电层3的表面，各金属电极4之间互不导电，间隔有效分布。半导体沟道层2的两端电极可以分别是晶体管的源极和漏极，而位于栅极介电层3上的金属电极被定义为晶体管的栅极，其中半导体沟道层2作为载流子传输层，通过栅极介电层3实现顶部栅极静电控制。
24.半导体沟道层2与栅极介电层3选用不同的二维材料，用以转化为栅极介电层3的材料采用易氧化材料二硫化铪(hfs2)，半导体沟道层2可以选用任意有效的二维半导体材料，例如可选用二硫化钼、二硫化钨等，堆叠完成后，放入臭氧处理机中，实现富氧环境全覆盖，易氧化材料二硫化铪被氧化成二氧化铪，这样经过功能化形成栅极介电层，同时过饱和的氧原子增大沟道与栅极介电层间的范德华间隙，保证了界面的无损和半导体沟道材料的本征特征。这样仅仅通过简易的步骤就完成了晶体管的制备，解决了二维材料难沉积高质量栅极介电质的问题，且避免了传统介电层沉积技术带来的高温影响和掺杂，工艺简单。
25.本发明中过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙制备晶体管中第一衬底1为硅/二氧化硅，硅/二氧化硅的厚度分别为550微米和300纳米，其中结构为上为二氧化硅，下为硅，材料剥离于上表面；半导体沟道层2的厚度为1-4nm,宽度为1-5μm；栅极介电层3的厚度为3-5nm。半导体沟道层2和易氧半导体薄膜均由机械剥离得到的，栅极介电层3是通过在富氧环境下功能化而得到。
26.进一步的，金属电极4可以由上下两层构成，上层电极由金(au)构成厚度为50-70nm，而下层电极由铬(cr)构成厚度为10-15nm，下层电极与半导体沟道层2以及栅介质薄膜3相接触。具体用何种金属电极，可以根据半导体沟道层2的功函数来确定，只要所使用的金属电极与半导体沟道层2之间确保没有形成明显的肖特基接触即可。
27.实施例2
28.该实施例重点介绍一种过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙制备晶体管的制备方法，其中过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙制备晶体管具有实施例1中的结构。下面将结合图2a至图5对该实施例中的方法做详细说明，其大致包括以下步骤s1-s6。
29.s1：在第一衬底1上形成半导体沟道层2。
30.参阅图2a与图2b，其中图2b为图2a中沿a-a方向剖视图。第一衬底1可以选用p型掺杂的硅/(300nm)二氧化硅，半导体沟道层2可以选用二硫化钼薄膜，例如选取p型掺杂的硅/(300nm)二氧化硅作为所需衬底，在所述硅基衬底上制备好经机械剥离的1-4nm厚的二硫化钼薄膜，从而得到第一样品。
31.具体的，在该步骤中，先将上表面为二氧化硅的p型掺杂的硅/(300nm)二氧化硅作为衬底，分别放置在丙酮、异丙醇和无水乙醇溶液中各超声清洗5min,以清除其表面的有机杂质及固体颗粒物，然后用纯度为9999％的氮气吹干，随后在加热板以150摄氏度温度彻底烘干残留溶液，保证衬底的高度清洁。
32.二硫化钼薄膜的获得方法是采用机械剥离法，首先将块状二硫化钼块状晶体粘至特效胶带上(例如可以选用3m公司生产的scotch胶带)，反复对折胶带，使得二硫化钼块状晶体在胶带的反复粘粘过程中被撕裂变薄，之后将胶带按压在上述p型掺杂的硅/(300nm)二氧化硅衬底的上表面，静置几分钟后去除胶带即可在衬底上形成不同厚度和宽度二硫化钼薄膜。
33.s2：在第二衬底5上形成易氧化二硫化铪薄膜6。
34.如图3所示，此步骤同s1相似，第二衬底5可以选用p型掺杂的硅/(300nm)二氧化硅，易氧化二硫化铪薄膜6采用半导体沟道层2二硫化铪薄膜，例如选取p型掺杂的硅/(300nm)二氧化硅作为所需衬底，在所述硅基衬底上制备好经机械剥离的3-5nm厚的二硫化铪薄膜，从而得到第二样品。
35.具体的，先将上表面为二氧化硅的p型掺杂的硅/(300nm)二氧化硅作为衬底，分别放置在丙酮、异丙醇和无水乙醇溶液中各超声清洗5min,以清除其表面的有机杂质及固体颗粒物，然后用纯度为9999％的氮气吹干，随后在加热板以150摄氏度温度彻底烘干残留溶液，保证衬底的高度清洁。
36.二硫化铪薄膜的获得方法是采用机械剥离法，首先将块状二硫化铪块状晶体粘至特效胶带上(例如可以选用3m公司生产的scotch胶带)，反复对折胶带，使得二硫化铪块状晶体在胶带的反复粘粘过程中被撕裂变薄，之后将胶带按压在上述p型掺杂的硅/(300nm)二氧化硅衬底的上表面，静置几分钟后去除胶带即可在衬底上形成不同厚度和宽度二硫化铪薄膜。
37.s3：将第二衬底5上的二硫化铪薄膜6物理转移至所述第一衬底1上并与半导体沟道层2交叉堆叠。
38.在此步骤中可以采用物理转移方法将二硫化铪薄6采用机械剥离的方式从第二样品上剥离，之后将剥离的二硫化铪薄膜6转移至第一样品的半导体沟道层2上方并呈现交叉重叠形态，从而得到第三样品。
39.具体的，一并参阅图2a、2b、图4,通过机械剥离制备好的二硫化铪薄膜6，在光学显微镜下寻找合适厚度和宽度的材料后，利用辅助薄膜pva胶膜将其粘起，之后利用物质转移平台，人工对准转移至上述第一样品中的二硫化钼沟道材料(半导体沟道层2)上方并与之交叉，例如使其呈现垂直交叉形态，其间二硫化铪薄6与半导体沟道层2之间以范德华力连接。
40.s4：将第三样品放入臭氧处理机形成的富氧环境中进行功能化全覆盖，从而将二硫化铪薄6氧化形成栅极介电层3并加大范德华间隙，从而获得第四样品。
41.本发明核心在于利用臭氧处理机的富氧环境对二硫化铪薄6进行氧化处理，从而获得基于过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙场效应晶体管，使得二硫化铪薄6氧化为绝缘的二氧化铪从而形成栅极介电层3，可以通过控制不同的放置时间来得到不同的氧化厚度，此实施例中，将完成转移的衬底放入臭氧处理机中实现全氧化，完全形成栅极电介质二氧化铪，达到了带隙增大的效果，保证了后期器件的制备。
42.s5：通过覆胶、曝光在半导体沟道层2沟道两端以及栅极介电层3重叠处形成裸露的电极区域8。
43.在该步骤中，在第四样品表面进行电子束曝光，显影后，使得二硫化钼沟道材料和
二氧化铪栅极介电层3需沉积电极的区域裸露在外，从而得到第五样品。
44.如图5所示，将第四样品放置匀胶机上覆胶，从而在第四样品表面涂覆光刻胶7。具体的，调节转速为600r/min,持续6s后，重新调节转速为4000r/min，持续50s；然后将之放置温度为150℃的加热板上加热固化；此匀胶步骤重复两次，热板放置时间分别为2min和5min。在该步骤中，采用电子束曝光正胶工艺，光刻胶为495型号的pmma。将完成好匀胶的样品进行曝光后，采用自配的显影液mibk:ipa＝1:3进行显影10s，然后用ipa溶液定影后冲洗干净后用上述的氮气吹干，所得到的第四样品的二硫化钼沟道和栅极介电层3需沉积电极区域裸露在外，裸露的区域代表金属电极的形状，未被裸露的区域即代表未被曝光，从而形成裸露的电极区域8。
45.s6：在电极区域8上形成金属电极4。
46.继续参阅图5，在得到的第五样品表面蒸镀上下两层金属，采用先铬后金的顺序得到金属电极层，利用丙酮去除光刻胶后得到基于过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙制备晶体管。
47.具体的，使用热蒸发镀膜系统对第五样品进行蒸镀金属，在本实施例中，首先蒸发10nm厚度的cr,接着蒸发50nm厚度的au，以确保形成良好的欧姆接触。然后将沉积完后的样品放置丙酮溶液中以去除光刻胶后，最后用去离子水冲洗，氮气吹干后即得到了基于过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙制备晶体管。
48.至此，一种基于过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙制备晶体管制备完成。
49.实验例
50.下面借助具体实验来进一步验证本发明所提出的基于过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙制备晶体管制备工艺和方法：
51.一种基于过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙晶体管的制备方法，包括以下步骤：
52.s1、关于衬底的清洗和有效沟道材料的制备。采用表面为二氧化硅的p型掺杂的硅/(300nm)二氧化硅作为实验所用衬底，分别放置在丙酮、异丙醇和无水乙醇溶液中各超声清洗5min,以清除其表面的有机杂质及固体颗粒物，然后用纯度为9999％的氮气吹干，随后在加热板以150摄氏度温度彻底烘干残留溶液，保证衬底的高度清洁。接着，选用3m公司生产的scotch胶带)，反复对折胶带，使得二硫化钼块状晶体在胶带的反复粘粘过程中被撕裂变薄，之后将胶带按压在上述p型掺杂的硅/(300nm)二氧化硅衬底的上表面，静置几分钟后去除胶带即可在衬底上形成不同厚度和宽度二硫化钼薄膜。
53.s2、同s1方法一致制备易氧二硫化铪材料。采用表面为二氧化硅的p型掺杂的硅/(300nm)二氧化硅作为实验所用衬底，分别放置在丙酮、异丙醇和无水乙醇溶液中各超声清洗5min,以清除其表面的有机杂质及固体颗粒物，然后用纯度为9999％的氮气吹干，随后在加热板以150摄氏度温度彻底烘干残留溶液，保证衬底的高度清洁。接着，选用3m公司生产的scotch胶带)，反复对折胶带，使得二硫化铪块状晶体在胶带的反复粘粘过程中被撕裂变薄，之后将胶带按压在上述p型掺杂的硅/(300nm)二氧化硅衬底的上表面，静置几分钟后去除胶带即可在衬底上形成不同厚度和宽度二硫化铪薄膜。
54.s3、将制备好的易氧化材料薄膜物理转移至所述另一衬底上并与半导体沟道材料交叉堆叠；在光学显微镜下寻找合适厚度和宽度的材料后，利用辅助薄膜pva胶膜将二硫化
铪材料粘起，之后利用物质转移平台，人工对准转移至二二硫化钼沟道材料上方并与之交叉，使其呈现垂直交叉形态，便于之后电极的制备，其间以范德华力作用连接。
55.s4、使用臭氧处理机创造的富氧环境将二硫化铪全覆盖氧化，功能化形成栅极介电层二氧化铪并增大范德华间隙。利用臭氧处理机的富氧环境，控制不同的放置时间来得到不同的氧化厚度，将完成转移的衬底放入其中，进行20min的全氧化，完全形成栅极电介质二氧化铪，达到了带隙增大的效果，保证了后期器件的制备。
56.s5、窗口曝光与显影。将臭氧处理好的样品放置匀胶机上覆胶，表面涂覆好光刻胶，匀胶机调节转速为600r/min,持续6s后，重新调节转速为4000r/min，持续50s；然后将之放置温度为150℃的加热板上加热固化；此匀胶步骤重复两次，热板放置时间分别为2min和5min。在该步骤中，采用电子束曝光正胶工艺，光刻胶为495型号的pmma。将完成好匀胶的样品进行曝光后，采用自配的显影液mibk:ipa＝1:3进行显影10s，然后用ipa溶液定影后冲洗干净后用上述的氮气吹干，所得到的第五样品的二硫化钼沟道和栅极介电质薄膜的需沉积电极区域裸露在外，裸露的区域代表金属电极的形状，未被裸露的区域即代表未被曝光，从而形成裸露的电极区域。
57.s6、电极沉积完成器件制备。运用热蒸发镀膜系统对完成显影的样品进行蒸镀金属，首先蒸发10nm厚度的cr,接着蒸发50nm厚度的au以确保形成良好的欧姆接触。然后将沉积完后的样品放置丙酮溶液中以去除光刻胶后，最后用去离子水冲洗，氮气吹干后即得到了基于过饱和氧增大物理吸附界面的范德华间隙晶体管。
58.图6为该实验例所制得的晶体管的截面电镜图，从该图可以看出mos2材料层状分明，表面无损伤。未氧化的hfs2本应有着与mos2相似的层状，而经过氧化过后变成无定形的栅介质薄膜(模糊不清，无条纹)。界面之间依靠范德华力结合(mos2与hfo2之间黑色的缝隙)。图7为晶体管的拉曼光谱图，从图中可以看出每种材料都有各自的特征峰，其中hfs2原本是有峰的，但器件构造完成后，hfs2的特征峰消失，这可以表明hfs2已经全部转化为hfo2。
59.此外，对该实验例制备的晶体管的基本电学特性进行测量，如图8、9所示，通过对转移特性和输出特性的分析可以得到：晶体管的开关比高达108，呈现出可以忽略的回滞特性，阈值电压在-2v左右，代表本发明所制备的晶体管能够在小于3v的小电压范围内正常工作；更重要的是，从图9可以提取到接近室温理论极限的亚阈值摆幅62mv/dec，这说明所制得的晶体管可以适用于各种低功耗的应用。此外，对于未来基于二维材料晶体管的数字逻辑器件来说，晶体管的高开关比无疑是有着巨大潜在应用的。从输出特性可以看出，晶体管有着明显的饱和特性，较大的输出电流可以为之后的逻辑器件提供强大的电流驱动保障。
60.在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。