CN103928340A - 一种直接生长二维的二硫化钼背栅器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于二维材料基集成电路制造技术领域，具体为一种直接生长二维的二硫化钼背栅器件的方法。本发明在高掺硅上有一层二氧化硅薄层作为衬底，利用掩模板，采用物理气相沉积的方法在衬底上淀积薄钼，然后在钼的两边淀积一些不联系的铜斑点。利用钼薄膜，在衬底上生长二硫化钼；利用两边的铜，生长石墨烯。生长的石墨烯与二硫化钼相连，作为电极；在二硫化钼上生长氮化硼作为保护层，最后形成二维的二硫化钼背栅器件。本发明方法可以直接生长出二维的二硫化钼背栅器件，不需要经过光刻等工艺步骤，方法简单方便，制备的器件性能良好。可以作为制备二维材料器件的基本方法。

Description

一种直接生长二维的二硫化钼背栅器件的方法
技术领域
本发明属于碳基集成电路制造技术领域，具体涉及一种直接生长二维的二硫化钼背栅器件的方法。
背景技术
随着石墨烯的发现，其有着优良的性能，石墨烯具有室温下高速的电子迁移率200 000 cm2∕V·s、高的理论比表面积2600 m2/g、还具有高热导率3000 W/m·K和出色的力学性能(高模量 1060GPa，高强度 130GPa)，可以作为器件电极和未来下一代半导体行业基础材料。石墨烯（Graphene）是由单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体，是石墨中的一层，图1所示为石墨烯的基本结构示意图。
随着人们对石墨烯的研究，人们也将目光投向与石墨烯结构相似的其他二维材料上，其中二硫化钼就是其中一种二维材料。二硫化钼的结构是六方晶系的一种“三明治”结构，其中分子结构图如图2所示，中间一层为钼原子层，上下两层为硫原子层，整个二硫化钼由单层或多层构成。二硫化钼的性质与石墨烯类似，不过，二硫化钼具有禁带，单层二硫化钼的能带隙达到 1.90 eV，可以用来制备器件。另外，二硫化钼以其独特的“三明治夹心”层状结构在润滑剂、催化、能量存储、复合材料等众多领域应用广泛。
对于制备二维的二硫化钼器件有着重大的意义，可以大大缩小器件的面积，提高器件的性能。将二硫化钼应用到半导体行业将大大推动半导体行业的发展。对于一个器件，其沟道与电极都应用到二维材料，以其独特的性质，可以很大提高器件的性能。同时以二维的氮化硼作为二硫化钼的保护层，将进一步推动器件的性能，免受器件外界其他因素的影响和退化。另外制备器件，大多需要用到光刻，工艺步骤复杂，没有直接通过生长材料就可以制备器件。
本发明通过直接生长二维材料来直接制备出器件，简化工艺步骤，从而提供一种新的制备器件的方法。通过生长二硫化钼和石墨烯，生长的石墨烯与二硫化钼相连，作为二硫化钼器件的电极；然后生长氮化硼作为二硫化钼的保护层，提高器件性能和防止器件性能的退化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、器件性能优良的二维二硫化钼背栅器件的制备方法。
本发明方法可以在二硫化钼外延生长出石墨烯，生长的石墨烯与二硫化钼相连，作为器件的电极；在二硫化钼上生长二维材料氮化硼作为保护层，使二硫化钼免受其他的污染，保护其性能。
本发明提出的一种直接生长二维的二硫化钼背栅器件的方法，具体步骤为：
（1）提供生长有二氧化硅的高掺硅衬底；
（2）利用掩膜板，在衬底上淀积钼薄块和在其两边淀积不连续的铜斑点；
（3）利用化学气相沉积方法，在经上述处理的衬底上生长二硫化钼；
（4）利用化学气相沉积方法，在经上述处理的衬底上生长石墨烯作为器件电极；
（5）在二硫化钼上生长氮化硼，作为保护层，最后形成器件。
进一步地，所述的提供生长有二氧化硅的高掺硅衬底样品应十分平整和光滑，表面经过抛光处理。之后要对样品进行清洗，使衬底干净光滑，没有玷污。接着在衬底上淀积钼薄块，作为生长二硫化钼所需的原料。衬底上淀积铜斑点，作为生长石墨烯所需的成核位点。首先生长二硫化钼，再生长石墨烯。这其中，用到淹没板，需要设计好，设计足够多的铜斑点，不连续，为形成大面积连续的石墨烯电极提供足够多的成核位点，好在二硫化钼的两边上生长上连续的石墨烯作为电极。其中二硫化钼的边缘处的悬挂键也为生长石墨烯提供方便。
本发明方法生长出两种二维材料，而且这两种二维材料相连，制备形成器件；接着在二硫化钼上生长上二维的氮化硼材料，为器件提供保护层，可以提高器件的性能和寿命。本发明直接生长二维的二硫化钼背栅器件，方法简单方便，减少工艺步骤，提高器件性能，改善电极接触电阻，保护器件和提高器件的使用寿命，可以作为新型制备二硫化钼和二维材料器件的一种基本方法。
附图说明
图1为石墨烯基本结构示意图。
图2为二硫化钼基本结构示意图。
图3至图6为本发明提供一种直接生长二维的二硫化钼背栅器件过程示意图。
图7为本发明操作流程图。
具体实施方式
本发明提出一种直接生长二维的二硫化钼背栅器件的方法。这种通过直接生长制备二维的二硫化钼背栅器件的方法，工艺步骤简单，不需要光刻等复杂工艺步骤，直接生长出二维的二硫化钼和石墨烯，其中生长的石墨烯与二硫化钼相连，作为器件的电极，最后在二硫化钼上生长氮化硼作为其的保护层，保护器件性能。以下所述的是采用本发明所提出直接生长二维的二硫化钼背栅器件的实施例。
在图中，为了方便说明，结构大小和比例并不代表实际尺寸。
首先，提供衬底样品，其为在高掺硅（Si）上生长一层50nm厚度的二氧化硅(SiO2 )薄膜101, 对二氧化硅（SiO2）101样品进行清洁处理，使其表面干净光滑平整，没有杂质，颗粒，残留试剂等，没有玷污。其中二氧化硅衬样品俯视图如图3中的101所示。
接着，利用掩膜板，利用物理气相沉积在二氧化硅101衬底上淀积上10nm厚度的钼薄块。具体步骤为。当反应腔中真空度达到5.3×10-3 mbar,开始在淀积钼，其中样品旋转为40转每分钟，淀积50秒。淀积结束后，形成钼薄块102。同样的方法，在钼薄块102的两边，淀积上10nm厚度的不连续的铜斑点103，这些不连续的铜斑点作为生长石墨烯的成核位点，足够多，使得石墨烯生长连续。钼薄块102和铜斑点103如图4所示。
接着，开始生长二硫化钼和石墨烯。先进行二硫化钼的生长，将样品放入石英管反应炉中，开始加热石英管到750度，其中通入氩气，流量为300sccm，压强维持在1Torr。35分钟加热后，通过另一个加热区域将硫粉加热到120度，通过氩气将硫蒸汽引入到样品处，反应15分钟，关闭硫处加热，整个石英管一直维持着300sccm的氩气氛围。冷却石英管至室温，生成二硫化钼104，如图5所示。
接着，生长石墨烯。通入氩气，300sccm氩气，加热反应炉，待温度上升到960度，稳定后，通入8sccm氢气，甲烷5sccm,反应5分钟。快速冷却，最后待样品冷却至常温，取出样品。通过铜斑点作为成核位点，和二硫化钼边缘处的悬挂键，生成连续的石墨烯，而且与二硫化钼相连。生长的石墨烯105，如图5所示。
接着，可以在二硫化钼上生长氮化硼薄膜作为其保护层。使用氨硼烷(NH3−BH3)作为前驱体，放在低温加热区，将氨硼烷加热130度，将气体引入到样品处，待反应15分钟，快速冷却，取出样品。在二硫化钼上生长上氮化硼105如图6所示。
如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (2)

1. 一种直接生长二维的二硫化钼背栅器件的方法，其特征在于具体步骤为：
（1）提供生长有二氧化硅的高掺硅衬底；
（2）利用掩膜板，在衬底上淀积钼薄块和在其两边淀积不连续的铜斑点；
（3）利用化学气相沉积方法，在经上述处理的衬底上生长二硫化钼；
（4）利用化学气相沉积方法，在经上述处理的衬底上生长石墨烯作为器件电极；
（5）在二硫化钼上生长氮化硼，作为保护层，最后形成器件。
2. 根据权利要求1所述方法，其特征在于所述的二氧化硅衬底表面先要经过抛光处理，并进行清洗，去除表面的杂质、颗粒、残留试剂，使衬底表面干净，平整光滑，没有玷污；利用掩膜板，在衬底上淀积钼薄块和在其两边淀积不连续的铜斑点。
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