CN105448743A

CN105448743A - 一种二硫化钼场效应管的制作方法

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Publication number: CN105448743A
Application number: CN201410395317.XA
Authority: CN
Inventors: 李铁; 袁志山; 陈云飞; 王跃林; 倪中华; 易红
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; Southeast University
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; Southeast University
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2034-08-12
Also published as: CN105448743B

Abstract

本发明提供一种二硫化钼场效应管的制作方法。包括：首先提供一包括已经掺杂的硅基体和顶绝缘层的基板，刻蚀所述顶绝缘层形成金属电极填埋窗口；然后在顶绝缘层和金属电极填埋窗口上方沉积金属薄膜；接着利用减薄的方法将顶绝缘层上方金属薄膜去除，得到金属源极和金属漏极；同时可以保持金属电极填埋窗口上方剩余的金属薄膜与顶绝缘层在同一水平高度；在金属源极、金属漏极和顶绝缘层上方制作钝化层，并制作出外接电路窗口和二硫化钼窗口；最后将二硫化钼转移到二硫化钼窗口上，并与金属源极和金属漏极相连接。本发明工艺简单、与CMOS工艺的兼容使其有较好的扩展性，同时可以重复循环使用，在微电子领域和生化检测领域有着较广的使用前景。

Description

一种二硫化钼场效应管的制作方法

技术领域

本发明属于微纳器件制备与应用技术领域，涉及一种纳米薄膜材料的电学检测器件的制作方法，特别是涉及一种二硫化钼场效应管的制作方法。

背景技术

目前，常见的二硫化钼场效应管大多采用电子束光刻和剥离工艺实现的。因为二硫化钼面积小，通过剥离方法得到的二硫化钼转移至氧化硅表面后，通过显微镜观察确定位置后，通过电子束光刻和剥离工艺实现二硫化钼与外界的电连接。B.Radisavljevic等在“Single-layerMoS2transistors”，NatureNanotechnology6(2011.3)147-150一文中制作的单层二硫化钼场效应管是一种典型的二硫化钼场效应管。将利用机械剥离的方法得到的单层二硫化钼转移到氧化硅表面，由于机械剥离得到的二硫化钼尺寸较小，所以只能利用电子束光刻和金属沉积的办法实现二硫化钼与外界的电相连。而普通的光刻技术无法实现精确定位。电子束光刻是一种高成本的图形化技术，同时，在电子束光刻过程中，定位目标二硫化钼也是比较困难的工作。因此，寻求一种简单的二硫化钼场效应管制作方法是实现其应用的前提。为了克服机械剥离方法得到的二硫化钼尺寸较小问题，大尺寸的二硫化钼研究也已经备受关注。CVD方法生长出尺寸较大的二硫化钼薄膜。然后用生长的二硫化钼制作场效应管。该方法依旧是先将二硫化钼置于氧化硅表面，然后光刻、电子光刻、金属沉积和剥离工艺制作出电极。JingZhang等在“Scalablegrowthofhigh-qualitypolycrystallineMoS2monolayersonSiO2withtunablegrainsize.”ACSNano8(6)，(2014)6024-6030一文中就是用该方法制作二硫化钼场效应管的。

除了采用电子束光刻，现有的技术都是先制作好二硫化钼，后制作金属电极。这存在两个问题：首先，制作金属电极会给二硫化钼的性能造成影响，比如前文中B.Radisavljevic等制作的场效应管在电极制作后，需要进行退火处理，去除残留在二硫化钼表面的光刻胶。同时残余的胶会影响器件本身的性能，如特定气体的吸附性等。其次，现有的二硫化钼场效应管的基体均是一次性的，不能循环使用。当二硫化钼失效的时，器件就就不能在使用，这也提高了二硫化钼场效应管的生产成本。尤其可见，如果提出一种工艺简单、制造成本低的二硫化钼场效应管的制造方法，必将具有重要的意义。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种二硫化钼场效应管的制作方法，用于解决现有技术中高成本，不可循环使用的问题，同时实现现有技术与CMOS技术相兼容，能有效降低制造工艺复杂程度问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种二硫化钼场效应管的制作方法，所述制作方法至少包括步骤：

1)提供一包括硅基体和顶绝缘层的基板，刻蚀所述顶绝缘层形成金属电极填埋窗口；

2)在顶绝缘层和金属电极填埋窗口上方沉积金属薄膜；

3)利用减薄的方法将顶绝缘层上方金属薄膜去除，得到金属源极和金属漏极；同时保持金属电极填埋窗口上方剩余的金属薄膜与顶绝缘层在同一水平高度；

4)在金属源极、金属漏极和顶绝缘层上方制作钝化层，并制作出外接电路窗口和二硫化钼窗口；

5)将二硫化钼转移到二硫化钼窗口上，并与金属源极和金属漏极相连接。

可选地，所述步骤1)中采用反应离子刻蚀工艺刻蚀所述顶绝缘层形成金属电极填埋窗口，所述金属电极填埋窗口深度为300～1000nm。

可选地，所述金属电极填埋窗口对称分布于顶绝缘层上，数量大于4对。

可选地，所述顶绝缘层的厚度范围为400～2000nm。

可选地，所述步骤2)中采用的金属薄膜为Ti/Au或者Cr/Au，厚度为300～2000nm。

可选地，所述步骤3)中采用的减薄方法为化学机械抛光。

可选地：所述步骤4)制作外接电路窗口和二硫化钼窗口的步骤包括：

4-1)采用等离子体增强化学气相沉积方法在顶绝缘层和金属电极上方制作出钝化层。

4-2)通过光刻和反应离子刻蚀工艺刻蚀或者腐蚀工艺，并制作出外接电路窗口和二硫化钼窗口。

可选地，所述步骤4)中钝化层材料为氧化硅或者氮化硅，其厚度为200nm～1000nm。

如上所述，本发明的二硫化钼场效应管的制作方法。包括：首先提供一包括已经掺杂的硅基体和顶绝缘层的基板，刻蚀所述顶绝缘层形成金属电极填埋窗口；然后在顶绝缘层和金属电极填埋窗口上方沉积金属薄膜；接着利用减薄的方法将顶绝缘层上方金属薄膜去除，得到金属源极和金属漏极；同时保持金属电极填埋窗口上方剩余的金属薄膜与顶绝缘层在同一水平高度；在金属源极、金属漏极和顶绝缘层上方制作钝化层，并制作出外接电路窗口和二硫化钼窗口；最后将二硫化钼转移到二硫化钼窗口上，并与金属源极和金属漏极相连接。

本发明具有以下有益效果：

1、与CMOS技术兼容。采用CMOS技术制作出金属源极和金属漏极。

2、多对金属源极和金属漏极提供了多组检测信号。

3、避免使用电子束光刻，降低生产成本。

4、制作出的器件可以重复循环使用。采用低功率等离子刻蚀办法将已有的二硫化钼去除后，可以继续转移二硫化钼到电极区域作为新的器件继续使用。

附图说明

图1显示为本发明二硫化钼场效应管的制作方法的工艺流程图。

图2～图3a显示为本发明二硫化钼场效应管的制作方法步骤1)中呈现的结构示意图。

图3b显示为本发明图3a俯视图。

图4显示为本发明二硫化钼场效应管的制作方法步骤2)中呈现的结构示意图。

图5显示为本发明二硫化钼场效应管的制作方法步骤3)中呈现的结构示意图。

图6～图7显示为本发明二硫化钼场效应管的制作方法步骤4)中呈现的结构示意图。

图8显示为本发明二硫化钼场效应管的制作方法步骤5)中呈现的结构示意图。

图9显示为本发明二硫化钼场效应管使用时外接电路示意图。

元件标号说明

S1～S5步骤

1基板

10硅基体

11顶绝缘层

110金属源极填埋窗口

111金属漏极填埋窗口

2金属薄膜

20金属源极

21金属漏极

3钝化层

30二硫化钼窗口

31金属源极外接窗口

32金属漏极外接窗口

4二硫化钼

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种二硫化钼场效应管的制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：

S1，提供一包括硅基体和顶绝缘层的基板，刻蚀所述顶绝缘层形成金属电极填埋窗口；

S2，在顶绝缘层和金属电极填埋窗口上方沉积金属薄膜；

S3，利用减薄的方法将顶绝缘层上方金属薄膜去除，得到金属源极和金属漏极；同时保持金属电极填埋窗口上方剩余的金属薄膜与顶绝缘层在同一水平高度；

S4，在金属源极、金属漏极和顶绝缘层上方制作钝化层，并制作出外接电路窗口和二硫化钼窗口；

S5，将二硫化钼转移到二硫化钼窗口上，并与金属源极和金属漏极相连接。

下面结合具体附图对本发明二硫化钼场效应管的制作方法作详细的介绍。

首先执行步骤S1，提供一包括硅基体10和顶绝缘层11的基板1，请参阅附图2；刻蚀所述顶绝缘层11，形成金属电极填埋窗口，所述金属电极填埋窗口分别为金属源极填埋窗口110和金属漏极填埋窗口111。

所述硅基体10可以是已掺杂后的单晶硅、多晶硅或者多晶硅等，在此不限。本实施例中，所述硅基体10为掺杂后的单晶硅。

作为示例，所述顶绝缘层11为SiO₂。所述顶绝缘层11的厚度可以在400～2000nm范围内，本实施例中，所述顶绝缘层11的厚度暂选为600nm，当然，在其他实施例中，所述顶绝缘层11的厚度还可以是200nm、400nm、800nm、1000nm或者其他数值等。

需要说明的是，所述基板1是已经在上表面制作完成SiO₂绝缘层的硅基体10，直接提供就可以为本发明所利用。

可以采用光刻、反应离子刻蚀工艺(Reactive-IonEtching，RIE)刻蚀所述顶绝缘层11，在所述顶绝缘层11中制作形成金属源极填埋窗口110和金属漏极填埋窗口111。制作出的形成金属源极填埋窗口110和金属漏极填埋窗口111如图3a所示。该窗口可以作为后续形成金属源极20和金属漏极21使用。

作为示例，所述金属电极填埋窗110、111的深度为300～1000nm，并且所述金属电极填埋窗口110、111对称分布于顶绝缘层11上，以在后续形成多对金属源极和金属漏极，实现多组检测信号，如图3b所示。

然后执行步骤S2，如图4所示，利用溅射或者蒸发、或者电镀的方法在顶绝缘层11和金属电极填埋窗口上方沉积金属薄膜2。所述金属薄膜2为Ti/Au或者Cr/Au，厚度为300～2000nm。在本实施例中，采用厚度为500nm的Ti/Au薄膜。

接着执行步骤S3，利用减薄的方法将顶绝缘层上方金属薄膜去除，得到金属源极20和金属漏极21；同时可以保持金属电极填埋窗口上方剩余的金属薄膜与顶绝缘层在同一水平高度。

请参阅附图5。本实施例中，采用化学机械抛光(ChemicalMechanicalPlanarization，CMP)工艺进行减薄。

接着执行步骤S4，在金属源极20和漏极21和顶绝缘层11上方制作钝化层3，并制作出二硫化钼窗口30、金属源极外接窗口31和金属源极外接窗口32。钝化层3生长后可以采用可以通过图形化处理和刻蚀工艺得到二硫化钼窗口30、金属源极外接窗口31和金属源极外接窗口32。本实施例中，采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)工艺生长钝化层3，采用光刻和反应离子刻蚀工艺(Reactive-IonEtching，RIE)刻蚀出二硫化钼窗口30、金属源极外接窗口31和金属源极外接窗口32，具体过程为：

第一步，请参阅附图6，采用PE-CVD工艺在金属源极20和漏极21和顶绝缘层11上表面形成钝化层3，当然，也可以采用其他合适的工艺如原子层沉积(ALD)技术等在所述顶金属源极20和金属漏极21和顶绝缘层11上表面形成钝化层3，在此不限。

形成的钝化层3的厚度范围为100～1000nm。本实施例中，钝化层3的厚度暂选为300nm。当然，在其他实施例中，钝化层3的厚度还可以制作为100nm、200nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm等。

第二步，在所述钝化层3上涂敷光刻胶，之后通过光刻图形化所述光刻胶形成开口，再利用反应离子刻蚀工艺(Reactive-IonEtching，RIE)刻蚀所述开口以下的钝化层3形成二硫化钼窗口30、金属源极外接窗口31和金属源极外接窗口32，如图7所示。

其中，钝化层3为氧化硅或者氮化硅。

最后执行步骤S5，请参阅附图8，将二硫化钼4转移到二硫化钼窗口30上，并与金属源极20和金属漏极21相连接，实现二硫化钼场效应管的制作。

重复使用本发明的器件时，可采用低功率氧等离子去除二硫化钼，本实例中采用氧等离子循环去除工艺，为了避免高温和氧等离子对金属电极的损伤，当腔体温度达到35℃，停止去除工作，待温度降至室温后再采用低功率氧等离子去除二硫化钼，直至完全去除为止。实际使用本发明器件时的外接电路示意图如图9所示，直接在硅基体10上施加一个栅极电压作为调制电压。

综上所述，本发明提供的一种二硫化钼场效应管制作方法，解决了传统方法中二硫化钼器件不能重复使用问题，实现了多组源极和漏极集成在一体，提高二硫化钼的转移效率，同时实现了多组信号的实时监测功能。此外，本发明与CMOS工艺的完全兼容使其有较好的扩展性和较广的使用范围。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种二硫化钼场效应管的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括：

2)在顶绝缘层和金属电极填埋窗口上方沉积金属薄膜；

2.根据权利要求1所述的二硫化钼场效应管的制作方法，其特征在于：所述步骤1)中采用反应离子刻蚀工艺刻蚀所述顶绝缘层形成金属电极填埋窗口，所述金属电极填埋窗口深度为300～1000nm。

3.根据权利要求1所述的二硫化钼场效应管的制作方法，其特征在于：所述金属电极填埋窗口对称分布于顶绝缘层上，数量大于4对。

4.根据权利要求1所述的二硫化钼场效应管的制作方法，其特征在于：所述顶绝缘层的厚度范围为400～2000nm。

5.根据权利要求1所述的二硫化钼场效应管的制作方法，其特征在于：所述步骤2)中采用的金属薄膜为Ti/Au或者Cr/Au，厚度为300～2000nm。

6.根据权利要求1所述的二硫化钼场效应管的制作方法，其特征在于：所述步骤3)中采用的减薄方法为化学机械抛光。

7.根据权利要求1所述的二硫化钼场效应管的制作方法，其特征在于：所述步骤4)制作外接电路窗口和二硫化钼窗口的步骤包括：

8.根据权利要求1所述的二硫化钼场效应管的制作方法，其特征在于：所述步骤4)中钝化层材料为氧化硅或者氮化硅。